中壓變頻器在AP1000核電廠中的應用

摘要：AP1000是美國西屋公司設計的第三代核電，三門核電AP1000電氣系統(tǒng)內配置了西門子第三代水冷式變頻器來滿足反應堆冷卻劑泵的運行要求。文章將通過對電氣系統(tǒng)的配置及變頻器的特點來介紹變頻器的可靠性，以保障核電廠的運行安全。

關鍵詞：中壓變頻器；AP1000；核電廠；電氣系統(tǒng)；水冷式變頻器 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM623 文章編號：1009-2374（2016）12-0043-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.12.020

1 概述

AP1000采用全密閉式的反應堆冷卻劑屏蔽電動泵（以下簡稱主泵），其功能是輸送反應堆冷卻劑，完成在堆芯、冷卻劑環(huán)路和蒸汽發(fā)生器之間的循環(huán)。主泵是一臺立式、單級離心泵，葉輪直接連接在電機轉軸上，電機的定子和轉子均密閉在耐腐蝕的屏蔽套中，并承受一回路系統(tǒng)壓力。定子和轉子之間的一回路冷卻劑提供定子、轉子及軸承的冷卻并潤滑軸承。AP1000共配置了四臺主泵，分別掛在常規(guī)島四段10.5kV中壓母線上，每臺主泵的額定電壓為6.9kV，頻率為60Hz。每臺主泵配置一臺變頻器，轉換廠用電為主泵所需電壓和頻率，同時降低主泵啟動時的啟動電流并在主泵反轉的情況下通過能量回饋實現(xiàn)泵的正轉及平滑調速。

AP1000標準電站中壓母線電壓/頻率為6.9kV/60Hz，變頻器僅用于控制主泵的軟啟動。而中國項目母線電壓和頻率都不同于標準設計，所以主泵變頻器不但用于主泵的啟動，還要長時運行給主泵供電，此種運行方式對變頻器的可靠性提出了較高要求。

兩種配置如圖1所示：

2 變頻器簡介

三門核電選用的變頻器為西門子WCIII-HA型水冷式變頻器。變頻器主要參數(shù)見表1：

變頻器由進線柜、變壓器柜、控制柜、功率單元柜、出線柜及冷卻柜構成。

2.1 變壓器柜

變壓器為水冷式移相變壓器，共有19個副邊繞組，每相采用6個功率單元串聯(lián)。移相變壓器采用順延和逆延相結合的方式，即變壓器二次繞組線電壓的相位領先或滯后一次繞組線電壓10度，經(jīng)過傅里葉變換分析后可知變壓器的此種繞線方式可以抑制35次及以下諧波。

變壓器原邊、副邊繞組及鐵芯通過冷卻水管進行冷卻，同時變壓器柜內配置了4組冷卻風扇以排出變壓器散發(fā)的熱量。變壓器原邊及副邊繞組上的冷卻回路各配置了一個RTD和一個溫度開關以檢測原副邊繞組的溫度并發(fā)往變頻器的控制系統(tǒng)。

2.2 功率單元柜

變頻器的功率單元整流側由6個IGBT組成，儲能回路采用電解電容，逆變側由4個IGBT組成。此種配置可以實現(xiàn)在主泵反轉的情況下向電網(wǎng)的能量回饋。每相6個功率單元的設計可以使輸出波形達到正弦波。

2.3 控制柜

變頻器的控制系統(tǒng)由如下部件構成：NXGII A/B、信號處理板、光纖切換板、光纖切換組件、控制電源、PLC及輸入輸出元件等。NXGII A/B為變頻器的控制核心，包括CPU、系統(tǒng)接口板、調制板等，系統(tǒng)接口板負責處理信號處理板發(fā)出的輸入輸出側電流和電壓信號由模擬信號轉化為數(shù)字信號，數(shù)字信號用于變頻器的矢量控制系統(tǒng)，矢量控制由CPU內的電機模型及算法實現(xiàn)。

CPU負責處理電壓電流的輸入輸出信息，并把單元的開關信號送往調制板，同時實現(xiàn)變頻器的計量和保護功能。調制板生成單元的調制信號，同時檢測單元是否在旁路狀態(tài)及發(fā)送單元的旁路信號到旁路板，旁路板實現(xiàn)單元的旁路。信號處理板負責采集并掃描中壓系統(tǒng)輸入的電壓電流信號和電機輸出端的電壓電流信號并送往系統(tǒng)接口板。光纖切換組件傳輸NXGII發(fā)出的功率單元開關信號至功率單元及功率單元至NXGII的反饋信號，并在一個NXGII失效時傳輸光纖切換板的切換信號。

2.4 冷卻柜

冷卻柜包括兩套冷卻系統(tǒng)：第一套冷卻系統(tǒng)由冷卻水箱、水泵及相應的管道閥門組件組成，正常情況下冷卻水通過兩臺泵經(jīng)由變壓器、功率單元、三通閥、溫度調節(jié)閥進行循環(huán)，當溫度調節(jié)閥檢測到變壓器或功率單元的出口水溫較高時，溫度調節(jié)閥打開，使冷卻水通過熱交換器進行冷卻；第二套冷卻系統(tǒng)為熱交換器系統(tǒng)，冷卻介質為電廠設備冷卻水。當檢測到溫度調節(jié)閥故障時，即溫度調節(jié)閥的出口溫度大于入口溫度時，三通閥打開，冷卻水直接流入熱交換器。冷卻系統(tǒng)配置了一個PLC來控制電機啟停及傳輸冷卻系統(tǒng)的信號，冷卻系統(tǒng)的控制邏輯為冷卻系統(tǒng)的單一故障不會導致變頻器的停機，當且僅當冷卻系統(tǒng)某一故障且主系統(tǒng)檢測到溫度報警時，由控制核心觸發(fā)變頻器停機。

3 變頻器啟停控制

為了防止中壓的突然加壓對變頻器單元中的電容器造成損壞，變頻器采用預充電技術，即通過變壓器二次側第19個副邊繞組給變壓器反向送電來逐漸給電容器充電，充電完成后再合上常規(guī)島中壓饋線斷路器。

主泵額定轉速1800rpm，變頻器的調速區(qū)間為0%、23.6%、50%、87.8%、100%。在主泵啟動時，一回路冷卻劑回路的水流可能會造成主泵反轉，變頻器啟動后需要盡快將主泵置于正轉且速度必須高于300rpm以維持主泵的屏蔽泵軸承水膜厚度。考慮到主泵啟停、運行過程中可能出現(xiàn)的暫態(tài)過程，西屋公司將此速度調整到23.6%，為盡快脫離此危險速度范圍，變頻器的調速速度為：（1）-1800～-300rpm，調速速度為0.5Hz/s；（2）-300～425rpm，

調速速度為7Hz/s；（3）425～1800rpm，調速速度為0.5Hz/s。

在主泵反轉向正轉調整過程中，變頻器能量回饋至電網(wǎng)。當主泵速度達到425rpm后，電廠控制系統(tǒng)啟動集中控制，將四臺變頻器同時升速至1800rpm。而主泵正常或緊急停運時，則允許主泵惰轉，不由變頻器回饋能量。

4 變頻器可靠性分析

變頻器的可靠性體現(xiàn)硬件配置和故障情況時變頻器的響應，變頻器的硬件配置采用冗余配置，且在故障時采用中性點漂移技術以保障電機的電壓。

4.1 硬件配置的冗余性

硬件配置的冗余性包括：（1）兩套互為備用的控制系統(tǒng)，如控制核心NXGII A/B及相應的I/O卡件、PLC等；（2）冗余的輸入、輸出信號采集系統(tǒng)，輸入側配置了兩套電壓變送器和電流互感器以檢測輸入側的電壓和電流信號，輸出側配置了兩套電壓變送器和霍爾元件來檢測輸出側的電壓和電流；（3）溫度測量回路的冗余：變壓器原邊和副邊繞組上各配備了一個RTD和一個溫度開關、控制柜的卡件上配置了兩套RTD來檢測系統(tǒng)溫度；（4）冷卻系統(tǒng)的冗余：冷卻回路包含兩臺互為備用的泵及熱交換系統(tǒng)。

4.2 中性點漂移技術

變頻器的控制系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測功率單元的運行情況，當檢測到功率單元故障時，首先快速關閉變頻器，以防止造成進一步損壞，此時電機工作于發(fā)電機狀態(tài)并在變頻器輸出端子上產生電壓。該電壓隨時間而衰減，且可以在變頻器額定輸出電壓附近維持幾秒鐘。如果某個單元被旁路，余下的單元可能無法承受該電壓而造成損害。為了防止該損害，變頻器在單元被旁路和重新啟動之前檢查是否能承受電機輸出電壓。該檢查如果能在第一時間內通過，則將單元旁路，變頻器可以在故障發(fā)生后0.5秒時間內恢復轉矩。如果電機電壓過高，需要增加延時時間使電壓被衰減。旁路掉故障單元后，變頻器的電壓容量下降。由于電機電壓大致和速度成正比，所以變頻器能滿足應用要求的最大速度也將下降，因此在一個或多個單元發(fā)生故障后使電機有效電壓最大是十分重要的。下圖2為正常情況下功率單元的輸出，如果兩個單元故障，且沒有旁路功能的情況下，其他兩相的功率單元也必須停運兩個以保證輸出電壓的平衡，即變頻器只能輸出60%的電壓。而中性點漂移技術可以使變頻器在兩個單元被旁路的情況下使電機等效為每相有四臺功率單元處于運行，即變頻器的輸出電壓為80%。6個單元均可用時輸出電壓8010V，一個單元旁路時輸出電壓7342V，兩個單元旁路時輸出電壓6675V，即實現(xiàn)了N+2冗余。

5 結語

2009年，西屋公司對主泵變頻器的可用性按照故障樹方式進行分析，在18個月的換料周期內可用率達到95.6%，對應于33.5年才發(fā)生一次跳閘，變頻器配置的冗余性保障了主泵及核電廠的安全運行。

參考文獻

[1] 顧軍.AP1000核電廠系統(tǒng)與設備[M].北京：原子能出版社，2010.

作者簡介：許翀（1984-），男，中核集團三門核電有限公司工程師，研究方向：核電廠調試。

（責任編輯：蔣建華）