AP1000主泵變頻器的應(yīng)用及故障風(fēng)險(xiǎn)評估

田少新，袁 牧

（國核工程有限公司，上海 2 00233）

AP1000主泵變頻器的應(yīng)用及故障風(fēng)險(xiǎn)評估

田少新，袁 牧

（國核工程有限公司，上海 2 00233）

AP1000主泵電源系統(tǒng)采用羅賓康WC Ⅲ-HA完美無諧波高壓變頻器，6個(gè)變頻功率單元串聯(lián)實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。變頻器采用NXG-A和NXG-B兩套控制器，可實(shí)現(xiàn)完美切換。多重化功率單元結(jié)構(gòu)、旁路功能及中性點(diǎn)偏移技術(shù)的應(yīng)用，保證了變頻器的完美無諧波輸出。文章通過對變頻器可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析及風(fēng)險(xiǎn)評估，并提出相應(yīng)故障的應(yīng)對及改進(jìn)措施，以便減少其故障率，提高經(jīng)濟(jì)效益，從而更好地發(fā)揮出AP1000技術(shù)的優(yōu)越性。

變頻器；應(yīng)用；故障分析；故障應(yīng)對

AP1000一回路采用兩個(gè)環(huán)路，每個(gè)環(huán)路位于蒸汽發(fā)生器的下部冷管段，其上各裝有一臺冷卻劑泵，將蒸汽發(fā)生器的水經(jīng)過冷管道送到壓力容器中。反應(yīng)堆冷卻劑泵采用的是EMD公司生產(chǎn)的屏蔽泵，此電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)是：頻率60 Hz、額定電壓6.9 kV、轉(zhuǎn)速1 800 r/min，電機(jī)絕緣為H級。而AP1000中壓電源系統(tǒng)是10.5 kV、50 Hz；為了與屏蔽電機(jī)參數(shù)相匹配，屏蔽電機(jī)電源系統(tǒng)采用了美國羅賓康公司（ROBICON）生產(chǎn)的WC Ⅲ水冷完美無諧波變頻器；應(yīng)用于AP1000反應(yīng)堆冷卻劑泵的變頻啟動，并將工頻50 Hz的電源轉(zhuǎn)換成反應(yīng)堆冷卻劑泵運(yùn)行所需的60 Hz電源，電壓降低至電機(jī)的額定值6.9 kV。以下為WC Ⅲ-HA水冷完美無諧波變頻器原理及應(yīng)用。

1 VFD原理及特點(diǎn)分析

1.1 VFD原理

美國羅賓康公司（ROBICON）生產(chǎn)的WCⅢ-HA水冷完美無諧波變頻器（單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器）是一種性能參數(shù)非常完美的變頻器。它采用6個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。該變頻器具有諧波分量小、功率因數(shù)高、輸出波形好的優(yōu)點(diǎn)，不存在由于諧波引起的電動機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪聲等一系列問題。

10.5 kV電網(wǎng)電壓經(jīng)過二次繞組多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交直流PWM電壓源型結(jié)構(gòu)，同相的功率單元輸出端串聯(lián)起來，單相總的輸出與其他兩相形成星形聯(lián)接，以許多較小幅度電壓疊加實(shí)現(xiàn)變壓、變頻的高壓交流直接輸出，供給冷卻劑泵，使得對電機(jī)絕緣的電壓應(yīng)力明顯減少并提高了電機(jī)電流的質(zhì)量[1]。AP1000所用變頻器的每相由6個(gè)額定電壓為750 V的功率單元串聯(lián)而成，輸出的相電壓可達(dá)到4.5 kV、線電壓7.79 kV。改變每相功率單元的串聯(lián)個(gè)數(shù)或功率單元的輸出電壓等級，就可以實(shí)現(xiàn)不同電壓等級的高壓輸出。

1.2 特點(diǎn)分析

（1）采用延邊三角形多重結(jié)構(gòu)

每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一個(gè)延邊三角形或角形繞組供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)多重化結(jié)構(gòu)，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的，減少THD值。給18個(gè)功率單元供電的二次繞組每3個(gè)為一組，形成6個(gè)不同的相位組，每個(gè)二次繞組互差100電角度，形成36脈波的整流電路結(jié)構(gòu)，擯除掉了35次以下的諧波分量，與通用的6脈沖及12脈沖相比，輸入電流的總諧波失真分別為：6脈沖變頻器為25%、12脈沖變頻器為8.8%[2]。與二者相比，完美無諧波變頻器輸入電流總諧波僅為0.8%。當(dāng)這三種都運(yùn)行于具有相同電源阻抗的電源條件下時(shí)，對應(yīng)的電壓失真分別為10%、5.9%、1.2%。WC Ⅲ-HA變頻器的輸入電流波形接近正弦波，如圖1所示。同時(shí)完美無諧波變頻器純凈輸入特性完全去除了諧波濾波器單元，不必再進(jìn)行諧波/諧振分析。這種等值裂相供電方式使THD降低至1%左右，變頻器輸入的總功率因數(shù)可達(dá)到0.95以上，并極大地減少了諧波對電網(wǎng)的污染[3]。

（2）功率單元的旁路功能及中性點(diǎn)的偏移技術(shù)

WC Ⅲ-HA變頻器獨(dú)特的功率單元旁路及中性點(diǎn)偏移技術(shù)極大改善電機(jī)的可靠性運(yùn)行，如圖2、圖3所示，系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)功率單元配備一只旁路接觸器，運(yùn)行過程中，當(dāng)變頻器檢測到某一單元故障時(shí)，在0.5 s時(shí)間內(nèi)通過旁路開關(guān)自動將該故障單元旁路，并利用單元的星形點(diǎn)是浮動的且不連接到電機(jī)中性點(diǎn)的技術(shù)特點(diǎn)，即中性點(diǎn)偏移技術(shù)，系統(tǒng)控制自動進(jìn)行補(bǔ)償（中性點(diǎn)漂移）調(diào)整電源電壓的相位角，維持三相電壓對稱，變頻器工作在稍低的輸出電壓，仍然提供全部額定電流。保證電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，維持運(yùn)行，提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

圖1 諧波失真波形比較Fig.1 Comparison of harmonic distortion waveforms

圖2 典型的帶旁路接觸器的單元Fig.2 Typical unit with bypass contactor

圖3 中性點(diǎn)偏移功率單元原理圖Fig.3 Schematic of neutral point offset power unit

（3）寬脈沖調(diào)制技術(shù)

WC Ⅲ-HA變頻器的變壓器的每一個(gè)次級繞組僅供給一個(gè)功率單元，每個(gè)功率單元通過光纖接收調(diào)制信息以產(chǎn)生負(fù)載所需的輸出電壓和頻率，并采用PWM多電平的調(diào)制方式[4]，加在電機(jī)端子上的電壓是由許多較小幅度電壓疊加所產(chǎn)生的而不是采用較小的大幅度電壓，獲得的完美的正弦輸出電壓減少了加在電機(jī)絕緣上的應(yīng)力，去除了外部輸出濾波器。最大限度地減少了電機(jī)的噪聲；另外，馬達(dá)也不必降額使用（該變頻器可應(yīng)用于新的或已有的1.0利用率馬達(dá)）；同時(shí)，降低了dV/dt變化率，消除了變頻器引發(fā)的轉(zhuǎn)矩脈動（即使在低速范圍），降低了由于IGBT的開斷而作用于電機(jī)線圈上的沖擊電壓，共模電壓和dV/dt產(chǎn)生的應(yīng)力也減至最小，延長了電機(jī)絕緣的運(yùn)行壽命。

（4）容錯(cuò)設(shè)計(jì)

在散熱問題上，WC Ⅲ-HA變頻器采用了水冷方式，并采用冗余的雙路冷卻環(huán)路，對功率單元、電源單元等進(jìn)行散熱，控制單元部分采用了風(fēng)冷方式。這種冷卻方式不僅極大地提高了變頻器的散熱能力，并且沒有大功率風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲，使WC Ⅲ-HA變頻器的噪聲限制在76 dB以內(nèi)，減少了噪聲污染問題。設(shè)計(jì)冗余的冷卻單元結(jié)構(gòu)，更有效地解決了變頻器散熱問題，保證了變頻器能夠長期可靠運(yùn)行。

提供兩路220 V交流UPS電源系統(tǒng)為控制系統(tǒng)供電；在控制上采用兩套NXG控制器，相互備用，二者之間采用光纖通訊；兩路380 V為預(yù)充電繞組供電。

2 VFD在AP1000壓水堆中的應(yīng)用

2.1 VFD對主泵速度的控制

主泵猶如人體的心臟，擔(dān)負(fù)著壓力容器冷卻及一回路介質(zhì)的熱量傳遞，反應(yīng)堆啟動及運(yùn)行期間，對轉(zhuǎn)速有不同的要求及限制，通過變頻器達(dá)到速度要求。變頻器的速度共分5個(gè)設(shè)置點(diǎn)：0%即停機(jī)狀態(tài)；在同步速的17.5%（315 r/min）時(shí)順次啟動4臺主泵，并維持最小流量；在同步速的50%（890 r/min）為穩(wěn)壓器提供噴淋，保證足夠的壓頭；當(dāng)溫度小于520 ℉維持在同步速的87.8%（1 580 r/min）限制功率；在100%同步速（1 800 r/min）達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行。

通過變頻器對主泵實(shí)現(xiàn)軟停車，停車的時(shí)間通過調(diào)整頻率的下降速率實(shí)現(xiàn)。對于電機(jī)停機(jī)，傳統(tǒng)的控制方式都是通過瞬間停電完成的。但在核電廠中不允許電機(jī)瞬間關(guān)機(jī)，如果瞬間停機(jī)，會產(chǎn)生巨大的“水錘”效應(yīng)，使管道，甚至水泵遭到損壞。為減少和防止“水錘”效應(yīng)，需要電機(jī)逐漸停機(jī)，即軟停車，采用變頻器能滿足這一要求。

2.2 VFD對再生電勢的抑制

在AP1000冷卻劑系統(tǒng)中，利用變頻器對冷卻劑泵進(jìn)行啟動、提速、降速、停機(jī)等幾種工況的操作，維持冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行。但電機(jī)在降速的過程中，由于介質(zhì)的流動推動主泵葉輪，慣性力產(chǎn)生的機(jī)械旋轉(zhuǎn)磁場與電機(jī)的電氣旋轉(zhuǎn)磁場相互影響，將會產(chǎn)生再生反電勢，影響電機(jī)主絕緣、容易擊穿濾波電容及IGBT、影響主泵的惰轉(zhuǎn)性能，VFD的再生制動單元可以很好地解決再生電勢問題。

4臺主泵依次啟動，轉(zhuǎn)速在315 r/min,因?yàn)橹鞅檬菍⒗鋮s劑介質(zhì)從蒸汽發(fā)生器經(jīng)過冷段打入壓力容器，再由熱段返回蒸汽發(fā)生器，進(jìn)行循環(huán)。每臺主泵啟動后，由于壓力差及液體的流動性能，將對未啟動的主泵產(chǎn)生一個(gè)反向力矩，機(jī)械轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩，迫使主泵反轉(zhuǎn)；由于轉(zhuǎn)子鐵芯材料的非線性特點(diǎn)，轉(zhuǎn)子在運(yùn)行及試驗(yàn)過程中會有剩磁存在，在機(jī)械旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，將在定子繞組中產(chǎn)生反電勢。此外，降速、停機(jī)、故障跳閘，都將產(chǎn)生再生電勢，這幾種情況下產(chǎn)生的再生電勢，對尤其是后三種情況，由于主泵的特有的飛輪裝置，飛輪將惰轉(zhuǎn)12 s以上，以保證冷卻劑泵足夠的流量帶走足夠的堆芯熱量，但是相應(yīng)產(chǎn)生的再生電勢的時(shí)間也將延長，電動機(jī)在這期間始終處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。流體產(chǎn)生的機(jī)械功率經(jīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)化為電能經(jīng)定子繞組輸出。變頻系統(tǒng)具有再生的能力，其最小再生能力為正常冷管段輸入電機(jī)容量的50%左右。

WC Ⅲ-HA變頻器在電動機(jī)加載之前或降速過程中，如果電機(jī)被拖動翻轉(zhuǎn)運(yùn)行在同步速的-17.5%以內(nèi)時(shí)，變頻裝置將對電機(jī)勵(lì)磁并迫使其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩降到零，該過程通過控制電機(jī)的再生減速轉(zhuǎn)矩將電機(jī)儲存的能量回饋到電網(wǎng)[5]。當(dāng)變頻裝置控制電機(jī)轉(zhuǎn)子后，使電機(jī)加速到所需的轉(zhuǎn)速，避免了主泵由于反轉(zhuǎn)矩而導(dǎo)致電機(jī)過電流。

3 變頻器故障風(fēng)險(xiǎn)評估

作為主泵的動力中心，變頻器擔(dān)負(fù)著主泵的電源供給、速度調(diào)節(jié)、逐級啟動及軟停車，變頻器運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響主泵的運(yùn)行；將變頻器的非計(jì)劃停車稱為系統(tǒng)故障，通過對變頻器的各部件進(jìn)行故障分析及故障概率評估，并結(jié)合主泵試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的故障事件，對變頻器的可靠性進(jìn)行綜合評價(jià)，衡量變頻器故障對主泵運(yùn)行影響，借以評估主泵的運(yùn)行質(zhì)量。

3.1 主泵試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的故障

AP1000主泵變頻器在主泵試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了以下幾個(gè)故障事件：

1）變頻器失磁故障：這是由于旋轉(zhuǎn)負(fù)荷極限值的設(shè)定值低于推薦值，在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)負(fù)載功能試驗(yàn)時(shí)導(dǎo)致變頻器連續(xù)失磁故障。

2）NXG光纖轉(zhuǎn)換板電壓靈敏性故障：同相的功率單元的通訊同時(shí)發(fā)生故障，即NXG通訊板輸送回路電壓低于設(shè)計(jì)值導(dǎo)致通訊故障。

3）NXG轉(zhuǎn)換喪失導(dǎo)致多個(gè)功率單元故障：NXG-A故障后無法切換到NXG-B工作，導(dǎo)致變頻器功率單元故障。

4）DCR的電源供應(yīng)性能故障：由于電纜的功率損耗及設(shè)計(jì)容差范圍不正確導(dǎo)致DCR的電源供應(yīng)質(zhì)量下降，引起輸送電壓降低。

3.2 故障經(jīng)驗(yàn)反饋

水冷完美無諧波變頻器在其他核電廠已有投入運(yùn)行的先例，根據(jù)VFD運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，將變頻器運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障歸納、總結(jié)，出現(xiàn)概率較大的故障為如下幾種情況：

1）以太網(wǎng)信息系統(tǒng)擁堵，操作指令無響應(yīng)，最終執(zhí)行了手動緊急停車。

2）運(yùn)行人員對故障設(shè)備操作引起電源暫態(tài)變化，導(dǎo)致VFD跳閘。

3）功能設(shè)置更改，造成VFD故障。

4）冷卻水管破裂，造成VFD故障。

3.3 故障風(fēng)險(xiǎn)評估

利用故障樹方法學(xué)建立VFD故障的數(shù)學(xué)模型[6]，對已知或估計(jì)的元件故障進(jìn)行邏輯分析，并對引起WC Ⅲ-HA變頻器失效的各種故障進(jìn)行概率計(jì)算，判斷VFD運(yùn)行的可靠性。本分析將變頻器失效作為頂上事件，逐層分析，直到基準(zhǔn)事件；根據(jù)主泵試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的故障事件，NXG控制器出現(xiàn)故障的概率比較高，本次分析將主要對控制系統(tǒng)故障進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.4 故障的應(yīng)對及改進(jìn)措施

產(chǎn)品的制造缺陷、安裝錯(cuò)誤和運(yùn)行錯(cuò)誤都是故障的誘導(dǎo)因素，對制造工藝及安裝質(zhì)量的控制、對人為因素的管控將極大減少故障誘因，降低故障概率。

為避免變頻器發(fā)生失磁故障，在變頻器試驗(yàn)時(shí)要隨時(shí)跟蹤參數(shù)的變化，調(diào)整其掃描電壓結(jié)束閾值，直至達(dá)到最合適的值，并記錄好電機(jī)的啟停順序和啟動時(shí)的數(shù)據(jù)和波形圖。適當(dāng)增加勵(lì)磁斜坡時(shí)間，使磁場電流有足夠的穩(wěn)定時(shí)間，運(yùn)行中確認(rèn)電機(jī)定子阻抗參數(shù)設(shè)置不能過大，如果主泵電機(jī)在一段時(shí)間內(nèi)工作于較低的轉(zhuǎn)速下，應(yīng)適當(dāng)降低電機(jī)阻抗參數(shù)。

AP1000所用的羅賓康NXG型完美無諧波變頻器中功率單元控制板，控制器光纖板以及主控板間的通訊均采用光纖連接，為避免由于通訊問題所帶來的變頻器失效，安裝以及調(diào)試過程中應(yīng)注意光纖接頭與光纖線連接部分的彎折半徑不要小于所允許的最小彎折半徑或?qū)饫w施加較大的拉力，安裝或操作中不要扭絞光纖線，連接光纖時(shí)連接頭垂直插入光纖連接插座，不能有傾斜的角度，避免造成通訊故障。運(yùn)行中要按時(shí)檢查功率單元與控制器的光纖連接頭是否脫落，光纖是否折斷，漏光，及時(shí)更換不符合要求的通訊光纖。

為避免由于內(nèi)部功率損耗過大引起的輸出電源質(zhì)量下降，首先檢查輸出電纜是否有破損，輸出螺栓是否過熱、出現(xiàn)虛接打火；輸入/輸出側(cè)電壓和電流測量的標(biāo)定出錯(cuò)，并重新標(biāo)定該值，保證其供應(yīng)電源符合要求。

4 結(jié)論

羅賓康完美無諧波變頻器在AP1000核電廠中的應(yīng)用，為主泵提供了極高的電源質(zhì)量，保證了AP1000核電廠運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性和安全性。文章通過對變頻器可能發(fā)生故障的原因進(jìn)行故障樹分析及概率計(jì)算，可知變頻器發(fā)生故障的概率極低。針對變頻器相應(yīng)故障的應(yīng)對及改進(jìn)措施，可進(jìn)一步降低變頻器失效率，保證生產(chǎn)的安全運(yùn)行，充分體現(xiàn)出AP1000相對于其他核電技術(shù)的優(yōu)越性！

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Application and Fault Risk Assessment for AP1000 Primary Pump Frequency Converter

TIAN Shao-xin, YUAN Mu
(State Nuclear Power Engineering Company, Shanghai 2 00233, China)

Robicon WC III-HA perfect harmony high voltage frequency converter is used in the power system of AP1000 primary pump. The 6 series power units can achieve direct high voltage output. The converter can achieve perfect switch between two controllers: NXG-A and NXG-B. The application of multiple layer of power unit structure, bypass function and the neutral point offset technique ensure perfect harmonious output of the converter. This paper analyzes the possible failure of the converter and carries out risk assessment. Then corresponding response and improvement measures are put forward in order to reduce the failure rate and increase the economic efficiency. So we can better reflect the superiority of AP1000 technology.

frequency converter；application；fault analysis；fault treatment

TL37 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)04-0337-06

TL37

A

1674-1617(2013)04-0337-06

2013-08-08

田少新（1973—），男，遼寧錦州人，工程師，從事電氣高壓設(shè)備的選型及高壓試驗(yàn)工作。