核电厂应急柴油发电机

1、华北电力大学（保定） 硕士学位论文 核电厂应急柴油发电机电气运行关键问题研究 姓名：梁传富 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：赵成勇 2011-06 华北电力大学硕士学位论文 摘 要 随着我国核电行业的蓬勃发展，核电厂最为关键的问题之一应急柴油 发电机的电能质量也显得越来越重要和紧迫。 论文主要从应急柴油发电机电气运行关键问题方面分析、论证改善应急柴 油发电机电能质量的主要措施。首先介绍了应急柴油发电机电能质量的基本要求；接着对核电厂应急柴油发电机的一般继电保护设置给出实例，作出归纳， 并对应急工况下的继电保护跳闸设置进行分析，优先推荐低电压保护；然后对 柴油发电机的励磁

2、系统作出较为深入的介绍，建议以后选用微机型励磁调节器、 采用较为成熟的带永磁机的三机无刷励磁系统；最后，对负载组合要求其兼顾 可接受的电压降，提出可采取的措施有 6kV 电动机启动时间错开、适当调整起 动顺序、合理选择柴油机和发电机的容量等。 通过这些措施的改善，可给核电厂应急柴油发电机在应急工况下的程序带 载提供更好的电能质量，也能对我国后续应急柴油发电机的引进提供技术指标 参考。 关 键 词 ： 应急柴油发电机；关键问题；核电厂 I 选题背景及其意义 2008 年联合国波兰气候大会，对替代碳机的各种清洁能源进行排名，按照 合理利用、成熟性、经济性和竞争力划分了四个档次，排在第一档次第一位的

3、是 核能，可见，发展核电已成为清洁能源必走之路。根据全球气候变暖的形势以及 节能减排和环境保护的要求，我国政府就提出“积极发展核电”的方针，规划到 2020 年大陆核电装机容量达到 4000 万 kW 以上，占总发电量将有 1.4提高到 4 左右1。毫无疑问，中国核电正迎来行业的大发展。 但美国的三哩岛核事故、前苏联的切尔诺贝利核事故、特别是今年的东日本 大地震引起的福岛核电站事故，再一次牵动着全世界的神经。这表明核电厂核安 全事故后果的难以消除性、 国内国际社会公众的极度敏感性以及核安全的极其重 要性。 核电厂应急柴油发电机作为全厂应急安全电源与核安全直接相关， 目的是为 了在核电

4、站的厂用工作电源和辅助电源都发生故障时， 确保机组安全停堆和防止 关键设备损坏。 从而在保护燃料元件不受损坏和保证核安全方面发挥非常重要的作用2。 应急柴油发电机在全厂失电时从接到启动指令后： 1) 一般应在 1015s 内启动并达到额定电压和频率，并按事先规定的带载 程序分批次带载； 2) 频率恢复到其额定值的 98%以及电压恢复到其额定值的 90%的时间应小 于这一程序步骤开始和下一程序步骤开始之间的时间间隔的 40%； 3) 负荷加载期间，频率不应下降到额定值的 95%（47.5Hz）以下； 4) 电压不应下降到额定值的 75%（4.95kV）以下； 5) 加载的每一步骤之后，运行条件的

5、瞬变均不应导致柴油发电机组转速的 增加超出超速跳闸最小整定值与额定转速之差的 75%3。 我国的核电厂运行经验表明， 确有全厂断电事故而紧急启动应急柴油发电机 的情况发生 4。倘若在此时应急柴油发电机的应急运行电能质量不符合上述标准而跳闸,后果将不堪设想.目前我国现有核电柴油发电机组几乎全部从德国MTU/AREVA 和法国 ALSTOM 进口，国内目前尚不具备自主设计和制造能力。因此深入分析核电厂 应急柴油发电机的电气运行关键问题有着很强的国内核电建设运营背景和防止 发生类似日本福岛核电站核事故的现实意义。1.2 国内外研究动态 核电厂应急柴油发电机的特点是：大容量、高可靠性（启动成

6、功率不小于 99%）、快速启动（十几秒钟内建立合格的电压和功率），良好的带载性能 1。目前，国际上柴油机生产制造行业已发生了剧烈的并购和重组，同时，由于欧美的核电发展不前，使得研究、生产核电应急柴油发电机的厂家、机构日益减少，甚 至有些应急柴油发电机组产品系列已经停产，只剩下了德国的 MTU 公司和法国 的 ALSTOM 公司能生产 1E 级柴油发电机组。 我 国 现 有 的 核 电 机 组 除 秦 山 一 期 以 外 全 部 从 法 国 ALSTOM 和 德 国 MTU/AREVA 进口，新建核电项目正在进行国产化引进：陕柴与 MTU 成立陕 西北方安特优发动机有限公司合资企业承接福清、方家

7、山项目；陕柴与 MTU/AREVA 组成联合体承接阳江项目；陕柴-ALSTOM/MAN 组成联合体承接 宁德、红沿河项目，通过合作生产逐步掌握技术。 可以说，目前国内、外的核电应急柴油发电机组面对新形势下的核电发展需 要，还要不断的创新。尤其是国内在这方面的研究，还有很长的路要走。 核电厂应急柴油发电机电气运行关键问题的最终体现是应急供电的质量。 应 急运行时，应急柴油发电机的电压建立、暂降以及供电连续性等方面由于有其十 分特殊的意义直接涉及到核安全， 故核电厂应急柴油发电机的电气运行关键 问题研究是核电电气从业者的共同心声。 在我国核电应急柴油发电机组的引进中，对继电保护的配置、励

8、磁选择、程 序带载时负载搭配、柴油机与发电机的容量搭配等方面存在的差距较大，而国内 没有可查询的依据或者相关标准， 根据核电厂应急柴油发电机的最终使用目的 提供较高的应急电能质量，来研究核电厂应急柴油发电机的电气方面配置，是 我们核电电气工作者必然要面对的现实问题。 电能质量，从普遍意义上讲是指优质供电，可定义为：导致用电设备故障或 不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压波动与闪 变、电压偏差、三相不平衡、波形畸变（谐波） 、暂时或瞬态过电压、电压暂降、 中断、暂升以及供电连续性等 5-7。在我国目前运行的核电厂中，应急柴油发电 机应急运行时的电压建立、中断、暂降和恢复

9、已成为核电厂最重要的电能质量问 题 8。 1.3 课题研究内容本课题主要是对我国已运行核电厂应急柴油发电机电气运行关键问题进行探讨， 以便进一步提高应急柴油发电机应急带载的电能质量及为后续应急柴油发 电机建设提供参考。研究内容如下: 1)  核电厂应急柴油发电机应急运行供电质量要求。核电厂设置应急安全电 源的目的是为了在核电站的厂用工作电源和辅助电源同时发生故障时， 确保机组 安全停堆和防止关键设备损坏；目前在我国二代堆型中，应急柴油发电机对保护 燃料元件不受损坏和保证核电厂核安全方面发挥非常重要的作用 2。本章对核电 厂应急柴油发电机的作用和应急运行时的技术要求作出归纳， 明确改善

10、应急柴油 发电机电气运行关键问题的方向。 2) 应急柴油发电机的继电保护设置。目前，我国大陆核电厂的应急柴油发 电机继电保护设置差异比较大，通过本节的研究，给出应急柴油发电机的继电保 护设置部分实例、一般方法及工程经验反馈，对应急模式下的继电保护配置作出 论证和改进，使柴油发电机的应急供电能力得到进一步的提高。在应急情况下， 低电压保护由于能较好的反映柴油发电机因严重故障而不能继续带载运行， 故本 节通过论证推荐其为应急方式下唯一允许跳闸的电气信号。 3)  核电厂应急柴油发电机的励磁调节系统。在国内核电厂众多的应急柴油 发电机励磁调节器中，属于数字式励磁调节器的并不多，起励电路、励

11、磁方式等 也各有差异。而在提高柴油发电机供电稳定性方面，励磁方式的选择、励磁调节 器的选型、 起励电路的设计以及励磁的限制与保护是提高励磁系统供电稳定性的 先天条件， 关系重大。 通过本章节的探讨， 结合应急柴油发电机的特殊工作环境， 对不同励磁方式性能作出对比，论证带永磁机的三机无刷励磁方式的优点，也对 励磁保护方面作出一些归纳等，为后续建设的应急柴油发电机励磁系统提供参考。 4) 应急柴油发电机的程序带载试验及改善方法分析。程序带载试验是应急 柴油发电机设计功能的最终检验。试验模拟全厂断电情况下，自动触发柴油发电 机应急启机，及时建立电压并按事先设计的带载顺序逐一带载。本章节通过对程 序带

12、载的负载结构、电动机起机引起的电压降、柴油机和发电机的容量配置等方 面的研究，提出降低电压暂降可采取的措施为：启动时间错开，避免多台 6kV 电动机的同时起动；在兼顾了相对紧急程度的情况下，调整起动顺序；合理选择 柴油机和发电机的容量；经济许可情况下，可适当提高柴油发电机的容量，改善 程序带载过程中的电压降，提高应急供电性能。 最后希望我国的核电厂应急柴油发电机的电气运行关键方面研究能够完全 自主、建立一套自己的标准、规范。 第2章  核电厂应急柴油发电机应急运行供电质量要求 2.1 核电厂应急柴油发电机的作用2.1.1 核电厂应急柴油发电机的认识在核电厂中，利用

13、235 U的裂变来产生热量。由于裂变产物衰变放出缓发 射线，堆芯成为强放射源，因此在反应堆停止运行时，堆芯除了裂变产物的衰变 热外， 还自行存在放热， 形成总的堆芯余热。 典型堆心余热曲线图如图 2-1 所示： 图 2-1 典型堆芯余热曲线图0停堆后长期存在的剩余发热是影响裂变反应堆安全问题的关键因数。 由于堆 芯余热的存在，如果不能有效冷却，就会足以导致堆芯持续升温以致熔化，自发 突破反应堆设计中的多重实体屏障，将大量放射性物质释放到环境中，发生灾难 日本福岛核电站的部分堆芯熔化就是因为堆芯余热未能及时有效导性的后果。 在我国现役及在建的二代堆型中，余热导出采用的途径是设置外动力 源持续驱动

14、相关系统，不断冷却堆芯，导出余热。这种外动力源就是核电厂应急 柴油发电机。 核电厂的应急柴油发电机组是能够自动快速启动、 按程序带载的应急交流电 源。一般情况下，核电厂每台机组配备 24 台相互独立的应急柴油发电机组， 当高压厂用变压器提供的正常电源和高压厂用辅助变压器提供的后备电源失效 时、或发生安全壳压力高高时、或发生安注动作，它们能够立即紧急启动，并自 动对相应的 6kV 专设安全设施供电，为应急电源供电的设备提供可靠的电源， 以确保反应堆安全关闭、堆芯余热的及时顺利导出、以及一回路压力边界的完整 性，从而阻止放射性物质向大气泄漏。柴油发电机是一种小型发电设备， 以柴油机为原动机带动发电

15、机发电的动力机械。一般由柴油机、发电机、燃油箱、控制柜、控制用蓄电池、保护装置等部 件组成整套机组。 核电厂应急柴油发电机的容量一般比较大，除主要组件外，要使其正常、安 全而又稳定地运转，还必须保证气、油、水的充分供应和循环。其中机械部分主 要包括燃油系统、高温水系统、润滑油系统、低温水系统、进气系统、排气系统、 空气启动系统及其有关装置。 电气部分主要包括发电机、 励磁机、 励磁调节系统、 继电保护装置、同期装置等部件。仪控部分主要有各种探头表计、仪控控制 柜、速度控制器等。这些装置在日常维护保养中往往要对它进行大量工作，否则 将影响柴油机正常工作，甚至造成严重事故。 世界各核电厂

16、的概率安全评价表明：应急电源系统失效导致电厂完全失电， 进而丧失堆芯冷却能力是导致堆芯损坏最为可信的事件序列之一。 2.1.2 应急柴油发电机的作用 应急柴油发电机作为核电厂最后一道应急电源， 在应急工况下有着不可替代 的核安全功能和设备保护功能，主要作用如下： 1) 核电厂应急安全电源设置的目的是为了在核电站的厂用工作电源和辅助 电源同时发生故障时，确保机组安全停堆和防止关键设备损坏。 2) 应急电源对保护燃料元件不受损坏和保证核电厂核安全方面发挥非常重 要的作用。 3) 2.1.3 应急柴油发电机的设备属性 目前我国已运行核电厂及大部分在建核电厂的应急柴油发电机一般都具有 核安全保护的功能

17、，属于核级设备，在设计、制造、调试、运行、维护等方面有 着严格的要求，以保证应急运行的可靠性，以下是设备属性的表现方面：1) 应急柴油发电机属于 1E 级设备，所带系统设备大多属安全级设备。2) 安全级设备对地震、火灾、台风等要求有较高的抗御能力，因此在设计、 建造、调试、运行中都有其特殊要求。 3) 目前市场上能满足 1E 级核电站应急柴油发电机要求的潜在供货商只有 法国 ALSTOM 和德国 MTU/AREVA 公司。2.2 应急柴油发电机的技术要求 2.2.1 应急加载期间的要求 应急带载是核电厂应急柴油发电机设计功能的最终体现，由于涉及到核 安全，因此有着严格的技术要求，主要如下： 1

18、) 接到启动指令后应一般应在 1015 秒钟内启动并达到额定电压和频率； 2) 负荷加载期间：频率不应下降到额定值的 95%（47.5Hz）以下；电压不 应下降到额定值的 75%（4.95kV）以下；频率恢复到其额定值的 98%以及电压 恢复到其额定值的 90%的时间应小于这一程序步骤开始和下一程序步骤开始之 间的时间间隔的 40%； 3) 切除最大的单个负载，或在按程序加载的每一步骤之后，运行条件的瞬 变均不应导致柴油发电机组转速的增加超出超速跳闸最小整定值与额定转速之 差的 75%； 4) 空压系统在应急情况下（不补气）能保证连续启动 5 次，每次不大于 10 秒； 5) 重要系统、设备采

19、取冗余配置。 归纳起来说：大容量（5000kW6500kW） 、高可靠性（启动成功率不小于 99%） 、快速启动（1015 秒内建立合格的电压和功率） 、良好的带载性能。 2.2.2 承受异常/事故运行工况的能力要求 应急柴油发电机除了在核安全方面有着特殊要求以外， 还必需符合以下一般 发电机承受异常、事故运行工况能力的要求3： 1) 由柴油发电机供电的 6.6kV 供电系统有一相接地时能正常启动和运行； 2) 发电机组具有承受以下故障的能力： 由外部故障引起的发电机端子处小于 5S 的三相或两相短路； 1.2 倍额定转速下超速运行 5 秒钟； 频率约 50Hz，1.4 倍额定过电压持续 4

20、秒钟； 频率约 50Hz，1.2 倍额定过电压持续 3 分钟； 相位差从 120°到 180°的非同期并网至少 2 次。 2.3 应急柴油发电机运行电气关键问题 应急柴油发电机运行电气关键问题就是电能质量符合要求。 在柴油发电机做 应急运行时，对电能质量方面涉及的内容如电压偏差、电压波动与闪 变 、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变（谐波）、暂升 12-15等方面的要求较低， 主要是对启动时电压建立、程序带载时的继电保护动作、程序带载时 6kV 电动 机启动引起的电压暂降等有严格的限制。 本节就是对影响这些限制的因数作出探 讨，采取合理的方式进行改善。例如采用性能良好的

21、励磁调节器、适当调整 6kV 电机的启动批次、采用能真实反映故障的电气继电保护跳闸信号等等，以保障应 急柴油发电机应急运行的稳定性。 总结起来影响应急柴油发电机运行的电气关键问题可从以下几个方面进行 改善： 1) 正确选择应急柴油发电机的继电保护设置； 2) 合理设计励磁方式和选择性能优良的励磁调节器； 3) 合理调整程序带载的负荷批次和柴油机的容量等。第 3 章 应急柴油发电机继电保护设置 本章分析国内部分核电厂应急柴油发电机的保护配置和计算。通过这些分 析，建立一种基于核电厂应急柴油发电机的一般合理继电保护配置规律，为后续 的核电厂建设提供应急柴油发电机保护配置参考。 先以电力系统来参考，

22、电力系统故障是产生供电中断的最主要原因。造成系 统故障的原因很多，包括电气设备质量缺陷、人员误操作、继电保护误动作、运 行管理水平低下以及自然灾害等。 统计资料表明， 导致系统稳定性破坏的故障中， 最直接的原因分别是：由设备质量缺陷引起的占 32、人员误操作引起的占 17 、继电保护误动作引起的占 13.2、运行管理水平低引起的占 21.2、自然灾 害引起的占 16.6。 虽然应急柴油发电机的启动带载失败还没有类似权威的统计， 但做好继电保 护的设计、减少继电保护的误动作，对提高应急柴油发电机的应急运行供电连续 性有很大的好处。 3.1 应急柴油发电机的运行模式 应急柴油发电机作为事故发电机，

23、具有特殊的运行方式，因此发电机的继电 保护配置，应与其运行方式相适应。一般核电厂应急柴油发电机具有两种运行方 式：应急方式和试验方式16（有的厂称为正常方式）。应急方式由反应堆保护、应急母线失压、安全壳压力高等信号触发启动柴油 发电机，在这种情况下，保证反应堆的冷却最为重要，所以发电机的保护应强调 动作的可靠性，防止保护误动，只有在柴油发电机发生严重故障情况下，失去了供电能力，方可跳闸。试验方式由就地控制柜或主控室启动，试验目的是为了检验柴油发电机处于 正常状态，可在事故应急情况下启动并能程序带载。试验工况下需带负荷，为了 能正确反映发电机的各种故障和不正常运行状态，需要强调发电机保护动作的灵

24、敏性。 3.2 试验方式继电保护配置 通过收集国内核电站应急柴油发电机的保护配置， 可得出试验方式时配置的 电气保护有：发电机差动保护、定子接地保护、失磁、逆功率、过负荷、过流、 过电压、低电压、频率高、频率低、励磁故障、负序过流、低阻抗等。以下是试验方式的继电保护配置实例1718。 3.2.1 发电机差动保护 我国规程规定发电机功率超过 1MW 应装设差动保护 19，作为发电机的主 保护。发电机纵差保护用的是 10P 级电流互感器，在额定一次电流和额定二次负 荷条件下的比误差为±3%。因此，纵差保护在正常负荷状态下的不平衡电流不 大于 6。但随着外部短路电流的增大及非周期暂态电流的

25、影响，电流互感器将 会饱和，不平衡电流急剧增大，实际不平衡电流与短路电流的关系曲线如图 3-1 中曲线 OED 所示：发电机外部短路时，差动保护的最大不平衡电流可由下式进行估算：I unb.max = K ap K cc K er I k(3) na .max 式中 Kap非周期分量系数，取 1.52.0；Kcc互感器同型系数，取 0.5； Ker互感器比误差系数，取 0.1； I(3)k.max最大外部三相短路电流周期分量。 比率制动特性纵差保护需要整定计算以下三个参数： 1) 确定差动保护最小动作电流，即确定图 3-1 中 A 点纵坐标 IOP.0： IOP.O = Kkel ×

26、 2 × 0.03Ign / na 或 IOP.O = KkelIunb.0 式中 Kkel可靠系数，取 1.5; Ign发电机额定电流； Iunb.0发电机核定负荷状态下，实测差动保护中的不平衡电流。 实际可取 IOP。 O（0.100.30）Ign/na，一般宜选用（0.100.20）Ign/na，如 果实测值 Iunb.0 较大，则应尽快查清 Iunb.0 增大的原因，并予以消除，避免因 Iunb.0 过大而导致一、二次设备的隐患或缺陷被掩盖。 发电机内部短路，特别是靠近中性点经过渡电阻短路时，中性点或机端侧的 三相电流不一定大，为保证内部短路时的灵敏度，最小动作电流 IOP。

27、O不应无根据地增大。 2) 拐点 B 制动特性确定。定子电流等于或小于额定电流时，差动保护可不 具备制动特性，因此B点的横坐标 3) Ires.0 = (0.8 1.0) Ign / na 当 Ires.0 Ign/na 时，应调整保护内部参数，使其满足上式。3) 确定制动特性的 C 点（条件是按最大外部短路电流下差动保护不误动）并计算最大制动系数。Iop.max 为 C 点对应的最大动作电流，其值为： Iop. max = KrelIunb. max 式中 Krel可靠系数，取 1.31.5。 C点对应的最大短路电流 I(3)k.max 与最大制动电流 Ires.max 相对应。点的最大制动

28、系数 Kres.max 按下式计算： Kres. max = Iop. max/ Ires. max = KrelKapKccKer 上式的计算值 Kres.max 0.15，可确保在最大外部短路时差动保护不误动。但 考虑到电流互感器的饱和或其暂态特性畸变的影响，为安全计，宣适当提高制动 系数值。图 3-1 中，取 C 点的 Kres.max 0.30。该比率制动特性的斜率 S 为 S=（ Iop. max -Iop.0 ）(I (3) k . max/ na -Ires.0 )由上述 A、 B、 C 三点计算确定的制动特性，能保证在最大外部短路暂态过 程和负荷状态中可靠不误动。 当发电机机端

29、两相金属性短路时，按上述原则整定的比率制动特性，差动保 护的 Ksen 一定满足2.0 的要求，可不进行灵敏度校验。 以下有2种国内某核电厂的柴油发电机差动保护。 1) 7UT512 型差动保护 ,该保护采用比率制动原理，能够反映各种相间和接 地故障 ，在发电机内部故障时保护可靠动作，差动特性包括两段制动曲线以适 应不同的运行工况，当外部故障时，流过 CT 的电流较大， CT 饱和 ，造成差 流增大，为了保证可靠制动，保护设置了一个增加制动区 20 ，以防止外部故障 时保护误动，动作特性曲线如图 3-2 中“增加制动区”所示： 差动启动电流 IdZ 应能躲过正常运行的最大不平衡电流，其中包括

30、CT 变比 误差、不同 CT 引起的不平衡等，常规发电机的启动电流一般为 0.10.2Ign，对于 应急柴油发电机，防止在应急情况下保护不误动，另外差动保护的 CT 取自不同 的厂家，误差相对较大，将启动电流设为 0.2 InGe。差动保护的斜率为了与运行 工况相对应，现一般设为两段，斜率 K1、 K2 分别设为 0.3、 0.5。相对于图 3-1 的拐点 B，跟一般发电机相同，设为 1InGe 。 1) DMS7001 型差动保护装置 该保护采用比率制动原理，保护范围从定子绕组的末端到发电机出口开关下口侧，包含了6kV 连接电缆。纵差保护作为柴油机的电气主保护，不管是应急 还是试验工况下,只

31、要动作就跳柴油发电机出口开关和灭磁开关。纵差保护差动 动作特性如图 3-3 所示：其中，ZONE1 区为差动启动值，定值为 0.2x573÷800xIN，即 0.2x0.72xIN， 可躲过正常运行最大不平衡电流；ZONE2 区的斜率为 0.2，不经过原点，拐点为 1In； ZONE3 区将有高故障电流通过，此时 CT 的测量精度下降，厂家根据试验 11 华北电力大学硕士学位论文 结果将斜率固化为 0.65，直线经过原点，拐点设计值为 2In；高定值区是用来消 除极端故障情况，此时只要 ID 大于 5IN 就迅速跳闸。由于发电机的额定电流为 573A,CT 变比为 800/1A，所以

32、 IP 与 IS 值均需除以 0.72，其中 IP 为柴油发电机 ； 机端电流， IS 为柴油发电机中性点电流。动作电流： ID IP IS（矢量相减） 制动电流： IZ=（ IP IS） /2。差动保护动作时间已被固化为 0s，实测 值在 40ms 左右。为提高电流测量的稳定性，差动保护装置加装三相稳定电阻。 对于其它形式的差动保护，如标积制动式纵差保护、故障分量比率制动式纵 差保护、不完全纵差保护等没有引用。作为一种反映发电机内部绕组及引出线短路故障的保护，纵差保护具有反映灵敏、动作快等优点。应急柴油发电机作为一种非常重要的核级电源，对某些质量要求（如谐波、瞬态过电压等）不是很高，但对应急

33、供电可靠性却显得特别重要，因此若差动保护作为应急情况下的跳闸信号，差动保护相比传统的发电机差动保护还有许多可改进的地方，如增加一个延 时、增加制动区、定值稍大、设置两套差动保护且在两个差动保护都动作的情况下才跳闸等改进措施。 3.2.2 定子接地保护 发电机最常见的故障之一是定子绕组的单相接地， 即定子绕组与铁芯间的绝 缘遭到破坏，定子接地后，接地电流经故障点、对地电容及定子绕组构成回路。 当接地电流过大时，能在故障点引起电弧，损毁铁芯和定子绕组，危害更大的匝 间、相间短路也有可能引起。 我国发电机中性点接地方式主要有以下四种21： 1) 不接地(含经单相电压互感器接地)； 2) 经消弧线圈(

34、欠补偿)接地； 3) 经配电变压器高阻接地； 4) 中性点经低阻接地方式。 在发电机单相接地故障时，不同的中性点接地方式，将有不同的接地电流和 动态过电压以及不同的保护出口方式。 发电机单相接地电流允许值22如表 3-1 所示。 当机端单相金属性接地电容电流 I c 小于允许值时，发电机中性点应不接 地，单相接地保护带时限动作于信号；若 I c 大于允许值，宜以消弧线图 ( 欠补 偿 ) 接地，补偿后的残余电流 ( 容性 ) 小于允许值时，保护仍带时限动作于信号； 但当消弧线圈退出运行或由于其他原因使残余电流大于允许值时，保护应动 作于停机。 发电机单相接地允许电流值 发电机额定电压/kV 6

35、.3 10.5 发电机额定容量/MW 50 汽轮发电机 水轮发电机 13.815.75 1820 汽轮发电机 水轮发电机 300600 50100 10100 125200 40225 1 氢冷为 2.5，其余为 2 故障电流允许值/A 4 3 发电机中性点经配电变压器高阻接地时，接地故障电流大于 21/2Ic，一股情 况下均将大于允许值，所以单相接地保护应带时限动作于停机其时限应与系统 接地保护相配合。 目前国内核电厂应急柴油发电机的出口电压都为 6.6kV，接至中压厂用电系 统。鉴于有的厂中压系统是不接地系统，而有的厂是经变压器高阻接地，所以柴 油机发电机的接地保护需与各核电厂的中压接地方

36、式相配合。 6.6kV 系统是接 若 地系统时，采用零序电压或零序电流比较方便；若 6.6kV 系统是不接地系统时， 需采用注入式定子接地保护。 下面是某厂柴油发电机的定子接地保护。 该厂的 6 kV 中压系统经配电变压器高阻接地，柴油发电机中性点可经电阻 直接接地（并网时中性点地刀退出、孤网时投入） ，本柴油发电机的定子接地保 护通过中性点零序电流互感器的基波零序电流（可滤掉三次谐波）来反映接地故 障。对于小型发电机不需要装设 100定子接地保护，经验表明只要覆盖 95的 定子接地保护区域即可。 发电机出口侧发生单相完全接地时，中性点 CT 流经电流为：式中 Rn 为中性点接地电阻，值为 4

37、00 欧。 已知 CT精度为0.99、继电器精度为 0.95、保护范围为 95、 变比为 5/10、 CT 可靠系数取 0.95，故： 结合继电保护装置定值设置步长设定定子接地保护定值为 0.05IN，动作时间 采用定时限为 0.1s。若柴油发电机采用注入式定子接地保护，一定要注意发电机的定子接地保护与6kV母线段的定子接地保护相互干扰，影响测量结果。 3.2.3 负序过流保护 当发电机发生不对称短路时，发电机的定子绕组中将有负序电流流过，且在 发电机中产生以两倍同步转速对转子旋转的磁场，使转子中产生倍频电流。由于 集肤效应的作用，倍频电流主要在转子表面流通，形成过热点，导致转子表层金 属材料

38、强度下降，甚至烧伤转子，危及机组的安全。此外，护环与转子本体的温 差超过允许限度，将导致其松脱，造成更加严重的破坏。 发电机有一定的承受负序电流的能力，只要负序电流不超过规定的限度，转 子就不会遭受损伤。根据发电机的一般设计标准，负序电流符合以下定律： (INeg/In)2*t=C ，其中 C 为常数，在 840 之间选择。 某厂柴油发电机承受负序电流特性为：正常情况下定子可接受的最大负序电 流 I2 是 8 Ingen，暂态情况下符合公式(I2gen/Ingen)2×t，如图 3-4 所示： 图 3-4 负序电流保护特性曲线 由图 3-4 取点计算可知柴油发电机的常数C为 20s,

39、为使保护动作更灵敏， 设 计中取定值 C 8s。又 故取 I2>>设定值为 5。从保护装置的试验结果： I2 1A 时， t=200s 及 I2 2A 时，t=49.99s 看与公式 T=8/( I2/ In)2 非常相符。 3.2.4 失磁保护 发电机失磁的原因有：灭磁开关开路、励磁绕组短路及励磁调节器故障等。发电机失磁后将过渡到异步运行，转子出现转差，定子电流增大、电压下降，有 功功率下降，无功功率反向，引起系统电压下降，发电机的定子端部、转子及边 14 华北电力大学硕士学位论文 段铁芯过热等。 发电机低励失磁保护的动作主判据可分为： a) 系统侧主判据三相同时低电压继电器，本

40、判据主要用于防止由发电 机低励失磁故障引发系统无功储备不足造成系统电压崩溃及大面积停电事故， 其 动作判据为： Uop.3 ph = (0.85 0.90)Uh. min 式中 Uop.3ph三相同时低电压继电器动作电压(此值应经调度部门确定); Uh.min高压系统最低正常运行电压。 经辅助判据“与门”输出，短延时动作于发电机解列。 b) 发电机侧主判据： 1) 静稳极限阻抗继电器；2) 静稳极限励磁低电压继电器； 3) 异步边界阻抗继电器。 c) 低励失滋保护的辅助判据： 1) 负序电压元件； 2) 延时元件；3) 励磁低电压元件。 图 3-5 是某厂柴油发电机使用异步边界阻抗测量原理来检

41、测失磁故障。 当进 入图 3-5 中的失磁阻抗圆时，即判定为失磁故障。 此柴油发电机的同步电抗 Xd 为 182.7、暂态电抗 Xd 为 19.1、视在功率 为 6.25MVA 及额定电压为 6.3kV。故： 因此 X2 的设定值选 14%Zn。考虑设置步长，X1 设定值选 250%Zn,时间设定值选为 2s。 失滋异步运行情况下，动作于发电机解列的延时，由电网和发电机生产厂共 同决定允许发电机带 (0.4 0.5)Pgn 的失磁异步运行时间。 发电机转入异步运行的 低励失磁保护动作后，应断开灭磁开关，防止有损大轴的同步功率继续存在。异步边界阻抗圆动作判据主要用于与系统联系紧密的发电机失磁故障

42、检测， 能反应失磁情况下机端的最终阻抗，但动作可能较迟些。 显然正常并网运行的柴油发电机，短暂的失磁影响不大，时间可视情况适度 增加。若柴油发电机带载非并网的情况下失磁，其动作时间应稍短些。 3.2.5 低阻抗保护 对于中小型机组，不要求装设双重主保护，但应配置常规后备保护，并使其 对所连接母线和相邻设备的相间短路故障具有必要的灵敏度。 低阻抗保护一般作为内部相间故障和相邻母线、设备故障的后备保护。以下是某厂柴油发电机的低阻抗定值设定。 柴油发电机出口电压残存 10为参考量计算阻抗值，在此时的电压情况下 机组柴油发电机的运行已经没有任何意义， 因此不管是试验还是应急方式下都必须跳闸，以防止柴油

43、机的烧毁。 故 Z<</Z n = 3.22 /11.547 27.9% 结合装置设定步长选 Z<<为 26Zn,此后备保护的动作时间设为 2S。 3.2.6 过、低频保护 频率保护用于保护汽轮机，防止汽轮机叶片及其拉金的断裂事故，对于极端 工况，还将威胁厂用电的安全。汽轮机的叶片有一自振频率，如果发电机的频率 变化到自振频率时，将导致共振，使材料疲劳，造成严重事故。在电力系统发生事故期间，系统频率必须限制在允许的范围内，以免损坏机 组。根据国内已投入运行的 300MW 及以上部分大型汽轮发电机组允许的频率偏 移范围的调查结果，提出“大机组频率异常运行允许时间建议值 2

44、4”如表 3-2 所 示。 虽然不是 300MW 以上的大型汽轮发电机组，但同属并网设备，可参考以上 建议值，某厂柴油发电机过频保护的定值是 51.5Hz,时间为 3.0S；低频保护的定 值是 47.5Hz，时间也为 3.0S。 3.2.7 过、低压保护 非正常运行情况下的过电压将导致柴油机的绝缘老化。而手动励磁调节不正 确或者励磁调节器故障，将导致过电压情况的出现。故需设置过电压保护。低电压保护主要在启机、同期控制过程中起作用，电流速断保护为其后备保 护。低电压定值设为 0.7Un，动作时间为 1s。过电压动作值设为 1.2Un,时间固 化为 0s。 3.2.8 逆功率保护逆功率保护主要保护

45、柴油机本身。在试验方式下、柴油发电机与厂用电系统 并列运行，如果柴油机燃油系统等故障造成发电机无原动力输出，将造成发电机 变为电动机运行，这样容易损坏柴油机活塞等，所以机组柴油发电机设置逆功率保护是有必要的。 逆功率保护定值一般设置为 5 Sn,时间设置可稍长。本柴油机 逆功率保护定值设置为 5Sn,时间 5S。 3.2.9 过载保护 在应急情况下，机组柴油机不会过载，只有在并网运行试验工况下，柴油机 才有可能过载。过载能力按 1.05 倍的额定功率计算。考虑到 CT、PT、综合保护 装置的测量精度为 0.95，再取一可靠系数 0.95，可计算过载电流为： I 1.05 × 573

46、÷ 0.95 ÷ 0.95 ÷ 0.95 ÷ 0.95 × 5 ÷ 800 4.62 A or 0.92 I n 结合过载保护设置步长为 0.1In，取 I>为 1In,作为不正常运行工况的后备保 护，其跳闸时间设为 5S。 3.3 应急方式继电保护配置 通过收集国内核电站应急柴油发电机的保护配置， 可得出应急方式时配置的 电气保护主要有：发电机差动保护、发电机低电压保护、低阻抗保护等（由于低 阻抗保护装置采用的很少，以下讨论中主要讨论差动保护和低电压保护） 。但一 般每台柴油发电机在应急方式下只设置一种继电保护用来跳闸， 如岭

47、澳核电站在 应急情况下只设置低电压保护用来跳闸， 田湾核电站在应急情况下只设置差动保 护用来跳闸。差动保护和低电压保护的设置在上节已讲到了。 3.3.1 应急方式下继电保护的选择比较 在应急方式下， 显然继电保护动作的可靠性要比继电保护动作的灵敏性要求 更高，因此对差动保护和低电压保护都有相应的改进。如差动保护装置增加为两个，只有两个差动保护装置都同时动作时才允许应急情况下跳闸；低电压保护采 用3取2的方式，只有两个以上的低电压保护装置同时动作时才允许应急情况下 跳闸。 到底采用差动保护还是低电压保护， 主要看两者所反映的柴油发电机的电能 质量是否符合继续带载的要求， 若能更真实的反映出柴油发

48、电机的电能质量状况 已经完全不能满足继续带载时，我们就应该选择此种保护。 在国内目前还没有可借鉴的资料或者文献来描述或规定这种继电保护该如 何设置， 现分析一下差动保护 （即柴油发电机的纵差保护） 和低电压保护的特点。 纵差保护反映的故障为：反映发电机内部的定子绕组不同相之间的相间短 路；在发电机中性点经大电阻接地时，若发生定子单相接地，发电机差动保护也 有可能动作；在发电机内部没有故障时，不管外部发生什么短路，均不动作。 低电压保护反映的故障为：预定当被测量点的电压由于短路、接地等原因低于规定值时执行相应保护动作。 判断柴油发电机在应急情况下应不应该跳闸的标准不是柴油发电机发没发生故障,而是

49、看柴油发电机还能不能继续提供使所带设备继续运行所需的电能。 当发电机定子绕组发生相间短路时，若故障较为轻微,如靠近发电机中性点 侧或相间短路的过渡电阻较大时，柴油发电机还可继续运行，提供不少于 80 的发电机出口电压，则柴油发电机在此种工况下的应急带载应仍可继续。而柴油 发电机的频率较低时，现在的低压继电器一般也能很好的反映出电压大小，不会引起误动。很显然，选择差动保护时必然跳闸，而选择低电压时还可继续运行。 当发生定子单相接地时，若发电机中性点经大电阻接地，差动保护有可能跳 闸（如接地电阻取 100 ,发电机应急加载时发生出口母线单相接地，再加上带载 期间的电动机启动电流引起两侧 CT 变比

50、误差，在图 3-2 的 K1 段容易发生误动 作 28-29） ；而低电压保护可取相电压，由于采取了 3 取 2 的跳闸逻辑，可不跳闸； 且实际上，定子接地保护虽然能动作，但在应急情况下是不跳闸的，这一点也与 采用的低电压保护动作结果相吻合。 当发生发电机外部短路时，不管短路有多严重，发电机差动保护不动作。而 6kV 母线除了弧光保护以外也没有可动作的保护，此时，若出口电压质量已不能 满足负载应急运行时的起码要求， 应急柴油发电机在有一台冗余的情况下可以跳 闸。低电压保护由于能反映电压降（低于 80 Un） ，在电压质量已不能满足负载 应急运行的起码要求时能够跳闸。 3-3 是核电厂应急柴油发

51、电机应急情况下低 表 电压保护和差动保护动作可靠性对比。 综上，由于低电压保护能真切的反映柴油发电机的电能质量能否满足应急情况下的带载基本需求，且作为 1E 级电气设备简单容易实现，本文推荐后续建设的核电厂应急柴油发电机应急模式下的电气保护跳闸采用低电压保护跳闸。 3.3.2 应急情况下跳闸保护的改进方式 应急情况下跳闸， 不管最终采用那一种保护， 都应该对保护进行适当的改进， 以提高可靠性。 3-4 是核电厂应急柴油发电机应急情况下差动保护和低电压保护的动作可靠性改进方式。 3.4 本章小结 本章主要描述了应急柴油发电机的一般继电保护设置方法和部分实例， 并对 应急工况下的继电保护配置作出论

52、证， 推荐使用低电压保护作为应急工况下的电 气保护跳闸，以使柴油发电机的应急供电能力得到进一步的提高。 第 4 章 应急柴油发电机的励磁系统为了保证柴油发电机组的稳定可靠运行，需采用一定的控制措施。由于使用 的柴油机组是同步发电机，在众多改善同步发电机稳定运行的措施中，提高励磁 系统的控制性能是公认的经济而有效的手段之一。 4.1 励磁控制器 4.1.1 励磁控制器的作用 同步发电机励磁控制器的主要作用包括以下几个方面： 1) 在正常情况下，根据电力系统的负荷状况，维持发电机机端电压在给定 水平上。当电力系统发生短路事故或其它原因导致发电机机端电压严重下降时， 对发电机强励，以减少端电压下降幅

53、度，提高电力系统的动态稳定极限和继电保 护装置动作的灵敏度和准确性；当发电机突然甩负荷时，强行减磁，以限制发电 机端电压过度升高；当发电机内部及其引出线上出现短路时，励磁控制装置迅速 灭磁，防止事故扩大。2) 当两台或以上发电机在同一母线上并列运行时，合理分配无功功率。对 于无调差的多台发电机，不能并联运行。当它们具有调差特性时，发电机输出的 无功功率与其调差特性有关。调差大的机组分配到的无功少，调差小的机组分配 到的无功多。通过调节发电机的励磁电流可改变其调差特性，也就是说，可改变 发电机的输出无功。3) 保持同步发电机稳定运行。电力系统稳定性问题可归结为三类：静态、 动态及暂态稳定。良好的

54、励磁控制系统对这三类稳定性都有一定的改善作用。 核电厂中的应急柴油发电机作为应急电源使用时， 不存在并网和无功分配问 题， 此时柴油发电机励磁控制器的作用主要是程序加载期间和加载后维持发电机 机端电压处在给定水平上 ,当有波动时，能够自校正 31-32；当应急柴油发电机在 试验工况下并网运行时，应具有上述同步发电机励磁控制器的所有功能。 4.1.2 励磁控制器的发展 励磁控制器经历了从简单到复杂、从单一到多种功能的发展历史33-34。 1) 由磁性放大元件和整流器件组成的电磁式励磁控制器。此励磁控制器响 应时间长、超调量大、动态性能差、无保护及限制功能，已基本淘汰。 2) 以运算放大器和半导体

55、器件为核心组成的半导体励磁控制器。此种控制 21 华北电力大学硕士学位论文 器响应速度快、动态性能好，但其热稳定性能较差、抗干扰能力弱，经常出现无 功大幅度摆动现象，目前己较少使用。3) 集成模块化励磁控制器。随着大规模集成电路的发展，半导体励磁控制 器被集成模块化励磁控制器替代了，与前者相比，集成模块化励磁控制器由于电 路集成度高，并且按功能作用进行了模块化分割，在有限空间内可最大限度的增 加装置的功能，尽可能多的设置补偿电路，大幅度的提高了稳定性及性能。 4) 微机励磁控制器。它是以经典和现代控制与微机技术相结合的近代新型 励磁控制器，不但具有常规控制器的全部调节控制功能，还具有许多其它保

56、护、 控制、限制和容错等功能。近年来由于数字控制技术的飞跃发展，使得微机型励 磁控制器有着优异的性能价格比和高度的稳定性，是现代励磁控制系统的首选 35 。 4.1.3 励磁控制器的选型 微机励磁调节器与老式的调节器相比 , 在功能、稳定性等方面具有极大的优势。近几年来, 微机励磁调节器以其硬件结构简单、清晰、设备通用性好、标准 化程度高、软件灵活、能够方便实现多种功能和满足各种控制规律的要求等优点 , 在许多电厂得到了广泛的应用 ,并已取得很好的效果和丰富的经验。但在国内的 核电厂中，并不是所有应急柴油发电机的励磁调节器是微机型的励磁调节器，虽 然这些柴油发电机的无功运行也正常， 但鉴于微机

57、型励磁调节器还有许多其它的 保护、控制、限制和容错等功能，因此新建核电厂应急柴油发电机引进中一定要 求采用数字式励磁调节器。 励磁调节器的通道 ,可考虑采用双自动通道数字励磁调节器 ,通道间互为备用 , 故障后自动切换 ,切换过程无扰动。应具有自动到自动、自动到手动、手动到自 动之间的切换功能。 4.2 发电机的主要励磁方式 发电机的主要励磁方式有三种：直流励磁机励磁方式；交流励磁机励磁 方式，又分为旋转整流器励磁方式（无刷励磁）和静止整流器励磁方式（有刷励 磁） ；静止励磁方式（如自并励励磁方式） 。 1) 直流励磁机励磁系统 60 年代以前，汽轮发电机的励磁方式均采用同轴直流发电机作为励磁

58、机， 通过励磁调节器改变直流励磁机的励磁电流， 进而改变发电机转子绕组的励磁电 压、调节转子的励磁电流，达到调节发电机机端电压的目的。其中直流发电机称 为直流励磁机，直流励磁机一般与发电机同轴，励磁电流通过换向器和电刷供给 22 华北电力大学硕士学位论文 发电机转子励磁电流，形成有碳刷励磁。直流机励磁方式又可分为自励和它励方 式。专门用来给同步发电机转子回路供电的直流发电机系统称为直流励磁机系 统。其优点与无励磁机系统比较，厂用电率较低。直流励磁机的原理图之一如图 4-1 所示。随着机组容量的不断增大，直流励磁机励磁方式表现出了明显的缺陷 36 ： 一是受换向器所限其制造容量不可能大， 100MW 以上发电机组已难以采用；二 是整流子、碳刷及滑环磨损，环境有污染，维护麻烦；三是励磁调节速度慢，可 靠性低，直流励磁机励磁方式已无法适应需要。 2) 交流励磁机静止整流器励磁系统 发电机、主励磁机和副励磁机三台交