核電站控制棒驅動機構電源機組勵磁方式的選擇

孟子榮

(東北電力大學,吉林 吉林 132012)

核電站控制棒驅動機構電源機組勵磁方式的選擇

孟子榮

(東北電力大學,吉林 吉林 132012)

由于國民經濟持續快速增長，電力包括煤炭、石油等能源已經開始出現十幾年前中國經濟起飛時期的瓶頸制約征兆。核電作為安全、高效、清潔的能源，必將大力發展以緩解這些問題。針對目前核電站的控制棒驅動機構電源: 電動機-發電機組(M-G機組)，分析其應用于該系統的各類勵磁方式優缺點，并提出一種可用于控制棒驅動機構電源的新型勵磁方式。

核電站;控制棒驅動機構；電源系統;勵磁系統

1 控制棒驅動機構電源介紹

控制棒驅動機構電源機組，既為控制棒驅動機構提供可靠電能的設備[1]。控制棒驅動機構是核電站內驅動控制棒的裝置，為保證核電站能夠安全停堆，在設計上該裝置一旦失去電力供應，控制棒就會全部掉落，導致反應堆停堆。目前在役核電站采用的控制棒驅動機構電源均為電動機-發電機組(M-G set)，如圖1所示。每個核電廠有兩套電動機發電機組。在正常工作條件下，兩套電動機發電機組并聯運行，并均分總負荷。兩套電動機發電機組驅動電機的滑差頻率需盡可能一致，以防止負載分配時兩臺發電機之間的振蕩。當一套電動機發電機組不能正常工作或并網失敗時，另一套設備應具備能夠承擔全部負載的能力。這樣即使在一套電動發電機裝置在役檢修或失效時，也能保證對控制棒驅動機構連續供電。

2 勵磁方式比較

發電機組是否穩定運行很大程度上取決于它的勵磁系統。勵磁系統的可靠性對系統和發電機組的安全運行有著極大的影響。發電機的勵磁系統按照電流引入磁場繞組方式可分為有刷勵磁系統和無刷勵磁系統，它們各有優缺點，下面將做簡要分析[2]。

有刷勵磁系統是一種被廣泛應用于各領域的勵磁系統。它按照勵磁電流取得方式可分為直流勵磁機系統和可控硅靜止勵磁系統兩種。直流勵磁機勵磁系統是由與發電機同軸的直流發電機產生直流電，經過電刷和滑環直接加在發電機轉子線圈從而為定子線圈提供磁場。可控硅靜止勵磁系統是通過發電機機端的勵磁變壓器進行橋式整流，得到所需要的直流電，再經過電刷和滑環加在發電機轉子線圈上，產生磁場切割定子線圈。有刷勵磁方式的優點在于：(1)發電機與勵磁系統界限明顯，相對獨立；(2)勵磁電流、勵磁電壓容易獲取；(3)勵磁機狀態監測方便、數值準確。由于電刷的存在，其缺點也較明顯：(1)增加了接觸電阻，隨著勵磁電流的增大，電刷和滑環常常因接觸不良導致發熱，甚至會燒壞刷架和滑環，存在安全風險；(2)電刷在磨損時產生的碳粉給對周邊環境產生不良影響，會降低周邊設備絕緣，給安全運行帶來隱患；(3)維護不方便，需定時清理碳粉檢查更換。

圖1

無刷勵磁方式是近些年來新興的一種新型勵磁方式，它的主要部件為交流勵磁機和旋轉整流器。隨著旋轉整流裝置可靠的不斷提升，無刷勵磁發電機的的應用也更加廣泛。其原理為交流勵磁機的輸出由安裝在機組旋轉部分的硅整流器整流后，直接送到同步發電機的轉子勵磁繞組中去。因為發電機轉子勵磁繞組、整流器和交流勵磁機電樞都在同一軸上旋轉，彼此處于絕對靜止狀態，這樣就取消了電刷、換向器和滑環等傳統勵磁機部件。交流勵磁機實質上是旋轉電樞式的交流發電機。這種勵磁方式具有如下優點：(1)結構緊湊，占地面積小；(2)不存在磨損的碳粉，發電機兩端會非常潔凈，而且無需更換電刷，維護方便；(3)不存在接觸不良以及因此而發熱的問題，更不會產生電火花而燒壞設備；(4)通訊干擾小。實踐表明，當硅整流器質量良好時，運行是相當可靠的。無刷勵磁也有不少缺點：(1)勵磁發電機輸出的直流電直接接在轉子的繞組上，無法直接測量轉子的實際電流；(2)由于無刷勵磁中同步發電機轉子勵磁電流的變化是由交流勵磁機的磁場電流來調節的，相應速度慢；(3)對旋轉整流器可靠性要求高。

3 輔助繞組無刷勵磁系統

現代的大型核電站，因核島內空間有限，一般設計上無法單獨為控制棒驅動機構電源機組設置房間。大部分核電站將其與其他負荷中心母線柜布置在同一個房間，這樣就控制棒驅動機構電源不能對環境造成污染，不產生電磁干擾，且不應有發生火災的風險。這樣，傳統的有刷勵磁不可應用于現代核電廠控制棒勵磁系統，需要從無刷勵磁中選擇最優勵磁方式。控制棒驅動機構是通過電磁的原理來操作控制棒的運動。控制棒的驅動機構所帶的負荷有三類：提升線圈，加持線圈，傳遞線圈。只有通過一定邏輯順序才能保證控制棒合理運動。這種負荷并非穩定負荷，沖擊性較大，故電源系統一定要足夠穩定才能保證在負荷波動時保證穩定供電。根據技術規格書中要求的要在一臺退出運行時另一臺擔負全部負荷且電壓波動不可超過10%。因此需要采用勵磁裝置能否快速響應成為選擇的一個重要指標。鑒于普通的無刷勵磁裝置響應速度較慢，如遇到極端情況時恐怕難以保證電壓滿足要求，從而導致電站發生不必要的停機事故，造成巨大經濟損失。為避免這種情況發生，勵磁電流獲得形式上可以采用三次諧波輔助繞組(三次諧波與基波繞組串聯)的方式獲取勵磁電流[3]。如圖2所示。

其中H1為基波繞組，為保障正常運行和過載運行時的勵磁提供能量供應；

圖2

H3為三次諧波繞組，當短路發生時，基波繞組被切斷，而三次諧波繞組仍能感應出三次諧波電壓，為強勵提供足夠能量。當負荷突然變動時也會感應出三次電勢加快了相應速度。

這種勵磁方式不僅加快了響應速度，更能夠提供足夠的強勵能量。其結構形式如圖3所示。

圖3

輔助繞組為AVR(電壓調節器)提供交流電源，AVR為勵磁繞組提供直流電源，形成勵磁機磁場，勵磁機轉子繞組旋轉切割磁場感應出交流電，再通過旋轉整流器轉換成直流電供給主勵磁繞組。這種輔助繞組勵磁系統具有很好的強勵能力，能夠提供足夠的短路電流持續能力。

[1] 俞高偉，周蘊花.核電站控制棒驅動機構電源系統[J].發電設備，2012,26(4).

[2] 王明煒.ABB低壓同步發電機勵磁系統的實現[J].移動電源與車輛，2010.1.

[3] 姜世英.發電機的不同勵磁方式及比較分析[J].移動電源與車輛，1999.1.

收稿日期：2014-10-30

Selection of Exciting System of M-G Set in a Nuclear Power Plant

MENGZi-rong

(Northeast Power University,Jilin 132012,China)

As the economic growing so fast,energy resource such as electric,coal and fossil oil begin to appear to cause a bottleneck.As a kind of safety,efficiency and clean energy,nuclear power will be inevitably developed to relieve these problems.This thesis discussed about The Selection of Exciting system of M-G set in Nuclear Power Plant,analysis the merits and demerits of the exciting system for the M-G set.

nuclear power plant;control rod drive mechanism；power system；excitation-system

2014-08-20

李俊堂(1983-)，男，漢，碩士，工程師，湖南婁底人，主要從事電力通信自動化安裝、調試、維護工作； 周定宇(1982-)，男，漢，碩士，工程師，湖南長沙人，主要從事電力信息安裝、調試、維護工作； 趙林坤(1983-)，男，漢，碩士，工程師，湖南衡陽人，主要從事電力生產技術管理工作。

1004-289X(2015)05-0096-03

TM76

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