核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源機(jī)組勵(lì)磁方式的選擇

孟子榮

(東北電力大學(xué),吉林 吉林 132012)

核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源機(jī)組勵(lì)磁方式的選擇

孟子榮

(東北電力大學(xué),吉林 吉林 132012)

由于國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)，電力包括煤炭、石油等能源已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)十幾年前中國(guó)經(jīng)濟(jì)起飛時(shí)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(fā)展以緩解這些問(wèn)題。針對(duì)目前核電站的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源: 電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組(M-G機(jī)組)，分析其應(yīng)用于該系統(tǒng)的各類(lèi)勵(lì)磁方式優(yōu)缺點(diǎn)，并提出一種可用于控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源的新型勵(lì)磁方式。

核電站;控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；電源系統(tǒng);勵(lì)磁系統(tǒng)

1 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源介紹

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源機(jī)組，既為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供可靠電能的設(shè)備[1]?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是核電站內(nèi)驅(qū)動(dòng)控制棒的裝置，為保證核電站能夠安全停堆，在設(shè)計(jì)上該裝置一旦失去電力供應(yīng)，控制棒就會(huì)全部掉落，導(dǎo)致反應(yīng)堆停堆。目前在役核電站采用的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源均為電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組(M-G set)，如圖1所示。每個(gè)核電廠有兩套電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組。在正常工作條件下，兩套電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，并均分總負(fù)荷。兩套電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)電機(jī)的滑差頻率需盡可能一致，以防止負(fù)載分配時(shí)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)之間的振蕩。當(dāng)一套電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組不能正常工作或并網(wǎng)失敗時(shí)，另一套設(shè)備應(yīng)具備能夠承擔(dān)全部負(fù)載的能力。這樣即使在一套電動(dòng)發(fā)電機(jī)裝置在役檢修或失效時(shí)，也能保證對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連續(xù)供電。

2 勵(lì)磁方式比較

發(fā)電機(jī)組是否穩(wěn)定運(yùn)行很大程度上取決于它的勵(lì)磁系統(tǒng)。勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性對(duì)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行有著極大的影響。發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)按照電流引入磁場(chǎng)繞組方式可分為有刷勵(lì)磁系統(tǒng)和無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，下面將做簡(jiǎn)要分析[2]。

有刷勵(lì)磁系統(tǒng)是一種被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的勵(lì)磁系統(tǒng)。它按照勵(lì)磁電流取得方式可分為直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)和可控硅靜止勵(lì)磁系統(tǒng)兩種。直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是由與發(fā)電機(jī)同軸的直流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生直流電，經(jīng)過(guò)電刷和滑環(huán)直接加在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈從而為定子線圈提供磁場(chǎng)?？煽毓桁o止勵(lì)磁系統(tǒng)是通過(guò)發(fā)電機(jī)機(jī)端的勵(lì)磁變壓器進(jìn)行橋式整流，得到所需要的直流電，再經(jīng)過(guò)電刷和滑環(huán)加在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈上，產(chǎn)生磁場(chǎng)切割定子線圈。有刷勵(lì)磁方式的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁系統(tǒng)界限明顯，相對(duì)獨(dú)立；(2)勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓容易獲??；(3)勵(lì)磁機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方便、數(shù)值準(zhǔn)確。由于電刷的存在，其缺點(diǎn)也較明顯：(1)增加了接觸電阻，隨著勵(lì)磁電流的增大，電刷和滑環(huán)常常因接觸不良導(dǎo)致發(fā)熱，甚至?xí)龎乃⒓芎突h(huán)，存在安全風(fēng)險(xiǎn)；(2)電刷在磨損時(shí)產(chǎn)生的碳粉給對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生不良影響，會(huì)降低周邊設(shè)備絕緣，給安全運(yùn)行帶來(lái)隱患；(3)維護(hù)不方便，需定時(shí)清理碳粉檢查更換。

圖1

無(wú)刷勵(lì)磁方式是近些年來(lái)新興的一種新型勵(lì)磁方式，它的主要部件為交流勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流器。隨著旋轉(zhuǎn)整流裝置可靠的不斷提升，無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的的應(yīng)用也更加廣泛。其原理為交流勵(lì)磁機(jī)的輸出由安裝在機(jī)組旋轉(zhuǎn)部分的硅整流器整流后，直接送到同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中去。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組、整流器和交流勵(lì)磁機(jī)電樞都在同一軸上旋轉(zhuǎn)，彼此處于絕對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這樣就取消了電刷、換向器和滑環(huán)等傳統(tǒng)勵(lì)磁機(jī)部件。交流勵(lì)磁機(jī)實(shí)質(zhì)上是旋轉(zhuǎn)電樞式的交流發(fā)電機(jī)。這種勵(lì)磁方式具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積?。?2)不存在磨損的碳粉，發(fā)電機(jī)兩端會(huì)非常潔凈，而且無(wú)需更換電刷，維護(hù)方便；(3)不存在接觸不良以及因此而發(fā)熱的問(wèn)題，更不會(huì)產(chǎn)生電火花而燒壞設(shè)備；(4)通訊干擾小。實(shí)踐表明，當(dāng)硅整流器質(zhì)量良好時(shí)，運(yùn)行是相當(dāng)可靠的。無(wú)刷勵(lì)磁也有不少缺點(diǎn)：(1)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)輸出的直流電直接接在轉(zhuǎn)子的繞組上，無(wú)法直接測(cè)量轉(zhuǎn)子的實(shí)際電流；(2)由于無(wú)刷勵(lì)磁中同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的變化是由交流勵(lì)磁機(jī)的磁場(chǎng)電流來(lái)調(diào)節(jié)的，相應(yīng)速度慢；(3)對(duì)旋轉(zhuǎn)整流器可靠性要求高。

3 輔助繞組無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)

現(xiàn)代的大型核電站，因核島內(nèi)空間有限，一般設(shè)計(jì)上無(wú)法單獨(dú)為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源機(jī)組設(shè)置房間。大部分核電站將其與其他負(fù)荷中心母線柜布置在同一個(gè)房間，這樣就控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源不能對(duì)環(huán)境造成污染，不產(chǎn)生電磁干擾，且不應(yīng)有發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。這樣，傳統(tǒng)的有刷勵(lì)磁不可應(yīng)用于現(xiàn)代核電廠控制棒勵(lì)磁系統(tǒng)，需要從無(wú)刷勵(lì)磁中選擇最優(yōu)勵(lì)磁方式?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過(guò)電磁的原理來(lái)操作控制棒的運(yùn)動(dòng)?？刂瓢舻尿?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所帶的負(fù)荷有三類(lèi)：提升線圈，加持線圈，傳遞線圈。只有通過(guò)一定邏輯順序才能保證控制棒合理運(yùn)動(dòng)。這種負(fù)荷并非穩(wěn)定負(fù)荷，沖擊性較大，故電源系統(tǒng)一定要足夠穩(wěn)定才能保證在負(fù)荷波動(dòng)時(shí)保證穩(wěn)定供電。根據(jù)技術(shù)規(guī)格書(shū)中要求的要在一臺(tái)退出運(yùn)行時(shí)另一臺(tái)擔(dān)負(fù)全部負(fù)荷且電壓波動(dòng)不可超過(guò)10%。因此需要采用勵(lì)磁裝置能否快速響應(yīng)成為選擇的一個(gè)重要指標(biāo)。鑒于普通的無(wú)刷勵(lì)磁裝置響應(yīng)速度較慢，如遇到極端情況時(shí)恐怕難以保證電壓滿(mǎn)足要求，從而導(dǎo)致電站發(fā)生不必要的停機(jī)事故，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。為避免這種情況發(fā)生，勵(lì)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(lián))的方式獲取勵(lì)磁電流[3]。如圖2所示。

其中H1為基波繞組，為保障正常運(yùn)行和過(guò)載運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁提供能量供應(yīng)；

圖2

H3為三次諧波繞組，當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，基波繞組被切斷，而三次諧波繞組仍能感應(yīng)出三次諧波電壓，為強(qiáng)勵(lì)提供足夠能量。當(dāng)負(fù)荷突然變動(dòng)時(shí)也會(huì)感應(yīng)出三次電勢(shì)加快了相應(yīng)速度。

這種勵(lì)磁方式不僅加快了響應(yīng)速度，更能夠提供足夠的強(qiáng)勵(lì)能量。其結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3

輔助繞組為AVR(電壓調(diào)節(jié)器)提供交流電源，AVR為勵(lì)磁繞組提供直流電源，形成勵(lì)磁機(jī)磁場(chǎng)，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組旋轉(zhuǎn)切割磁場(chǎng)感應(yīng)出交流電，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)整流器轉(zhuǎn)換成直流電供給主勵(lì)磁繞組。這種輔助繞組勵(lì)磁系統(tǒng)具有很好的強(qiáng)勵(lì)能力，能夠提供足夠的短路電流持續(xù)能力。

[1] 俞高偉，周蘊(yùn)花.核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源系統(tǒng)[J].發(fā)電設(shè)備，2012,26(4).

[2] 王明煒.ABB低壓同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].移動(dòng)電源與車(chē)輛，2010.1.

[3] 姜世英.發(fā)電機(jī)的不同勵(lì)磁方式及比較分析[J].移動(dòng)電源與車(chē)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(dòng)化安裝、調(diào)試、維護(hù)工作； 周定宇(1982-)，男，漢，碩士，工程師，湖南長(zhǎng)沙人，主要從事電力信息安裝、調(diào)試、維護(hù)工作； 趙林坤(1983-)，男，漢，碩士，工程師，湖南衡陽(yáng)人，主要從事電力生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

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

TM76

B