新聞主題	應急柴油發電機帶負載試驗方法

 

摘要：應急柴油發電機容量通常有限，當面臨大負荷突然加載時，頻率和電壓都會發生下降現象。特別是由于柴油發電機組在調試初期，基本不具備帶載額定最大負載的工況。因此，康明斯公司在本文分析出廠柴油發電機帶負載試驗方法以及現場突加試驗的工況，探討試驗標準，并測試其最大負載以滿足考核要求。此外，負載測試還可以檢測柴油發電機組的帶載功率，半/滿載測試、不平衡負載能力測試、突加突減功率測試、穩態電壓調整率、穩態頻率調整率、瞬態電壓調整頻率、電壓恢復時間、瞬態頻率調整、頻率恢復時間、柴發持續運行等性能指標。

 

一、柴發負載測試方式

 

      柴油發電機組作為故障檢修或市政電源停電后的應急電源，多數時間都處于待機狀態，一旦市政電源停電或者發生故障，柴油發電機組就起到了至關重要的作用。為防止供電故障發生時柴油發電機組出現性能故障，加強日常檢測和建立完善的維護規程，定時規范地對柴油發電機組進行負載檢測就顯得格外重要。

      根據柴油發電機組容量及運行要求，以選擇測試負載容量為2000kW為例，可供選擇的方案主要有如下3個模式：

1、移動式測試負載

      測試負載采用車載移動式測試負載，需要測試時，租用專業測試公司的測試負載及相應測試設備。此方案需在柴油發電機房三層并機室預留測試負載接線柜，從接線柜引線纜至一層，并預留管線至室外測試點。

2、10KV固定式測試負載

      當用戶電力設置為市政電源與柴油發電機組成的10KV并網供電系統，測試負載需采用10KV電壓等級的固定式測試負載，測試負載可安裝于室外。此方案需在柴油發電機房預留10KV測試負載接線柜，并從接線柜引10KV電纜經由電纜橋架從進出線間引至室外測試負載處。

3、0.4KV固定式測試負載

      本方案中測試負載采用0.4KV電壓等級，負載容量可選1臺2000kW或者4臺500kW，測試負載可安裝于室外。此方案需在柴油發電機房設置20/0.4KV降壓變壓器及相應低壓出線柜。利用低壓母線槽或低壓電纜經由進出線間引至室外的測試負載。

     以上3個方案中，方案一的優點是節省造價但其后期操作繁瑣，每次進行測試時都需要租用測試設備，測試前后需進行電纜連接和拆除的工作，耗費大量入力物力，且測試性能不夠穩定可靠。方案二的測試負載電壓等級為20 KV，是直接模擬高壓配電柜的帶載性能，不需設置降壓變壓器和相關低壓出線柜，工程相對簡單。但后期維護復雜，建造成本及維護費用較高，測試性能與0.4 KV電壓等級測試負載無太大差異。方案三中0.4 KV電壓等級模擬測試發電機組并機升壓（高壓配電柜）又經變壓器降壓后的負載性能，其整體建造成本、后期維護成本都相對低廉，在整機產品測試性能、絕緣、壽命、安全等方面均有一定優勢，整機實用性高，可獨立對單臺發電機組周期性帶載測試和其它低壓帶載測試。故本例中測試負載安裝按照方案三設計。

 

 

圖1  柴油發電機組試驗組成框圖

圖2  柴油發電機突加負載試驗接線圖

 

 

二、優化分析

 

      應急柴油發電機組（Emergency Diesel generator,EDG）在核電廠承擔安全相關功能，在核電廠失去場外電源時，需要對安全廠用負荷進行分級帶載，以保證反應堆堆芯余熱導出，保證3道安全屏障的安全。EDG從出廠試驗開始，歷經多種試驗，核電廠內的突加負載試驗是對整個柴油發電機組暫態特性的考核，是對調速器、發電機組暫態電抗以及AVR（Automatical Voltage Regulator，自動電壓調節器）響應特性進行詳細錄波分析的一種試驗。

      應急柴油發電機組發電機容量有限，當突然加載較大負荷時，發電機的頻率和電壓均會出現下降。通過現場的突加負載試驗，考核EDG綜合性能，驗證突加負載能力是否滿足實際需求。

1、試驗負荷的選取

      按照IEEE 387的規范要求，需要啟動柴油發電機在應急運行期間最大的負荷。由于在調試期間，以VVER（Water Water Ener原getic Reactor，水—水動力反應堆）機型為例，EDG帶載的最大負荷為LAS泵（Emergency Feed Pump，應急補水泵）800 kW，在蒸汽發生器失去正常補水后為其提供應急補水，保證堆芯的余熱導出，而蒸汽發生器的整個管線可用的施工邏輯往往又滯后于EDG可用性的要求，因此現場僅采用小流量試驗。小流量試驗的缺點是負載小于實際負載。但從試驗的特性來說，該試驗更側重于對于發電機暫態電抗和勵磁系統的考核，調速器的試驗在廠家突加負載時能夠足夠證明其可靠性。工廠出廠驗收時，EDG需要

      歷經最大為75%額定功率的突加負載（4210 kW），在該條件下的頻率最大偏差為依5%，且在2 s內恢復。廠家試驗時，考核條件已經超過現場最大單個負荷，對于EDG的暫態考核，應側重于對于電壓跌落的考核。EDG制造廠的試驗臺架上不具備800 kW的電機，通過阻性水電阻以及并聯電抗器來模擬試驗負載，該類型的模擬無法實際代表電動機的啟動過程。突加負載試驗更多的應從考核無功的角度考慮，即電壓跌落的深度。使用LAS泵的小流量啟動可以接受。

2、試驗標準的選取

      國內的EDG突加試驗參照標準有法國RCCE標準以及德國KTA標準。RCC—EC2400的標準為：突加負載時頻率不應下降到額定值的95%以下，電壓不應下降到額定值的75%以下。

      按照KTA 3702標準要求，在“Transition voltage deviation during power lever increase”（電源負載增加期間過渡電壓的偏差），頻率不應低于額定值的95%，電壓不應下降到85%以下。KTA標準比RCCE標準嚴格，VVER項目EDG的制造及試驗標準采用KTA標準，試驗驗收標準參考KTA3702標準。

 

三、試驗

 

1、試驗的實施

      突加負載并不是單一的試驗項目，是一連串連續試驗里的一個環節。驗證的是EDG的負荷轉移能力，是把1臺接近空載的發電機突然加上負載，驗證轉速和電壓變化。試驗方法是將BE*母線下游帶上盡量多的負載，然后將EDG并網，并網后的EDG由于調速器自動加載900 kW負荷，可手動減少有功輸出，但是低功率時的功率很難停留在穩定的平臺。需要就地和主控室配合，當觀察到EDG輸出的功率處于低谷時，主控室果斷斷開BE*進線斷路器。使得本段母線負載由電網帶載轉移至EDG，觀察進線斷路器斷開前后的電壓及頻率波動。BE*進線斷路器分閘使得EDG進入應急模式，電調從試驗模式切換至應急模式時，儀控系統會給出短暫的停機脈沖命令。停機脈沖命令消失后，電調檢測到轉速會將柴油發電機重新拉到以1560 r/min為起始點的4%Droop （勵磁下垂控制特性）曲線上。由于AVR不區分是否并網，它是恒Droop模式，根據發電機的電流調整發電機的端電壓。

      調試期間，下游的負載1000 kW，觀察不到電壓發生顯著的變化。該電流跟電動機啟動電流相差數倍，對于AVR及發電機暫態電抗的特性考核而言比較微弱。

      在EDG進入孤島模式后，先停掉LAS泵，然后準備開始突加負載，就地的錄波器準備好之后，開始倒計時錄波，主控人員啟動LAS泵。LAS泵啟動完畢后，對電壓跌落深度及恢復時間進行初步判斷。

2、同源核相與假同期

      EDG的突加試驗結束后，需要將處于孤島運行的EDG與外電網進行并網，稱為反同期。并網同期試驗前，需進行同源核相試驗，EDG突加負載試驗接線圖見圖1。經歷同源核相試驗，才能對同期回路的正確性做出判斷，否則在二次線接線錯誤情況下將使得同期表顯示滿足同期條件，從而對發電機造成巨大傷害。其中同源核相部分，在發電機首次啟動之前已經具備條件。反同期時BE*母線和BB*母線的同期，也就是兩段PT （Position Transformer，電壓互感器）之間的同期，在BE*上電后，可對反同期回路進行同源核相的確認。在同一個1次電源情況下，確認此時同期表指向12點。

      反同期的前提是同源核相，真正反同期操作前需進行1次假同期，即是將進線斷路器置于試驗位置，然后進行合閘。通過錄波器錄取進線斷路器變位反饋以及BE*和BB*包絡電壓的比較，進線斷路器的變位反饋應在包絡電壓的近零點。

      調試時，由于反同期表在后備盤，后備盤調試屬于儀控人員，因此EDG調試人員并未過多深入后備盤的回路部分。而且假同期試驗時的試驗方法不完整，僅在接近12點時按下合閘按鈕，未在6點、9點方向嘗試合閘，所以默認為同期表的輸出允許接點串在合閘回路當中。在后續的調試過程中，多次核實后發現同期表的允許接點未串在合閘回路當中，將允許接點串入，同期表允許接點串入后，需要校驗同期表的允許頻差，按照國內習慣設置為（0.1~0.3）Hz，換算成轉速為（3~9）r/min。恢復與外電網連接時，需要在主控后備盤操作，硬件按鈕操作送至儀控系統，儀控系統再送至保護柜，保護柜再送至電調/AVR。因此可以明顯察覺到響應滯后，將允許轉差調整到0.15 Hz，也就是接近7 r/min。

      假同期操作過程中，在6點、9點方向嘗試合閘失敗，在接近12點時應正確動作。然后可以將斷路器推入工作位置，開始正式的反同期合閘操作，正式合閘過程中進行錄波，分析開關變位與包絡電壓的關系，分析假同期時，兩邊PT電壓存在差異，二次線的長度不一致，使得包絡電壓存在固有壓差，在同源核相期間測量包絡電壓的固有壓差，以便在假同期時對近零點判斷。反同期成功后，停運EDG，試驗結束。

 3、參數隨負載的變化情況

      圖3是柴油發電機逐步增加負載至滿載后的波形圖。柴油發電機增加負荷就意珠著增加每循環供油量，所以耗油量G_f隨負荷的增加而增加，而過量空氣系數α隨負荷的增加而減小；供油量多，放熱也多，使排氣溫度t_r隨負荷的增加而升高。

      在空負荷時，N_e＝0，p_i＝p_m，這時η_m＝0，所以g_e為無窮大。隨著負荷的增加，η_m迅遠上升，而g_e反而下降。當負荷増加到A點時，g_e達到最小值。再繼續增加負荷，由于過量空氣系數a減小，混合氣形成和燃繞惡化，g_e反而升高。

      排氣煙度隨負荷的増加而増加，但在低負荷時増加緩慢，且低負荷時煙度很小，肉眼看不出，通常被認為是排氣無煙。在高負荷時，煙度迅速增加：當接近最大功率時，由于a減小，混合氣形成和燃燒惡化，然燒不完全，排氣煙度急劇增加（圖4中B點），此時燃油消耗率g_e也迅速升高。活塞和汽缸蓋等機件的熱負荷也迅速增大。如果再繼續增加供油量，則柴油發電機排氣大量冒黑煙，功率反而下降，因此柴油發電機存在一個冒煙極限。為了保證柴油發電機安全可靠地運行，不允許柴油發電機在冒煙極限下工作。

      從圖4中還可以看出，A點g_e最低，但功率較小；B點功率雖高，但g_e也高。從坐標原點作一射線與。曲線相切得到切點C，C點的功率N_e與g_e之比值最大，是柴油發電機使用最經濟的點。

圖3  多臺柴發加載至滿載后波形圖

圖4  柴油發電機各參數隨負荷變化的情況

 

 

總結：

      分析應急柴油發電機突加負載試驗方法，進行試驗和后期并網，充分的考察柴油發電機性能。不應拘泥于湊出最大有功負載，通過2臺或者多臺中壓電機啟動來模擬LAS泵的真實帶載，該工況目的是湊出有功功率相近，但該情況下勵磁機的無功功率存在不足，導致過流保護動作。充分認識同源核相試驗的極端重要性，對于回路及PT差異導致的固有壓差，在EDG并網試驗的導前時間核算時進行考慮。

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