核電廠棒電源系統的設計與優化

劉文靜，韓　勇，游　洲，李　朋

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術國家重點實驗室，四川　成都　610041）

核電廠棒電源系統的設計與優化

劉文靜，韓勇，游洲，李朋

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術國家重點實驗室，四川成都610041）

棒電源系統是核電廠專用電氣系統，由于受供電方式和負載特性的影響，在系統和設備設計時，必須采取相應的措施來滿足供電和控制要求。在方家山核電廠棒電源系統的設計中，設計者通過合理的系統結構設計以及控制和保護回路的優化設計，進一步完善了棒電源系統功能，提高了核電廠運行的可靠性。

棒電源系統；高感性負載；故障保護；空載并車

棒電源系統（RAM）是核電廠的重要系統之一，其任務是確保對控制棒驅動機構（CRDM）的線圈供電，即使在廠用電源的任何暫態擾動情況下，也要確保供電的連續性。棒電源系統不具備安全功能，但是系統的任何故障都可能導致反應堆緊急停堆，直接影響核電廠的穩定、經濟運行。棒電源系統的供電對象為具有特殊控制要求的高感抗性負載，因此系統功率因數較低，且供電回路中含有大量的直流分量和高次諧波，在系統和設備設計時，必須采取相應的措施來消除對系統運行的不利影響。此外，棒電源系統自參考核電廠改用數字化控制后，其控制和保護功能不太完善，直接影響核電廠的穩定運行。在方家山核電站的設計中，設計者針對存在的問題，對控制和保護邏輯進行了優化設計，進一步完善了系統功能，提高了供電的可靠性。

1　系統結構設計

1.1基本要求

1）為了提高供電的可靠性，主要設備采用冗余設置，每臺設備的容量按100%考慮。兩臺電動機分別由不同的380 V母線供電，并分別由三相異步電動機側的熔斷器-接觸器和三相同步發電機側的斷路器進行保護。

2）棒電源系統采用中性點絕緣的三相四線制配電系統，當系統發生單相接地時，可繼續運行一定時間而不需要立即停機，這樣可提高系統的可利用率。

3）為適應控制棒驅動機構的供電要求，棒電源系統采用特殊的電壓等級，即額定電壓為260 V/150 V，頻率為50 Hz。

1.2系統組成

棒電源系統主要由兩套帶飛輪的電動發電機組及相應的控制和保護設備組成，如圖1所示。

在正常運行期間，兩套電動發電機組（MG）并列運行，共同向控制棒驅動機構的線圈供電。在一套MG機組失去380 V交流電源或者因一套機組檢修停運的情況下，由另一套機組單獨給CRDM提供需要的功率。在電網瞬時波動的情況下，由飛輪確保MG機組給CRDM供電。

圖1　棒電源系統圖Fig.1　RAM system

2　電動發電機組設計

2.1需求功率

兩套電動發電機組通常采用并列方式運行，每套電動發電機組在設計上要保證同時提升或插入最多的子組棒束，而其他棒束處于保持狀態所需要的最大瞬時功率。電動發電機組的需求功率要符合要求。

2.2設計參數

根據負載功率要求，每套電動發電機組的設計參數要符合要求。

2.3設備特點

由于棒電源系統的負載具有高感抗特性，因此電動發電機組在設計上采取了相應的措施來滿足其供電要求。這些特殊的設計主要表現如下：

1）為了利用同步發電機的瞬變電抗值來抑制輸出電壓變化率dV/dt，發電機設計了較小的直軸瞬變電抗Xd′（＜18%）和次瞬變電抗Xd″（＜10%）。

2）由于發電機輸出的260 V電源通過三相半波可控硅橋給CRDM供電，因此回路中含有大量的直流分量和高次諧波。這些直流分量和高次諧波，將在發電機定子繞組中產生恒定磁場及空間脈動磁場，使發電機磁路過飽和并增加定子和轉子的損耗。為消除這一不利影響，發電機定子繞組采用曲折星形連接方式。

3）兩臺發電機并車后，其勵磁回路并聯，以便在機組瞬態變化時恰當地分配無功功率。

4）在外電網失電的情況下，為了確保在1.2 s內繼續給控制棒驅動機構的線圈供電，每臺電動發電機組設置了一個飛輪。

5）在提棒或插棒期間，電動發電機組的負載功率將發生突變，為了避免發電機輸出電壓超過規定的變化范圍，要求發電機具有較高動態響應，為此每臺發電機配置了相應的電壓調節器。

3　控制和保護設計

3.1一般要求

為了確保在一套電動發電機組故障或失去380 V交流電源時，另一套機組能夠繼續給CRDM的線圈供電，每套機組分別設置一個控制柜和斷路器屏，并為其共用母線設置單獨的控制柜。

棒電源系統采用數字控制，每個控制柜內分別設置單獨的PLC及相應的控制開關和觸摸屏，具有手動和自動控制以及聯鎖、保護、狀態和電氣參數顯示、故障報警、復位、燈光試驗等功能。

3.2控制設計

棒電源系統的運行操作均在就地控制柜上完成，其控制邏輯包括機組的啟動、停機及帶載運行。

（1）啟動和停機

圖2　電動發電機組啟動邏輯Fig.2　Startup logic of the electric generator

只要無機組故障信號，就可以通過操作相應的開關手動啟動。在正常情況下，電動發電機組通過操作相應的開關手動停機；當系統發生故障時，由保護信號驅動相應開關自動停機。

由于棒電源系統的停運將導致反應堆意外停堆，造成巨大的經濟損失。因此，棒電源機組的啟/停控制采取了防誤操作設計，即每套機組設置了一個啟動/停止開關（硬手操）和相應的確認按鈕（軟手操）。當機組啟動時，只有將啟動/停止開關從OFF旋轉到ON，觸摸屏上才出現“啟動”確認按鈕，輕觸“啟動”按鈕后，MG機組啟動。當停機時，只有將啟動/停止開關從ON旋轉到OFF，觸摸屏上才出現“停機”確認按鈕，輕觸“停機”按鈕后，MG機組才停機，僅操作啟動/停止開關不會造成機組停機。

（2）帶載運行

1） 第一套電動發電機組

必須滿足下列所有條件后才能通過通/斷開關和觸摸屏上的確認按鈕閉合斷路器，使第一套電動發電機組帶載運行。

2） 第二套電動發電機組

除滿足圖2的條件外，斷路器還受同步裝置的控制。只有當同步裝置檢測到兩套機組的電壓、相位、頻率滿足并車條件時，才自動閉合第二套電動發電機組的斷路器，使兩套機組并聯運行。

在正常情況下，通過操作通/斷開關和觸摸屏上的確認按鈕使斷路器跳閘，當系統發生故障時，由保護信號驅動斷路器跳閘。

3.3設計優化

（1）故障保護

棒電源系統設置了各種保護，包括差動保護、逆功率保護、過電流保護、勵磁保護及低頻保護等，以確保其可靠運行。保護裝置的動作信號經PLC邏輯處理后，驅動相應的開關跳閘和報警，以切除相應的故障。這樣設計雖然大大簡化了控制線路，提高了系統的自動化水平，但也存在一定的風險，即如果PLC自身故障或失電，同時RAM系統發生故障，其保護信號不能在PLC中進行邏輯處理，所有保護功能失效，將對棒電源設備的安全造成影響。盡管棒電源系統采用的SIMATIC S7-300 PLC具有較高的可靠性，但也存在失效風險。因此項目針對參考核電廠存在的問題進行了優化設計，在控制回路中增加了PLC/24 VDC故障動作和報警。

圖3　加速過程中空載并車邏輯Fig.3　No-load paralleling logic during acceleration

（2）空載并車

正常運行時，兩套棒電源機組在帶載過程中實現并車，在檢修期間則需要進行空載并車，以檢驗兩套棒電源機組并車功能是否正常。

由于棒電源機組的原動機為三相交流異步電動機，且未設置調速裝置，因此在空載情況下，不能通過調速調節兩套機組的相位。在以往核電廠中，通常待并機組在加速過程中實現空載并車（見圖3），其成功率非常低。在項目中，為了能夠提高空載并車成功率，增加了待并機組在減速過程中實現空載并車的邏輯，如圖4所示。當兩臺機組在20 s的加速過程中并車失敗后，斷開待并機組的電動機接觸器，使待并發電機減速，此時同步裝置繼續工作。一旦兩臺機組的電壓、相位、頻率滿足并車條件，同步裝置將發出合閘命令，使待并發電機的斷路器合閘，同時電動機接觸器重新閉合，兩套機組實現并聯運行，該改進極大地調高了空載并車的成功率。

4　結束語

在大亞灣、嶺澳一期及秦山二期核電站中，棒電源系統采用電動發電機組供電方式和模擬控制技術，其設備性能和可靠性在長期運行中已得到驗證。但是在參考核電廠開始采用數字化技術對棒電源系統進行控制的過程中，由于各種原因導致控制和保護功能不太完善，直接影響系統的可靠性和可運行性。在方家山核電項目中，通過對控制和保護系統的優化設計，進一步完善了棒電源系統功能，提高了運行的可靠性。從目前運行情況來看，各項性能指標完全達到了設計要求。

圖4　改進后的空載并車邏輯Fig.4　Improved no-load paralleling logic

［1］ 辜承林，等. 電機學［M］. 武漢：華中科技大學出版社， 2005.（GU Cheng-lin， et. al. Electromechanics［M］. Wuhan： Huazhong University of Science & Technology Press Co.，Ltd.， 2005.）

［2］ 吳啟紅. 可編程序控制系統設計技術［M］. 北京：機械工業出版社，2012.（WU Qi-hong. Programmable Control System Design Technique［M］. Beijing：Mechanical Industry Press， 2012.）

［3］ 中國航空工業規劃設計研究院. 工業與民用配電設計手冊［M］. 北京：中國電力出版社，2005.（China Aviation Industry Planning and Design Institute. Industrial and Civilian Power Distribution Design Handbook［M］. Beijing： China Electric Power Press， 2005.）

［4］ NB/T 20051-2011，核電廠廠用電系統設計準則［S］.（NB/T20051-2011， Design Criteria for Service Power System of Nuclear Power Plant［S］.）

The Design and Optimization of the CRDM Power Supply System in Nuclear Power Plant

LIU Wen-jing，HAN Yong，YOU Zhou，LI Peng
（National Key Laboratory for Reactor System Design Techniques，Nuclear Power Institute of China，Chengdu of Sichuan Prov. 610041，China）

The CRDM power supply system （RAM） is a special electric system of nuclear power plant. As it is affected by the power supply mode and load performance， appropriate measures should be taken in the system and equipment design to meet the power supply requirement. After applying the digital control system， the control and protection mode should change. To meet the above requirements， in the design of Fangjiashan NPP， multi-measures are taken to improve the structure of the power supply system， main characters and connection of motor generator set， control and protection circuits， especially for the control and protection system. According to the commissioning results， the system performance meets the requirements.

RAM system；high inductive load；fault protection；no-load paralleling

TL32Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）02-0105-05

TL32

A

1674-1617（2015）02-0105-05

2015-03-05

劉文靜（1984—），女，湖北丹江口人，工程師，學士，從事反應堆電氣系統設計研究工作。