AP1000核電站主泵的電氣系統分析

王憲坤

（山東核電有限公司，山東 海陽265116）

1 AP1000核電站主泵系統特點

壓水堆核電站中的反應堆冷卻劑循環泵簡稱主泵（RCP），它使冷卻劑通過反應堆壓力容器、蒸汽發生器和冷卻劑環路循環，將熱量從反應堆堆芯傳送到蒸汽發生器，然后由蒸汽發生器傳遞給二回路系統。鑒于主泵的重要作用及其惡劣的運行環境等因素，其設計、制造、運行和維護都成為核電廠的重點工作。

AP1000核電站的反應堆冷卻劑系統為雙環路，每個環路分別配置一臺蒸汽發生器和兩臺屏蔽式主泵，兩臺主泵直接固定在蒸汽發生器的下封頭，連接于同一臺蒸汽發生器的兩臺主泵電源分別取自兩個高壓廠用變壓器。主泵的設計壓力為17.1 MPa，設計溫度為343 ℃，設計流量為17886 m3/h，揚程為111.3 m，轉動慣量為668.3 kg·m2；每臺機組共4臺主泵，分別由汽輪機廠房的四段廠用中壓母線供電，供電方式如圖1所示。50 Hz、10.5 kV廠用中壓母線通過一個中壓開關柜送電至變頻器柜，正常運行時，變頻器輸出60 Hz、6.9 kV的電源通過兩個串聯的核級開關供給主泵的電動機使用。屏蔽泵與傳統的軸封泵相比較主要優點是取消了轉動密封，無需軸封注入水及引漏水系統，相應的泵、管、閥、濾芯、動力及控制電纜、安全殼貫穿件均取消，減少了輔助系統，消除了全廠斷電或軸封損壞時冷卻劑大量泄漏的隱患；軸承均為水潤滑、水冷卻，無需頂軸油和潤滑油系統，簡化了啟動程序，消除了漏油的火災隱患；取消了過渡段，反應堆壓力邊界完整性更好、更可靠；泵組緊湊可靠，設計目標是60年免維護。然而，由于屏蔽泵的結構特點，飛輪的轉動慣量相對較小，需要在發生全廠停電事故時電氣系統仍能延時提供3秒鐘的供電來延長泵轉動時間。另外，由于主泵啟動要求和電動機60 Hz工作電源等原因，需要加裝長期運行的變頻器。

圖1 主泵電氣一次系統圖Fig.1 RCP electrical system

關于“3秒鐘供電”，在核島主合同中要求，當汽輪機跳閘后至少3秒鐘內，主泵的母線電壓仍可維持在要求的定值之上，從而保證主泵的流量不小于設計基準事故分析中假設的流量；這就要求汽輪發電機組有足夠的轉動慣量，以保障無廠外電源、汽輪機又跳閘的極端情況下，汽輪機組惰轉持續到發電機出口斷路器（因汽輪發電機低電壓或勵磁過電流原因除外）斷開的時間至少為3秒鐘。

2 主泵電動機

主泵是一個單級、屏蔽式、高惰性、離心殼式電動泵。它將電動機和所有的轉動設備包在一個壓力容器內，該容器包括泵殼罩、熱屏、定子殼以及定子帽，其設計壓力為反應堆冷卻劑系統全壓運行時的壓力值，主泵驅動是單繞組、三相、四級、立式、水冷、鼠籠感應式異步電動機，葉輪和轉子的軸包含在壓力邊界內，泵罩、定子法蘭和熱屏之間的墊片和頂部密封連接，為泵的密封提供了永久的泄漏保護，所以不需要密封進行限制主泵到泵殼外的泄漏。

屏蔽式主泵電動機與常規電動機的主要區別在于以下5個方面：

1）泵與電動機之間的熱屏：在泵殼內泵與電動機之間裝設了熱屏，熱屏上部為高溫高壓的一回路冷卻劑，下部為82 ℃低溫低壓的電動機冷卻劑，熱屏內部具有冷卻器，利用設備冷卻水進行冷卻。

2）定轉子兩個屏蔽罩：電動機定轉子之間充滿液態冷卻劑，采用密封的定子屏蔽罩和轉子屏蔽罩，分別形成全封閉的轉子和全封閉的定子，隔絕了與冷卻劑的直接接觸；屏蔽罩為耐腐蝕、非磁性金屬合金，強度依靠背部的支撐件支持。

3) 三套軸承：主泵的兩個徑向軸承分別安裝在電動機轉子的上部和下部，推力軸承則位于電動機轉子非泵側的底部，軸承利用與軸形成的水膜進行潤滑，無論任何運行工況，旋轉的帶墊片的推力軸承為旋轉組件提供正向的軸向位置。

4) 兩個飛輪：熱套在轉子兩端的重金屬飛輪組件增加了主泵轉動慣量，延長惰轉時間，確保斷電事故時堆芯燃料元件不至燒毀，外部的屏蔽套防止應力腐蝕。電動機的端蓋、殼體、熱屏法蘭、定子殼和主法蘭等部件，與冷卻劑接觸的材料(軸承材料除外)是奧氏體不銹鋼、鎳-鉻-鐵合金或者等效抗腐蝕材料。

5) 四個冷卻回路：分別為迷宮式密封（在轉子與熱屏之間的位置，阻隔泵殼腔內的高溫冷卻劑和電機腔內的低溫冷卻劑進行熱交換）冷卻回路、熱屏冷卻回路、流經定子屏蔽套和轉子屏蔽套之間的冷卻劑回路和流經電機外套的設備冷卻水回路。

電動機轉軸的下端為中空結構，靠近鐵芯處沿徑向開有兩個貫穿孔，構成電機內循環冷卻回路的水力驅動部分，冷卻劑向上流經上部電機，帶走定子和轉子的熱量并潤滑上部徑向軸承，從電動機上部附近出去，進入一個外部熱交換器，由核島設備冷卻水冷卻，然后冷卻的主冷卻劑向下返回至主泵底部，形成循環；定子組件的外圍由一部分流經電機定子冷卻外套的設備冷卻水進行冷卻。通過冷卻系統的有效工作使電機腔內的冷卻劑溫度保持在80 ℃以下，定子繞組中的最高溫度不大于180 ℃，以此保證繞組絕緣的性能和壽命。因為屏蔽式電動機損耗高、散熱困難等特點，繞組采用N級（200 ℃）絕緣等級，并通過耐壓試驗和耐輻照試驗；為保障60年的使用壽命，安裝后建議不進行交直流耐壓等破壞性試驗。

主泵的監測系統主要包括5種方式：在電動機定子線圈中埋入一個電阻溫度計，進行定子線圈溫度測量；裝有一套振動監測系統，用來連續監測泵組的振動，安全殼外讀出器包括警告報警和高振動水平報警，同時也向主控室輸出報警；4個冗余的電阻溫度探測器監測電機循環冷卻水的溫度，溫度高（2/4邏輯）將導致主泵停運，以防止設備冷卻水延時損失，同時這些溫度計也用于主控顯示和生成報警；一個傳感器監測電機的轉速和轉動方向，輸入信號到保護和安全監控系統以產生主泵轉速低停堆信號，也可以在主控室中產生轉速低報警；電壓和電流傳感器提供電機負載和電壓輸入的信息。

3 主泵變頻器

主泵受反應堆冷卻劑的密度、溫度、壓力等因素影響，需逐步升速、加功率，必須加裝變頻器；AP1000核電站的每臺主泵配有一臺西門子ASIRobicon公司生產的WCⅢ-HA型水冷高壓大容量變頻器。采用變頻器的作用和優點主要是：

1）降低了對電機容量和過電流能力的要求，實現了主泵的軟啟動和無級平滑調速。

2）在正常運行時，將50 Hz、10.5 kV的廠用母線電壓調整為更穩定的60 Hz、6.9 kV電源供給主泵電動機。由于主泵是按美國工頻60 Hz設計的，我國工頻為50 Hz，所以在啟動結束后仍然要求變頻器連續運行，以解決性能匹配、運行方式等相關問題，同時也減小了電動機的體積和重量、降低了空載電流，同時也降低了廠用母線電源的電壓和頻率的波動對主泵電動機的影響。

3）無啟動過電流問題，主泵電機的壽命消耗慢，同時中低壓廠用交流電系統也不會因主泵啟動而造成電壓陡降，從而造成其他電氣設備異常跳閘。

4）由于反應堆冷卻劑系統壓力高、流量和管徑大等原因，在進出口無法設置逆止閥，主泵無防倒轉裝置，在主泵倒轉不超過1530 r/min情況下，變頻器能夠實現電動機加電制動并將其升為正常轉速。

變頻器包括隔離變壓器、功率轉換器、冷卻系統以及控制系統，通過使用一套帶有防止功率單元失效裝置的自動旁路、一套帶有備用的冷卻系統以及一套雙通道控制系統，實現變頻器系統的高可靠性。功率轉換系統提供了完全的冗余旁路控制，并以毫秒級的頻率運行，當兩個或三個功率單元發生故障，變頻器仍然能夠提供主泵全速運行所需的電壓。

然而，由于變頻器需要長期運行，主泵供電可靠性和效率有所降低，增加了投資和運行費用；且變頻器在換流時產生的高次諧波和沖擊電壓，將對電動機的振動和絕緣帶來安全隱患。當失去冷卻后變頻器很快（數分鐘）停運，冷卻系統是影響變頻器可靠性的重要因素，對電氣保護的配置等均有影響。另外，啟動一臺主泵時，需要將額定轉速運行的主泵降到300 r/min再啟動，這是因為正常運行的三臺主泵造成的倒灌流量的反力矩較大。

4 主泵1E級斷路器

位于反應堆冷卻劑環路上的堆芯補水系統，在發生事故時對壓力容器堆芯提供補水和硼化，因為主泵的持續運轉將干擾堆芯補水的運行，所以在堆芯補水時要求應可靠地迅速跳開主泵；1E級主泵斷路器由美國伊頓公司生產，是中壓廠用主交流電源系統中唯一提供與安全相關的核級設備，在每臺主泵電動機與變頻器之間分別配置兩臺串聯的1E級斷路器，它的作用就是在接到保護和安全監控系統跳閘命令后能夠可靠的跳開主泵電源；由于變頻器輸出電源的頻率變化，要求1E級斷路器必須全頻率范圍內的斷開能力都要好。

5 結束語

主泵廠商產品的可靠性在美國軍工和核電系統的長期運行中得到了充分的驗證，但是帶有飛輪這么大容量的主泵還是第一次生產制造，更沒有同類型產品的運行經驗，主泵與變頻器的原型機正在進行耐久試驗。為主泵和變頻器提供冷卻水源的核島設備冷卻水系統也是影響主泵系統安全運行的一個重要環節；主泵的軸承、定子引出線陶瓷密封端子、屏蔽套材料、外置熱交換器、不銹鋼的外殼等部分關鍵部件在技術引進和國產化等受到多方面因素的制約。基于屏蔽泵在美國核動力艦艇和核電廠長期的高可靠性運行事實以及屏蔽泵的獨特優勢，未來必將應用于更多的行業和領域；轉動慣性較大的可變頻大容量屏蔽泵系統的技術引進不僅有利于AP1000三代核電技術的消化和改進，更有利于帶動國內泵和電機類制造業的技術更新和其他相關行業的快速發展。

[1]林誠格. 非能動安全先進核電廠AP1000[M]. 北京：原子能出版社，2008.（LIN Cheng-ge. Passive Safety of Advanced AP1000 Nuclear Power Plant[M]. Beijing:Atomic Energy Press,2008.）

[2]王正茂，閻治安，崔新藝，等. 電機學[M]. 西安：西安交通大學出版社.（WANG Zheng-mao, YAN Zhi-an, CUI Xin-yi, et al. Electromechanics[M]. Xi'an: Xi'an Jiaotong University Press.）