AP1000主泵變頻器安全可靠性分析

張美嬌 李永剛

【摘 要】 AP1000是西屋公司在已開發的非能動先進壓水堆AP600的基礎上開發設計的3代核電堆型。AP1000為單堆布置兩環路機組，電功率1250MWe，設計壽命60年，主要安全系統采用非能動設計，布置在安全殼內，安全殼為雙層結構，外層為預應力混凝土，內層為鋼板結構。作為AP1000機組主泵的動力中心，主泵變頻器能否安全、可靠運行，直接影響到整個AP1000核電廠的安全性和可用率。本文從AP1000主泵變頻器的設備結構、運行特性、控制與保護方式三個方面對其安全可靠性進行了分析。

【關鍵詞】AP1000核電站 主泵變頻器 冗余設計 安全可靠 分析

主泵是按照美國標準設計的，額定電源6.9kV，60Hz，而國內電網工頻為50Hz，因此需增設主泵變頻器。變頻器可將50Hz電源頻率轉變為主泵所需頻率，在正常運行時，提供60Hz電源頻率至主泵，使主泵按設計速度運行。變頻器是主泵唯一的電能來源，它能否安全可靠運行對電廠的安全性和經濟性影響很大，因此應從各方面采取措施來確保它的安全可靠性。

1 AP1000主泵變頻器系統組成

主泵變頻器轉換系統包括以下系統元件，即輸入柜、液體冷卻的輸入隔離變壓器及線路側分布式防雷器、功率單元柜、輸出柜、控制及冷卻柜。10.5kV中壓電源經變壓器進行電壓變換后進入各功率單元完成整流與逆變，為主泵電機提供電源；控制系統負責將信號傳送給整流器、中間電路和逆變器，同時接收來自這些部分的信號，對變頻器各項參數進行實時監控并與全廠控制系統進行通信；冷卻系統負責對進出水溫度、泵的流量、電離子率進行全程監控與控制，保證變頻器的穩定運行。

2 安全可靠的設備結構

2.1 功率單元冗余設計

主泵變頻器的輸出共18個功率單元，每相由6個功率單元串聯形成4500v高壓。變頻器正是通過這些最基本的功率單元實現變壓輸出，每一個功率單元都相當于一臺交流-直流-交流”電壓型單相輸出的低壓變頻器。功率單元旁路系統是一個與變頻器主控室完全獨立的子系統，以保證其最大可用性，旁路過程將在250ms內完成。某兩個故障時仍可維持最大6675 V電壓輸出（N+2冗余）。

2.2 變頻器控制系統冗余

控制系統為變頻器提供控制、檢測、保護等功能，用來協調所有的程序執行和相關操作，對維持供電系統的持續與穩定起著舉足輕重的作用。AP1000變頻器具有雙重控制系統，100%冗余（鍵盤、用戶I/O、通信、電源等）。控制系統冗余消除單一數字系統中的單一故障點：兩套完全一樣的NXGII控制系統包括跟控制系統相關的所有信號源；主控制A、備份控制B，自動互相備份，切換時間250-500ms；與主電路以及旁路通信的光纖也進行冗余，并實現自動切換。當其中一個控制系統出現故障時，變頻系統會發出報警信號并維持運行。

2.3 變頻器冷卻系統冗余

由于AP1000核電機組主泵變頻器長期處于運行狀態且主泵效率較大，因此，要求變頻器具備優質的冷卻性能，以保證變頻器的穩定運行。AP1000主泵變頻器采用閉環去離子（DI）冷卻水系統冷卻。變頻器由CCS冷卻，內部冷卻泵采用100%冗余，在一個冷卻系統故障時仍能滿載工作。兩個變頻器低壓饋線斷路器給兩臺冷卻泵供電。冷卻系統可編程控制器（PLC）采用雙檢測控制。每個柜內空水冷卻風扇均采用2*100%冗余。

2.4 變頻器控制電源、輔助電源冗余

電源供應冗余是變頻器安全可靠性工作的保障。無論是控制電源還是輔助電源，都需要采取冗余設計以保證電源的容錯能力。VFD具有失電后100ms內連續運行的能力，具有輸入側線電壓降為70%Un的連續運行能力，需為變頻冷卻系統提供兩個三相低壓輔助交流源，為變頻控制系統提供兩個交流、單相UPS電源。二個斷路器控制電源，分別提供給兩個控制系統100%電源，電源輸出采用二極管（防倒送），任一電源故障時可通過控制接口發信號至控制室。

3 安全可靠的運行特性

3.1 轉速控制

變頻器能驅動8000hp，60Hz的屏蔽電機運行在-85%至100%額定轉速范圍內。停電1s內，在得電后能自動重啟并迅速捕捉到電機轉速，并能將電機轉速恢復到停電前的轉速水平，變頻器能承受10%額定運行轉速來完成驅動設備的檢查和維護。

變頻器控制主泵啟動過程中，選擇17.5%同步轉速投入四臺泵的變頻控制器，逐臺啟動至一定轉速（315rmp），最后四臺主泵線性升速。

3.2 變頻器制動再生功能

AP1000主泵變頻器的全稱為非1E級反應堆冷卻劑泵再生變頻驅動器。變頻系統具有制動再生能力，其最小再生能力為正常冷段輸入電機容量的50%。在電機加載前，如果電機以-85%至0%同步轉速向后驅動，變頻裝置將對電機勵磁并迫使其轉子轉矩降到零，該通過控制電機的轉矩減速并將轉子產生的能量回饋給所連的中壓電氣系統。電機轉子經變頻裝置控制后，電機將加速到所需的運行速度，這個過程不需要速度傳感器（編碼器）來監控電機。變頻器的制動再生能力避免了主泵由于反轉矩而導致電機過電流現象，大大提高了主泵運行的安全性。

3.3 完美的輸入諧波

為防止高次諧波給電機帶來附加發熱、噪聲、轉矩脈動、電壓閃變等一系列問題，在工作轉速范圍內，要求單個或同時運行的變頻器，輸出電壓總諧波失真量小于3%，單個諧波不得大于1.5%，滿載輸出時單個電流諧波不得大于2%。為達到這一目的，AP1000主泵變頻器采用PWM變頻器功率單元串聯方式實現高壓輸出。調制信號使用正弦波的同時，用等腰三角形波作為載波，左右對稱。通過采用功率單元串聯多電平結構以及移相PWM技術，每個IGBT所承受電壓應力小，設備穩定性與使用壽命得到很大提高，同時電動機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，有利于主泵的安全可靠運行。

4 結語

主泵變頻器的引入是AP1000主泵獨特設計背景下的創新，是電廠的關鍵設備之一，其安全、可靠和穩定的運行直接關系到核電站的經濟效益和安全，應在其設備結構、控制保護方式及運行特性方面提供多重冗余措施和特殊要求，來保證其安全可靠運行。

參考文獻：

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