AP1000主泵變頻器安全可靠性分析

張美嬌 李永剛

【摘 要】 AP1000是西屋公司在已開(kāi)發(fā)的非能動(dòng)先進(jìn)壓水堆AP600的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的3代核電堆型。AP1000為單堆布置兩環(huán)路機(jī)組，電功率1250MWe，設(shè)計(jì)壽命60年，主要安全系統(tǒng)采用非能動(dòng)設(shè)計(jì)，布置在安全殼內(nèi)，安全殼為雙層結(jié)構(gòu)，外層為預(yù)應(yīng)力混凝土，內(nèi)層為鋼板結(jié)構(gòu)。作為AP1000機(jī)組主泵的動(dòng)力中心，主泵變頻器能否安全、可靠運(yùn)行，直接影響到整個(gè)AP1000核電廠(chǎng)的安全性和可用率。本文從AP1000主泵變頻器的設(shè)備結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特性、控制與保護(hù)方式三個(gè)方面對(duì)其安全可靠性進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】AP1000核電站 主泵變頻器 冗余設(shè)計(jì) 安全可靠 分析

主泵是按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，額定電源6.9kV，60Hz，而國(guó)內(nèi)電網(wǎng)工頻為50Hz，因此需增設(shè)主泵變頻器。變頻器可將50Hz電源頻率轉(zhuǎn)變?yōu)橹鞅盟桀l率，在正常運(yùn)行時(shí)，提供60Hz電源頻率至主泵，使主泵按設(shè)計(jì)速度運(yùn)行。變頻器是主泵唯一的電能來(lái)源，它能否安全可靠運(yùn)行對(duì)電廠(chǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性影響很大，因此應(yīng)從各方面采取措施來(lái)確保它的安全可靠性。

1 AP1000主泵變頻器系統(tǒng)組成

主泵變頻器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括以下系統(tǒng)元件，即輸入柜、液體冷卻的輸入隔離變壓器及線(xiàn)路側(cè)分布式防雷器、功率單元柜、輸出柜、控制及冷卻柜。10.5kV中壓電源經(jīng)變壓器進(jìn)行電壓變換后進(jìn)入各功率單元完成整流與逆變，為主泵電機(jī)提供電源；控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)將信號(hào)傳送給整流器、中間電路和逆變器，同時(shí)接收來(lái)自這些部分的信號(hào)，對(duì)變頻器各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并與全廠(chǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行通信；冷卻系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)進(jìn)出水溫度、泵的流量、電離子率進(jìn)行全程監(jiān)控與控制，保證變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 安全可靠的設(shè)備結(jié)構(gòu)

2.1 功率單元冗余設(shè)計(jì)

主泵變頻器的輸出共18個(gè)功率單元，每相由6個(gè)功率單元串聯(lián)形成4500v高壓。變頻器正是通過(guò)這些最基本的功率單元實(shí)現(xiàn)變壓輸出，每一個(gè)功率單元都相當(dāng)于一臺(tái)交流-直流-交流”電壓型單相輸出的低壓變頻器。功率單元旁路系統(tǒng)是一個(gè)與變頻器主控室完全獨(dú)立的子系統(tǒng)，以保證其最大可用性，旁路過(guò)程將在250ms內(nèi)完成。某兩個(gè)故障時(shí)仍可維持最大6675 V電壓輸出（N+2冗余）。

2.2 變頻器控制系統(tǒng)冗余

控制系統(tǒng)為變頻器提供控制、檢測(cè)、保護(hù)等功能，用來(lái)協(xié)調(diào)所有的程序執(zhí)行和相關(guān)操作，對(duì)維持供電系統(tǒng)的持續(xù)與穩(wěn)定起著舉足輕重的作用。AP1000變頻器具有雙重控制系統(tǒng)，100%冗余（鍵盤(pán)、用戶(hù)I/O、通信、電源等）。控制系統(tǒng)冗余消除單一數(shù)字系統(tǒng)中的單一故障點(diǎn)：兩套完全一樣的NXGII控制系統(tǒng)包括跟控制系統(tǒng)相關(guān)的所有信號(hào)源；主控制A、備份控制B，自動(dòng)互相備份，切換時(shí)間250-500ms；與主電路以及旁路通信的光纖也進(jìn)行冗余，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。當(dāng)其中一個(gè)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，變頻系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并維持運(yùn)行。

2.3 變頻器冷卻系統(tǒng)冗余

由于A(yíng)P1000核電機(jī)組主泵變頻器長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)且主泵效率較大，因此，要求變頻器具備優(yōu)質(zhì)的冷卻性能，以保證變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行。AP1000主泵變頻器采用閉環(huán)去離子（DI）冷卻水系統(tǒng)冷卻。變頻器由CCS冷卻，內(nèi)部冷卻泵采用100%冗余，在一個(gè)冷卻系統(tǒng)故障時(shí)仍能滿(mǎn)載工作。兩個(gè)變頻器低壓饋線(xiàn)斷路器給兩臺(tái)冷卻泵供電。冷卻系統(tǒng)可編程控制器（PLC）采用雙檢測(cè)控制。每個(gè)柜內(nèi)空水冷卻風(fēng)扇均采用2*100%冗余。

2.4 變頻器控制電源、輔助電源冗余

電源供應(yīng)冗余是變頻器安全可靠性工作的保障。無(wú)論是控制電源還是輔助電源，都需要采取冗余設(shè)計(jì)以保證電源的容錯(cuò)能力。VFD具有失電后100ms內(nèi)連續(xù)運(yùn)行的能力，具有輸入側(cè)線(xiàn)電壓降為70%Un的連續(xù)運(yùn)行能力，需為變頻冷卻系統(tǒng)提供兩個(gè)三相低壓輔助交流源，為變頻控制系統(tǒng)提供兩個(gè)交流、單相UPS電源。二個(gè)斷路器控制電源，分別提供給兩個(gè)控制系統(tǒng)100%電源，電源輸出采用二極管（防倒送），任一電源故障時(shí)可通過(guò)控制接口發(fā)信號(hào)至控制室。

3 安全可靠的運(yùn)行特性

3.1 轉(zhuǎn)速控制

變頻器能驅(qū)動(dòng)8000hp，60Hz的屏蔽電機(jī)運(yùn)行在-85%至100%額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。停電1s內(nèi)，在得電后能自動(dòng)重啟并迅速捕捉到電機(jī)轉(zhuǎn)速，并能將電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到停電前的轉(zhuǎn)速水平，變頻器能承受10%額定運(yùn)行轉(zhuǎn)速來(lái)完成驅(qū)動(dòng)設(shè)備的檢查和維護(hù)。

變頻器控制主泵啟動(dòng)過(guò)程中，選擇17.5%同步轉(zhuǎn)速投入四臺(tái)泵的變頻控制器，逐臺(tái)啟動(dòng)至一定轉(zhuǎn)速（315rmp），最后四臺(tái)主泵線(xiàn)性升速。

3.2 變頻器制動(dòng)再生功能

AP1000主泵變頻器的全稱(chēng)為非1E級(jí)反應(yīng)堆冷卻劑泵再生變頻驅(qū)動(dòng)器。變頻系統(tǒng)具有制動(dòng)再生能力，其最小再生能力為正常冷段輸入電機(jī)容量的50%。在電機(jī)加載前，如果電機(jī)以-85%至0%同步轉(zhuǎn)速向后驅(qū)動(dòng)，變頻裝置將對(duì)電機(jī)勵(lì)磁并迫使其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩降到零，該通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩減速并將轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的能量回饋給所連的中壓電氣系統(tǒng)。電機(jī)轉(zhuǎn)子經(jīng)變頻裝置控制后，電機(jī)將加速到所需的運(yùn)行速度，這個(gè)過(guò)程不需要速度傳感器（編碼器）來(lái)監(jiān)控電機(jī)。變頻器的制動(dòng)再生能力避免了主泵由于反轉(zhuǎn)矩而導(dǎo)致電機(jī)過(guò)電流現(xiàn)象，大大提高了主泵運(yùn)行的安全性。

3.3 完美的輸入諧波

為防止高次諧波給電機(jī)帶來(lái)附加發(fā)熱、噪聲、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、電壓閃變等一系列問(wèn)題，在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，要求單個(gè)或同時(shí)運(yùn)行的變頻器，輸出電壓總諧波失真量小于3%，單個(gè)諧波不得大于1.5%，滿(mǎn)載輸出時(shí)單個(gè)電流諧波不得大于2%。為達(dá)到這一目的，AP1000主泵變頻器采用PWM變頻器功率單元串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)高壓輸出。調(diào)制信號(hào)使用正弦波的同時(shí)，用等腰三角形波作為載波，左右對(duì)稱(chēng)。通過(guò)采用功率單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)以及移相PWM技術(shù)，每個(gè)IGBT所承受電壓應(yīng)力小，設(shè)備穩(wěn)定性與使用壽命得到很大提高，同時(shí)電動(dòng)機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，有利于主泵的安全可靠運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

主泵變頻器的引入是AP1000主泵獨(dú)特設(shè)計(jì)背景下的創(chuàng)新，是電廠(chǎng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其安全、可靠和穩(wěn)定的運(yùn)行直接關(guān)系到核電站的經(jīng)濟(jì)效益和安全，應(yīng)在其設(shè)備結(jié)構(gòu)、控制保護(hù)方式及運(yùn)行特性方面提供多重冗余措施和特殊要求，來(lái)保證其安全可靠運(yùn)行。

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