800kW应急柴油发电机组整流装置滤波器高温故障分析

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　　【摘 要】较详实的介绍了应急柴油发电机组在核电厂的重要作用以及关于应急电源失灵的事故。应急柴油发电机为反应堆安全稳定运行提供了基础，但是在某反应堆应急柴油发电机与整流装置联调期间发生了滤波器高温故障。从故障问题的出现、电气原理图分析、设计整改方案、试验方案论证等方面详细阐述了事故处理过程，为以后应急柴油发电机组的运行维修提供了可行性建议。
　　【关键词】柴油发电机组;高温故障;核电厂
　　中图分类号： TM623 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）36-0127-002
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.057
　　0 前言
　　核电是全世界都公认的清洁能源，其安全性、经济性、环保性已经得到全世界的认可。而应急柴油发电机组是核电厂电力系统的备用电源，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。由此可见应急柴油发电机在保护反应堆安全中起到至关重要的作用。
　　1 历史上的核电事故
　　1986年4月26日，切尔诺贝利核电站重大核泄漏污染的主要原因是应急柴油发电机组没有发动起来，核反应堆没有来得及及时关闭，造成核堆烧损泄露。切尔诺贝利核电站至今还是让人毛骨悚然的地方，仅仅用大量的水泥盖在下面，对生态环境造成了巨大的破坏。
　　2011年3月12，日本福岛发生核泄漏事故，主要原因是地震、海啸严重破坏了核电厂交、直流电以及应急柴油发电机，从而导致反应堆仪控系统以及厂内外的通讯系统失灵。主控室没有操控手段，没有电厂状态显示，在未知位置发生氢气爆炸，发生核泄漏。
　　应急电源不能按照设计程序正常启动，那么反应堆就变成了不可控的危险品，一旦反应堆内部核反应剧烈，温度和压力持续上升，反应堆就变成了一个炸弹，随时都有炸毁核岛的可能。应急柴油发电机组的可靠性关系到整个核电厂的安全性。
　　2 某反应堆应急柴油发电机组功能介绍
　　2.1 交流柴油发电机组
　　交流柴油发电机组属于某反应堆的应急电力系统部分，由两组柴油发电机组组成。其功能包括用于失去外电的情况下为允许短时供电中断的负荷供电，同时作为不允许供电中断负荷的后备电源;柴油发电机组能在反应堆故障或失效时向电站其他必需设备和辅机供电，并同时给全部蓄电池组进行充电;柴油发电机组可在120s内自动启动运行，也可以手动启动运行。
　　2.2 整流装置
　　如图1所示，整流装置将交流电（AC）转换成直流电（DC）的装置。整流装置置于整流电路中，整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电。整流电路通常由主电路、整流二极管、滤波器组成，经过整流后的电流不再是交流电，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，需要经过滤波器滤除谐波后得到较为纯净的直流电。
　　图1 桥式整流电路图
　　图2 某反应堆交流柴油发电机整流装置系统框图
　　2.3 滤波器
　　滤波器的是对信号有处理作用的器件，就是在电路允许一部分频率的信号（基波）顺利通过，而另外一部分频率的信号（谐波）则受到很大的抑制，实质上是一个选频电路。
　　2.4 整流电路系统框图（见上图2）
　　3 应急柴油发电机组滤波器高温故障描述
　　某反应堆1号800kW柴油发电机整流装置在配合进行1号柴油机组单机连续运行考核试验过程中，出现了滤波器过热损坏现象。具体故障情况如下：
　　2018年4月21日，1号柴油机组进行连续运行考核试验，整流装置配合试验，装置输出DC1000V，帶800kW阻性负载。从21日上午9：30开始运行到下午13：10（共3h40min），整流装置保护停机、并分断柴油机输出开关。
　　检查后发现，整流装置内部滤波器元件（设备厂家为常州市多极电磁环境技术有限公司）出现鼓包，元件表面喷有少量黑粉。在无测温仪器的情况下，用手试探元件温度，表面烫手，温度较高。
　　4 滤波器高温故障分析
　　4.1 滤波器电路图
　　某反应堆滤波器的电路图如图3所示，为整流过后的直流电滤除掉多余的谐波信号，提供给用户更稳定的直流电。
　　谐波的危害有：会使变压器、电缆和其它电力元件产生附加热损耗;造成控制、保护和测量系统的功能异常等。
　　图3 滤波器电路图
　　4.2 空载试验
　　2018年4月23日，测量1号柴油发电机整流装置对地绝缘电阻为500MΩ（正常）。在确认柴油发电机组各设备供电正常后，启动柴油发电机组以及整流装置输出为DC1000V，空载试验了两次，一次15分钟一次20分钟，设备运作正常，输出正常。
　　4.3 故障位置判定试验
　　经过分析，我们计划将2号整流装置的滤波器拆卸到1号整流装置的滤波器后面，以此来验证是否是滤波器的原因造成了故障。
　　组装完成后，启动柴油发电机组以及整流装置输出为DC1000V，带800kW阻性负载。运行了两个小时（16：50～18：50）并使用点温枪观察1号滤波器温度变化，发现滤波器在柴油发电机运行过程中温度最高达到60.2℃，其附近设备（导线、铜排）最高温度为51.0℃。温差相差较大，由此可初步得出过热的设备元件是滤波器。
　　2018年4月24日，观察1号滤波器内部后发现，设备散发着糊臭味，部分电容破损并喷出了黑粉，包裹着铜排的油性漆绸布已经被烤黑。由此得出，1号滤波器存在高温受损。
　　1号滤波器观察结束后，打开2号滤波器外盖，放置好热成像仪以便观察滤波器内部温度变化情况，启动柴油发电机组以及整流装置输出为DC1000V，带500kW负载。 　　運行一段时间，从热成像仪中发现，滤波器中L1电感线圈温度达到了107℃，同时L2线圈、电容、电阻等元件温度均不超过20℃。
　　4.4 试验结果分析
　　滤波器的损坏或者失效的原因有：电感因为电源电压超过额定电压20%而饱和失效，也可能造成电容的击穿;长期使用，电容处在不断的充放电过程中，电容达到充放电次数而失效。滤波器使用次数少，所以是电感饱和或者电容击穿失效，实验过程中电容温度正常，所以电容没有击穿，因此是由于电感饱和导致滤波器失效。
　　柴油发电机组与整流装置进行的工程联调阶段试验中，整流装置的输入端是由柴油发电机组进行供电。在整流装置厂家生产调试期间，对滤波器的输入电路也加入了谐波干扰试验，如图4所示，柴油发电机产生的谐波大于厂家调试的谐波，形成的共模电流也会随着增大。
　　图4 谐波对比图
　　超过了滤波器电感设计的额定电压20%，从而导致电感线圈达到饱和状态，继续通电的情况下电感持续发热，温度升高。带动了滤波器元件的温度升高，最终导致电感前后的X、Y电容过热损坏。
　　5 整改方案
　　5.1 电路设计
　　电感因为过电压而饱和失效，说明电感选取参数过小，因此选用了更适合大电流场合的差模电感，原有的共模电感L1换为两个差模电感L1、L3，电感量为1μH。前端电感两极电容均改为Y电容，电容量9μH。
　　图5 方案设计电路图
　　5.2 现场施工
　　（1）将滤波器中受损的元器件拆除取下，同时对有可能存在缺陷的元件也进行电气检查，无法正常使用的元件也进行拆除，避免影响后续设备使用。处理杂物，保持设备清洁。
　　（2）根据新设计的参数要求选择相应元件，并将元件安装在了滤波器上，安装完成后将滤波器装于整流装置上，检查设备元件安装已牢固。
　　（3）对新设计的整流装置进行基本电气线路检查，线路正常。
　　6 试验验证
　　设备依照设计方案安装完备，通过如下试验：
　　（1）通电试验：检测整个整流电路是否是通路。经检测线路连接良好，通电正常。
　　（2）点动试机：将柴油机控制屏AC380V供电线路接入到1号整流装置输入端，点动测试装置能否承受高电压。经测试，点动正常，装置无异常。
　　（3）空载试验：不接负载，柴油发电机组连接整流装置空载运行15min。整流装置运行正常。
　　（4）带载试验：带800kW阻性负载运行4h。柴油机、整流装置、滤波器运行正常。
　　因此，整改方案合理有效，解决了滤波器过电压饱和的问题。
　　7 结论
　　通过对本次柴油发电机组与整流装置联调试验出现的滤波器高温故障的处理，得出了如下：第一，应急柴油发电机组对于反应堆的安全稳定运行起着至关重要的作用;第二，设备联调试验相比单机运行存在更多可能出现的问题。这次故障处理的成功，确保了调试按照原计划完成，同时为以后的柴油发电机调试运行检修提供了宝贵的经验。
　　【参考文献】
　　[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].机械工业出版社，2000.
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