漳州“華龍一號”動、靜態棒電源系統研究與分析

葉甲寅，池闖正，吳升國，熊之光，張水龍

(中核國電漳州能源有限公司，福建 漳州 363300)

“華龍一號”是我國具有完全自主知識產權的三代壓水堆示范項目，作為民族核電“走出去”戰略的主打品牌，采用177個燃料組件的反應堆堆芯、能動和非能動相結合的設計理念、多重冗余的安全系統、單堆布置、雙層安全殼等設計方案，全面貫徹“縱深防御”的設計原則，達到了國際三代核電技術的先進水平。“華龍一號”項目建設的順利推進對提高我國核電自主創新能力，掌握具有自主知識產權核電技術，實現從“核大國”到“核強國”跨越均具有重大戰略意義。

漳州核電廠是采用“華龍一號”融合技術的首堆項目，在177個燃料組件中布置了69束控制棒組件來實現反應堆的反應性控制(華龍首堆和M310機組布置61束)，其動力電源引自控制棒驅動機構(CRDM)1至18電源柜，棒電源系統作為控制棒驅動機構的上游電源，其穩定供電直接影響機組的運行。

1 系統功能介紹

在反應堆堆芯中的69束控制棒組件，按功能分為停堆棒組和控制棒組(控制棒組又分為溫度控制棒組和功率控制棒組)。棒控系統用于提升、保持和插入控制棒棒束，控制反應堆堆芯的反應性，進而實現堆芯溫度和核功率的控制。棒電源系統的主要功能是給棒控系統的控制棒驅動機構提供動力電源。在運行發電期間，需保證能連續不間斷、穩定可靠地給控制棒驅動機構的線圈提供電源。如圖1所示。

圖1 CRDM電源開關柜線路圖Fig.1 The circuit diagram of the power swithgear CRDM

2 動態棒電源系統

為確保控制棒驅動機構的線圈電源持續穩定，棒電源系統的每套發電機組設計增加了一個飛輪。當廠用電源失去或受擾動的持續時間未超過1.2 s時，飛輪將以足夠的慣性來維持發電機轉子的轉速，確保發電機的電能質量不受影響，我們將其稱之為動態棒電源系統，目前的“華龍一號”均采用該類型系統。

2.1 系統配置

每臺機組的動態棒電源系統由兩套電動飛輪發電機組(MG：電動機、飛輪、發電機、勵磁裝置、出口電壓調節器、保護裝置)、斷路器屏和配套的控制屏組成。兩套相同的MG同時并列運行100%冗余配置，分別由ERA/ERB不同380 V母線供電，ERA上級電源引自高廠變A1分支的10 kV ESA母線，ERB上級電源引自高廠變A2分支的10 kV ESD母線。

在正常運行期間，兩臺電動飛輪發電機共同給控制棒驅動機構的線圈提供電源，當其中一路380 V電源失電或者一套電動飛輪發電機發生故障或檢修維護時，由另外一套電動飛輪發電機以足夠的容量繼續給CRDM提供需要的功率。如圖2所示。

圖2 電動飛輪發電機組示意圖Fig.2 The schematic of the electric flywheel generator

2.2 系統特性

MG電動機的特性：異步電動機，臥式安裝，鼠籠轉子，單方向旋轉，繞組為星形連接，防護等級IP55，防塵防水噴濺，自冷模式，絕緣等級“F”。額定功率為135 kW，同步轉速1 500 r/min，三相額定電壓380 V，失步電壓低于0.7Un。

MG飛輪特性：裝在電動機和發電機之間，通過半個聯軸節用鍵固定在發電機的軸伸端，當電動機失去電源時間小于1.2 s時，能維持發電機轉子轉速，保證發電機輸出電壓的下降不超過10%Un，輸出頻率的下降不大于12%Fn(U≥342 V，F≥44 Hz)。鑒于飛輪的重要性，其生產過程要求使用限制裂紋和改善裂韌度的工藝加工，防止應力集中(模壓、鉆孔等)，每個飛輪需要通過應力計算、平衡、超聲波進行100%的檢查，并按NB/T 20003標準進行檢驗測試。

MG發電機特性：棒電源系統的負載都是線圈，具有高感特性，發電機也采用相對應的特性設備以滿足電源需求，采用帶中性線的三相同步發電機，定子繞組采用曲折星形連接，可消除回路中大量的直流分量和高次諧波，降低定子和轉子的損耗；輸出線電壓260 V±5%，直軸超瞬變電抗Xd”<0.1，可抑制輸出電壓變化率，再配置電壓調節器，調節時間0.2～1.2 s，達到維持發電機出口電壓穩定；兩端軸承為滾動軸承，和端蓋齊平，腔室設置鉑電阻溫度計和振動傳感器進行溫度和振動監測；定子繞組配置溫度計；在勵磁回路中裝設分流器用于控制柜勵磁電流監測和失磁保護。

3 靜態棒電源系統

靜態棒電源系統是相對于電動飛輪發電機組的動態發電系統而提出的，以整流裝置替代發電機，超級電容替代飛輪來確保控制棒驅動機構的線圈電源持續穩定，由兩套整流裝置、兩套儲能柜、兩套控制柜組成。如圖3所示。

圖3 靜態棒電源系統示意圖Fig.3 The schematic of the static bar power system

3.1 整流裝置

靜態棒電源系統由兩路廠用380 V交流電源段供電，兩套整流器將廠用電380 V交流電源整流成220 V直流電源，直接給控制棒驅動機構的線圈供電。正常運行期間，兩套相同的整流裝置同時并列運行，每套整流裝置負擔50%的負荷。當其中一路交流電源失電或者一套整流裝置故障、檢修維護時，由另外一套整流裝置以足夠的容量繼續負擔控制棒驅動機構線圈100%的負荷。高頻模塊式整流設備運行效率高，噪音小，靈活采用“N+X”的并聯結構設計提高系統運行可靠性，同時熱插拔模塊式設計大幅降低了系統維護時間。

3.2 儲能柜

儲能柜采用超級電容，具有大功率輸出和能接受大電流充放電等優點，可以在較小的占地面積下提供短時間的高功率，充放電壽命高達百萬次的優勢，可以在保證儲能柜壽命的情況下緩沖控制棒運動引起的電流大幅度變化，使整流柜輸出平穩，減小整流柜的容量需求。超級電容相對于常規鉛酸蓄電池而言，有著本質的區別。超級電容的儲能過程是物理過程，電池儲能是化學反應的過程，超級電容的功率特性要好于電池，可以大電流快速充放電，電池的能量密度要比超級電容高，同等體積下電池儲存的能量要多。

根據運行工況需要，儲能柜是代替飛輪的功能需求，當外部輸入電源中斷或異常的時間未超過1.2秒時，需要繼續保證控制棒驅動機構的線圈電源持續穩定，超級電容具備大電流快速充放電的功能，比鉛酸蓄電池更適用于棒控電源系統。

4 差異性分析

動、靜態棒電源系統的功能目的都是確保控制棒驅動機構的線圈電源持續穩定，實現功能的方式和日常維護卻有所不同，將從原理、結構、維護、安全、成本五個方面進行差異性分析。

4.1 原理對比

動態或靜態棒電源系統都能給控制棒驅動機構的線圈提供穩定可靠的電源，但是兩者實現的原理和方式完全不一樣，設備參數和配置的保護也不一樣。

動態棒電源系統采用電能轉化成機械能，機械能再轉化成電能，經過飛輪和發電機的作用，瞬時輸出最大功率可達127 kW，使發電機出口電壓穩定在260 V，通過停堆斷路器組合和三相棒控電源分配柜送出，再經過整流后作為控制棒驅動機構的線圈電源。在最多控制棒運行工況下，能抵御外部輸入電源中斷或波動的時間超過1.2 s。

靜態棒電源系統采用380 V交流電整流成220 V直流電，再加上儲能柜的超級電容，瞬時輸出最大電流可達到1 200 A，通過控制柜的斷路器直接作為控制棒驅動機構的線圈電源。在最多控制棒運行工況下，能抵御外部輸入電源中斷或波動的時間超過3 s。

4.2 結構對比

動、靜態棒電源系統的主設備不一樣，其安裝要求、占地面積、輔助支撐系統也有明顯的不同。

在安裝要求方面，動態棒電源系統的每套MG機組部件(電動機、飛輪和發電機)安裝在共用的底座上，共用底座需要與基礎預埋螺栓連接，固定后還需要用墊片進行調整和校正。為了使電動機和發電機保持在同一水平線，MG機組還需要在電動機驅動/非驅動端軸承腔室、發電機驅動/非驅動端軸承腔室水平方向和垂直方向的配置振動測量。而靜態棒電源系統的則由整流裝置柜子組成，柜體安裝底座和振動方面與核島開關柜一樣，滿足抗震要求即可。

在占地面積方面，動態棒電源系統的2臺電動發電機組、3個控制柜、3面斷路器屏占地面積約70 m2。靜態棒電源系統4臺整流裝置、4臺超級電容柜、3個控制柜占地面積約40 m2。如圖4所示。

在輔助支撐系統方面，動態棒電源系統的MG機組在安裝、調試、維護時都需要吊車配合。靜態棒電源系統則不用配置吊車。

圖4 動、靜態棒電源設備布置圖Fig.4 The layout of the dynamic and static bar power equipment

4.3 維護對比

動、靜態棒電源系統的設備數量差異較大，導致維護方面也存在一定的差異。

動態棒電源系統較為復雜，零部件種類多，調試復雜。特別對電動機和發電機的安裝要求都比較高，振動和溫度測點較多，檢修更換軸承工作難度較大，對中精度要求非常高，其檢修質量決定了設備壽命和運行的穩定性，檢修維護過程都需要吊車配合。

靜態棒電源系統較為簡單，每面整流柜由多個整流模塊組成，采用冗余整流模塊設計，靈活采用了“N+X”的并聯結構設計提高系統運行可靠性，在單個模塊故障情況下仍能滿足供電需求，可在線抽出故障的整流模塊，維護較為簡單。整流模塊內部的電子產品質量決定了設備運行壽命。

4.4 安全對比

在運行穩定方面，動態棒電源系統配備的保護較多，設有差動保護、逆功率保護、過流保護、勵磁保護、低頻保護、振動和溫度保護，任一保護動作都會觸發對應的MG機組停運，由另一臺MG機組提供電源。因此，兩臺MG機組還要具備在帶載狀態下同期并車的功能。根據運維經驗，影響系統安全或非停故障較多的是MG機組軸承磨損導致振動高。

靜態棒電源系統相對較為簡單，無需配置振動方面的保護，僅設有過流保護、過熱保護、接地保護。在整流裝置的供電回路中，采用整流模塊冗余設計，單個模塊故障情況下仍能滿足最多控制棒運行工況的供電需求。根據核電廠直流系統運行經驗，整流模塊發生異常或故障較多是內部板卡及電子元器件的質量問題導致，整體運行相對穩定。

4.5 綜合對比

在核電廠成本方面，棒電源系統的成本由設計、設備(包含樣機)、特殊工具、備品備件、消耗品、維護等方面構成。動態棒電源系統的設備、特殊工具、備品備件、維護方面均高于靜態棒電源系統。靜態棒電源系統有著明顯的價格優勢，且能滿足”華龍一號”設計接口需求。動、靜態棒電源系統綜合對比如表1所示。

表1 動、靜態棒電源系統綜合對比

5 結論

動態棒電源系統作為控制棒驅動機構的上游電源，是目前已投運核電廠的主流配置，系統較為復雜，設備造價及維護成本也相對較高。隨著直流整流和儲能技術的不斷發展，基于超級電容技術的靜態棒電源系統有著一定的優勢。核電廠有電流大于1 000 A的安全級直流開關柜的應用，若能滿足直流停堆斷路器屏的要求，靜態棒電源系統將逐步替代動態棒電源系統。