核电站控制棒电源系统发电机失磁故障解析_肖项涛.pdf

2023 年2 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.3 第 38 卷第 3 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.211667 核电站控制棒电源系统发电机失磁故障解析 肖项涛1 郝亮亮1 梁郑秋1 何 鹏2 吴鹏飞3（1.北京交通大学电气工程学院 北京 100044 2.辽宁红沿河核电有限公司 大连 116001 3.阳江核电有限公司 阳江 529599）摘要 核电站控制棒电源（简称棒控电源）是控制棒驱动机构的唯一供电系统，确保该系统的安全可靠运行对提高核电站安全性具有重大意义。实际运行的棒控电源系统中发电机的失磁保护判据原理简单，现场发生了多起失磁保护失配事件，且棒控电源系统中发电机的运行状态不同于常规并网发电机；为了有效解决失磁保护失配问题，需对棒控电源系统中发电机的失磁故障进行重新解析。首先，根据转差率和功角特点将失磁发展历程划分为等功角阶段、异步运行阶段和周期异步运行阶段；其次，以发电机等效电路及相量图为基础，以 q 轴电动势为切入点，结合发电机基本方程，由各阶段 q 轴电动势的变化解析得到各电气量稳态表达式；最后，通过实际机组的失磁实验数据以及基于 PSCAD 平台的失磁故障仿真，全面验证了解析结果的正确性。该文给出的失磁故障解析过程为棒控电源系统发电机失磁保护方案的制定奠定了理论基础。关键词：核电站控制棒电源系统 发电机失磁 故障解析 故障分段 中图分类号：TM341 0 引言 核电站控制棒驱动机构电源系统（简称棒控电源）是控制棒驱动机构唯一的电源系统，棒控电源系统采取百分百冗余配置方案，由两列参数及保护配置完全相同的电动机-发电机组构成，正常工作时两列机组并列运行1。完整的棒控电源系统结构如图 1 所示，分为上游供电部分、旋转异步电机（Rotating Asynchronous Machine,RAM）系统及下游负荷部分。上游供电部分由核电站主发电机经分裂变压器和降压变压器产生380V线电压带动异步电 图 1 完整棒控电源系统结构图 Fig.1 Complete structure of control rod power system 动机；RAM 系统由笼型异步电动机经过飞轮质量块拖动隐极发电机，产生线电压供给下游负荷。RAM 系统出口母线经半桥整流，给控制棒驱动机构各类工作线圈供电。由于对 RAM系统发电机的失磁过程认识不清，工程实际中仅采用简单的转子低电流作为保护判据，导致现场发生多起保护失去选择性而误动的事件。如 2019 年 11 月 14 日，某百万 kW 级核电站并列运行的 RAM 系统中一列机组因故障导致失磁，进而造成正常列过电流。由于当前采用的转子低电流判据适用性存在问题，使得正常列过电流保护动作将正常列切除，故障列失磁保护动作将故障列切除，两列系统全部失效，控制棒线圈失电落棒导致反应堆停堆，给核电站造成了巨大的经济损失。同步发电机失去励磁是发电机励磁回路常见的故障，发电机失磁不仅会影响自身安全，还可能会危及整个系统的稳定运行2-6。现有的失磁故障特征分析主要针对并网发电机。并网发电机发生失磁后，伴随着失磁程度的加深，主要有发电机无功功率反向、系统电压降低、定子过电流及转子过热等特点，且发电机以低转差率联网运行，输出一定的有功功率7-11。目前对并网发电机失磁研究，主要分为定性和定量分析两方面。定性分析的技术路线为根据发电260V 中广核集团公司科技项目（3100077013）和中央高校基本科研业务费项目（2020JBM070）资助。收稿日期 2021-10-20 改稿日期 2022-01-20 第 38 卷第 3 期 肖项涛等 核电站控制棒电源系统发电机失磁故障解析 771 机失磁后的运行状态将整个失磁历程分为等有功阶段、异步运行阶段和稳态异步运行阶段，并阐述了各阶段电气量变化规律；其中，文献3,7,12基于Matlab 对单机无穷大系统进行失磁仿真，并按阶段对电气量变化规律进行了说明。定量分析主流技术路线为通过建立发电机数学模型，将失磁故障特征量化为方程，代入发电机数学模型求解，进而得到定转子侧各电气量的时域表达式13-16。针对发电机模型，文献17给出了四种发电机失磁异步运行的数学模型，包含传统的 Park 模型、计及实心转子涡流的定参数模型、计及实心转子涡流的 d 轴三绕组变参数模型和计及实心转子涡流的d 轴两绕组变参数模型，并通过失磁仿真，得出后两种模型精度更高的结论。此外，文献18-19从气隙磁通密度谐波变化、转子端部漏抗变化及涡流损耗计算角度出发考量发电机失磁后的动态特性，并通过建立有限元模型求解，验证了方法的有效性。现有针对并网发电机失磁过程的研究并不适用于 RAM 系统发电机，原因在于 RAM 系统发电机与并网发电机存在两方面的差异：一是 RAM 系统发电机不具有调速器，电动机输出机械功率取决于发电机电磁功率。但该系统具有惯性质量很大的飞轮，飞轮的作用是在失去上游供电的1.2s内，拖动发电机输出不低于44Hz 234V、的电能。在失磁故障发生瞬间，机组转速不突变。二是 RAM 系统经出口母线直接连至负荷，而非无穷大电网，机端电压和频率不恒定。因此，需要单独展开对 RAM 系统发电机失磁过程的解析工作。明确失磁故障特征是制定保护方案的基础，因此对失磁过程的解析很关键。针对 RAM 系统发电机失磁故障解析，本文基于合理的假设，由其等效电路与发电机数学模型，得到 q 轴电动势的一般表达式；按照发电机失磁后转差率及功角特点，将失磁发展历程分为等功角阶段、异步运行阶段及周期异步运行阶段；根据各阶段 q 轴电动势表达式推导得到各电气量的解析表达式，之后通过实际机组失磁实验数据和失磁仿真全面验证了解析结果的正确性。本文对 RAM 系统发电机失磁故障的解析为失磁保护方案的制定奠定了理论基础。1 适用于失磁过程分析的 RAM 系统数学模型 1.1 假设 为了突出 RAM 发电机失磁过程的主要规律，本文忽略次要因素，进行以下假设：（1）认为 RAM 机组具有足够的无功支撑能力。当对列具有足够的无功供给能力，且忽略发电机磁饱和，则认为母线出口电压在故障发展过程中保持不变。（2）忽略定、转子间漏磁及阻尼绕组引起的次暂态过程。针对 RAM 系统失磁的研究最终要落实到保护优化上，侧重于失磁后各电气量稳态时的规律，因此忽略定转子漏磁及阻尼绕组引起的次暂态变化过程。1.2 RAM 系统中失磁发电机的数学模型 RAM 系统采取百分百冗余配置，并列运行的两列机组参数及保护配置完全相同，单列机组便可充分满足下游负荷需求。忽略发电机定子电阻及漏抗，单列 RAM 机组等效电路如图 2 所示。图 2 中，01E?为发电机空载电动势；a1x为电枢反应电抗；G1G1VI、?分别为机端电压、电流；11PQ、分别为发电机输出有功功率及无功功率；LLIZ、?分别为负荷电流和阻抗。图 2 单列 RAM 机组等效电路 Fig.2 Equivalent circuit of single RAM unit RAM 系统隐极同步发电机数学模型稳态等效电路模型如图 3 所示，其相量图如图 4 所示20。图中，dqxx、为 d 轴、q 轴同步电抗；GdGqUU、和GdGqII、分别为机端电压电流 d、q 轴分量；qqEE、分别为 q 轴电动势稳态值和暂态值；为发电机功角，为发电机功率因数角。图 3 RAM 隐极发电机稳态运行 dq 轴等效电路 Fig.3 The dq axis equivalent circuit of RAM generator steady state 根据图 4 所示相量图可以得到稳态时机端电流表达式为 qGqddEUIx=（1）772 电 工 技 术 学 报 2023 年 2 月 图 4 RAM 隐极发电机运行相量图 Fig.4 Phasse diagram of RAM non-salient pole generator G,dqq UIx=（2）输出有功功率及无功功率分别为 qGtdsinE UPx=（3）2qGGtdd cosE UUQxx=（4）发电机转子运动方程为 0Jmt0ddd()dwwtwTPPD wwt=（5）式中，mP为原动机输出机械功率；w为电气角速度；D 为无量纲的阻尼系数；TJ为发电机组惯性时间常数。发电机任意时刻都有转子方程式（6）成立。LL LLh=ui rp+（6）式中，Lu为施加在发电机转子上的励磁电压；Li为发电机励磁绕组中的电流；Lr为励磁绕组电阻；Lh为励磁绕组上的合成磁链；p 为微分算子。将式（6）两边同除Lr，并乘以电枢反应电抗ax，可得21 aaLLhFaLaaLL=xxxi xi xpxxr+（7）式中，LLF/=uri；Lx为励磁线圈漏抗。又有21 aLhdqaL=xpppExx=+（8）将式（8）代入式（7）中，结合qpa Fqa LEx iEx i=、，则有 qpqd0qEET pE=+（9）式中，qpE为励磁机供给的励磁电流Fi所引起的纵轴同步电动势；qE为励磁绕组电流Li引起的纵轴同步电势；d0T为纵轴瞬变开路时间常数，aLd0L=xxTr+。由图4发电机相量图可知有 qGqdddqGqGdddGqqGddd=cosEUxxxEUIxxUEUxxx+=+=+（10）式中，各量均采用瞬时值，在发电机失磁后，RAM机组有足够的无功功率支撑使得机端电压保持不变，则有 dddqqGdd=sinxxxpEpEUpxx （11）将式（11）代入式（9）有 qpqdqd0dG()sinEET pETT Up=+（12）式中，dT为纵轴瞬变短路时间常数22，dd0dd=TT xx。式（12）由基于隐极发电机的磁链方程和转子回路方程推得，其在失磁后的任一时刻都是成立的。2 RAM 机组失磁故障特征分析 2.1 RAM 机组失磁过程发展阶段的理论分析 正常运行时两列RAM机组转速相同，RAM发电机直连至出口母线，则失磁后故障列功角代表q轴电动势与母线电压sU夹角，而母线电压、频率为正常列机端电压、频率，因此故障列功角变化量实质上反映了两列机组的转速差在时间维度上的累积。根据发电机失磁后的功角及转差率特点，可将RAM发电机失磁发展历程划分为等功角阶段、异步运行阶段和周期异步运行阶段三个阶段，如图5所示。等功角阶段：原动机输出机械功率不能突变，发电机输出有功减小，由式（5）可得，故障列转子有加速趋势，正常列机组有减速趋势；而电动机与发电机同轴连接一惯性质量大的飞轮，因此转速不能突变，所以功角在失磁初始阶段不变，称之为等功角阶段。RAM系统发生失磁导致故障列q轴电动 第 38 卷第 3 期 肖项涛等 核电站控制棒电源系统发电机失磁故障解析 773 图 5 RAM 发电机失磁发展历程分段 Fig.5 Segmentation of the development process of RAM generator loss of field 势衰减，由式（1）和式（2）可知，输出电流和有功功率减小，无功功率减小乃至反向。正常列机组通过增加励磁来增加无功功率输出，输出有功功率、无功功率及电流增加。此阶段故障列发电机基本可视为同步运行。异步运行阶段：随着失磁程度加深，机组转速突破飞轮限制出现缓慢变化。故障列功角和转差率开始增加，与正常机组不同步，进入异步运行阶段。故障机组定转子之间出现相对运动，在转子上产生感应电势，减缓了励磁的衰减；随着转差率及功角增大，发电机输出异步有功功率及从对列吸收无功功率增大；反向无功的增大及定子上的感应电动势使得定子电流增加。在此阶段中，正常列机组仍然基本为同步运行。周期异步运行阶段：在无外界条件干预的情况下，故障列功角逐渐增加到=180，即出现了滑极现象，象征着故障机组进入周期异步运行阶段。此时转子上感应电动势、电流反向，进而使得各电气量产生相应的波动，直至出现下一次滑极，各电气量重复异步运行