核電廠棒電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

劉文靜，韓　勇，游　洲，李　朋

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川　成都　610041）

核電廠棒電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

劉文靜，韓勇，游洲，李朋

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610041）

棒電源系統(tǒng)是核電廠專用電氣系統(tǒng)，由于受供電方式和負(fù)載特性的影響，在系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，必須采取相應(yīng)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(tǒng)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者通過合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及控制和保護(hù)回路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步完善了棒電源系統(tǒng)功能，提高了核電廠運(yùn)行的可靠性。

棒電源系統(tǒng)；高感性負(fù)載；故障保護(hù)；空載并車

棒電源系統(tǒng)（RAM）是核電廠的重要系統(tǒng)之一，其任務(wù)是確保對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）的線圈供電，即使在廠用電源的任何暫態(tài)擾動(dòng)情況下，也要確保供電的連續(xù)性。棒電源系統(tǒng)不具備安全功能，但是系統(tǒng)的任何故障都可能導(dǎo)致反應(yīng)堆緊急停堆，直接影響核電廠的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。棒電源系統(tǒng)的供電對(duì)象為具有特殊控制要求的高感抗性負(fù)載，因此系統(tǒng)功率因數(shù)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(tǒng)和設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，必須采取相應(yīng)的措施來消除對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的不利影響。此外，棒電源系統(tǒng)自參考核電廠改用數(shù)字化控制后，其控制和保護(hù)功能不太完善，直接影響核電廠的穩(wěn)定運(yùn)行。在方家山核電站的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者針對(duì)存在的問題，對(duì)控制和保護(hù)邏輯進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步完善了系統(tǒng)功能，提高了供電的可靠性。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1基本要求

1）為了提高供電的可靠性，主要設(shè)備采用冗余設(shè)置，每臺(tái)設(shè)備的容量按100%考慮。兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別由不同的380 V母線供電，并分別由三相異步電動(dòng)機(jī)側(cè)的熔斷器-接觸器和三相同步發(fā)電機(jī)側(cè)的斷路器進(jìn)行保護(hù)。

2）棒電源系統(tǒng)采用中性點(diǎn)絕緣的三相四線制配電系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，可繼續(xù)運(yùn)行一定時(shí)間而不需要立即停機(jī)，這樣可提高系統(tǒng)的可利用率。

3）為適應(yīng)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的供電要求，棒電源系統(tǒng)采用特殊的電壓等級(jí)，即額定電壓為260 V/150 V，頻率為50 Hz。

1.2系統(tǒng)組成

棒電源系統(tǒng)主要由兩套帶飛輪的電動(dòng)發(fā)電機(jī)組及相應(yīng)的控制和保護(hù)設(shè)備組成，如圖1所示。

在正常運(yùn)行期間，兩套電動(dòng)發(fā)電機(jī)組（MG）并列運(yùn)行，共同向控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的線圈供電。在一套MG機(jī)組失去380 V交流電源或者因一套機(jī)組檢修停運(yùn)的情況下，由另一套機(jī)組單獨(dú)給CRDM提供需要的功率。在電網(wǎng)瞬時(shí)波動(dòng)的情況下，由飛輪確保MG機(jī)組給CRDM供電。

圖1　棒電源系統(tǒng)圖Fig.1　RAM system

2　電動(dòng)發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)

2.1需求功率

兩套電動(dòng)發(fā)電機(jī)組通常采用并列方式運(yùn)行，每套電動(dòng)發(fā)電機(jī)組在設(shè)計(jì)上要保證同時(shí)提升或插入最多的子組棒束，而其他棒束處于保持狀態(tài)所需要的最大瞬時(shí)功率。電動(dòng)發(fā)電機(jī)組的需求功率要符合要求。

2.2設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)負(fù)載功率要求，每套電動(dòng)發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)參數(shù)要符合要求。

2.3設(shè)備特點(diǎn)

由于棒電源系統(tǒng)的負(fù)載具有高感抗特性，因此電動(dòng)發(fā)電機(jī)組在設(shè)計(jì)上采取了相應(yīng)的措施來滿足其供電要求。這些特殊的設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)如下：

1）為了利用同步發(fā)電機(jī)的瞬變電抗值來抑制輸出電壓變化率dV/dt，發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)了較小的直軸瞬變電抗Xd′（＜18%）和次瞬變電抗Xd″（＜10%）。

2）由于發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)定子繞組中產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)及空間脈動(dòng)磁場(chǎng)，使發(fā)電機(jī)磁路過飽和并增加定子和轉(zhuǎn)子的損耗。為消除這一不利影響，發(fā)電機(jī)定子繞組采用曲折星形連接方式。

3）兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并車后，其勵(lì)磁回路并聯(lián)，以便在機(jī)組瞬態(tài)變化時(shí)恰當(dāng)?shù)胤峙錈o功功率。

4）在外電網(wǎng)失電的情況下，為了確保在1.2 s內(nèi)繼續(xù)給控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的線圈供電，每臺(tái)電動(dòng)發(fā)電機(jī)組設(shè)置了一個(gè)飛輪。

5）在提棒或插棒期間，電動(dòng)發(fā)電機(jī)組的負(fù)載功率將發(fā)生突變，為了避免發(fā)電機(jī)輸出電壓超過規(guī)定的變化范圍，要求發(fā)電機(jī)具有較高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為此每臺(tái)發(fā)電機(jī)配置了相應(yīng)的電壓調(diào)節(jié)器。

3　控制和保護(hù)設(shè)計(jì)

3.1一般要求

為了確保在一套電動(dòng)發(fā)電機(jī)組故障或失去380 V交流電源時(shí)，另一套機(jī)組能夠繼續(xù)給CRDM的線圈供電，每套機(jī)組分別設(shè)置一個(gè)控制柜和斷路器屏，并為其共用母線設(shè)置單獨(dú)的控制柜。

棒電源系統(tǒng)采用數(shù)字控制，每個(gè)控制柜內(nèi)分別設(shè)置單獨(dú)的PLC及相應(yīng)的控制開關(guān)和觸摸屏，具有手動(dòng)和自動(dòng)控制以及聯(lián)鎖、保護(hù)、狀態(tài)和電氣參數(shù)顯示、故障報(bào)警、復(fù)位、燈光試驗(yàn)等功能。

3.2控制設(shè)計(jì)

棒電源系統(tǒng)的運(yùn)行操作均在就地控制柜上完成，其控制邏輯包括機(jī)組的啟動(dòng)、停機(jī)及帶載運(yùn)行。

（1）啟動(dòng)和停機(jī)

圖2　電動(dòng)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)邏輯Fig.2　Startup logic of the electric generator

只要無機(jī)組故障信號(hào)，就可以通過操作相應(yīng)的開關(guān)手動(dòng)啟動(dòng)。在正常情況下，電動(dòng)發(fā)電機(jī)組通過操作相應(yīng)的開關(guān)手動(dòng)停機(jī)；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，由保護(hù)信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)開關(guān)自動(dòng)停機(jī)。

由于棒電源系統(tǒng)的停運(yùn)將導(dǎo)致反應(yīng)堆意外停堆，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，棒電源機(jī)組的啟/?？刂撇扇×朔勒`操作設(shè)計(jì)，即每套機(jī)組設(shè)置了一個(gè)啟動(dòng)/停止開關(guān)（硬手操）和相應(yīng)的確認(rèn)按鈕（軟手操）。當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，只有將啟動(dòng)/停止開關(guān)從OFF旋轉(zhuǎn)到ON，觸摸屏上才出現(xiàn)“啟動(dòng)”確認(rèn)按鈕，輕觸“啟動(dòng)”按鈕后，MG機(jī)組啟動(dòng)。當(dāng)停機(jī)時(shí)，只有將啟動(dòng)/停止開關(guān)從ON旋轉(zhuǎn)到OFF，觸摸屏上才出現(xiàn)“停機(jī)”確認(rèn)按鈕，輕觸“停機(jī)”按鈕后，MG機(jī)組才停機(jī)，僅操作啟動(dòng)/停止開關(guān)不會(huì)造成機(jī)組停機(jī)。

（2）帶載運(yùn)行

1） 第一套電動(dòng)發(fā)電機(jī)組

必須滿足下列所有條件后才能通過通/斷開關(guān)和觸摸屏上的確認(rèn)按鈕閉合斷路器，使第一套電動(dòng)發(fā)電機(jī)組帶載運(yùn)行。

2） 第二套電動(dòng)發(fā)電機(jī)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(dāng)同步裝置檢測(cè)到兩套機(jī)組的電壓、相位、頻率滿足并車條件時(shí)，才自動(dòng)閉合第二套電動(dòng)發(fā)電機(jī)組的斷路器，使兩套機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行。

在正常情況下，通過操作通/斷開關(guān)和觸摸屏上的確認(rèn)按鈕使斷路器跳閘，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，由保護(hù)信號(hào)驅(qū)動(dòng)斷路器跳閘。

3.3設(shè)計(jì)優(yōu)化

（1）故障保護(hù)

棒電源系統(tǒng)設(shè)置了各種保護(hù)，包括差動(dòng)保護(hù)、逆功率保護(hù)、過電流保護(hù)、勵(lì)磁保護(hù)及低頻保護(hù)等，以確保其可靠運(yùn)行。保護(hù)裝置的動(dòng)作信號(hào)經(jīng)PLC邏輯處理后，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的開關(guān)跳閘和報(bào)警，以切除相應(yīng)的故障。這樣設(shè)計(jì)雖然大大簡(jiǎn)化了控制線路，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，但也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，即如果PLC自身故障或失電，同時(shí)RAM系統(tǒng)發(fā)生故障，其保護(hù)信號(hào)不能在PLC中進(jìn)行邏輯處理，所有保護(hù)功能失效，將對(duì)棒電源設(shè)備的安全造成影響。盡管棒電源系統(tǒng)采用的SIMATIC S7-300 PLC具有較高的可靠性，但也存在失效風(fēng)險(xiǎn)。因此項(xiàng)目針對(duì)參考核電廠存在的問題進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在控制回路中增加了PLC/24 VDC故障動(dòng)作和報(bào)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(yùn)行時(shí)，兩套棒電源機(jī)組在帶載過程中實(shí)現(xiàn)并車，在檢修期間則需要進(jìn)行空載并車，以檢驗(yàn)兩套棒電源機(jī)組并車功能是否正常。

由于棒電源機(jī)組的原動(dòng)機(jī)為三相交流異步電動(dòng)機(jī)，且未設(shè)置調(diào)速裝置，因此在空載情況下，不能通過調(diào)速調(diào)節(jié)兩套機(jī)組的相位。在以往核電廠中，通常待并機(jī)組在加速過程中實(shí)現(xiàn)空載并車（見圖3），其成功率非常低。在項(xiàng)目中，為了能夠提高空載并車成功率，增加了待并機(jī)組在減速過程中實(shí)現(xiàn)空載并車的邏輯，如圖4所示。當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組在20 s的加速過程中并車失敗后，斷開待并機(jī)組的電動(dòng)機(jī)接觸器，使待并發(fā)電機(jī)減速，此時(shí)同步裝置繼續(xù)工作。一旦兩臺(tái)機(jī)組的電壓、相位、頻率滿足并車條件，同步裝置將發(fā)出合閘命令，使待并發(fā)電機(jī)的斷路器合閘，同時(shí)電動(dòng)機(jī)接觸器重新閉合，兩套機(jī)組實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行，該改進(jìn)極大地調(diào)高了空載并車的成功率。

4　結(jié)束語

在大亞灣、嶺澳一期及秦山二期核電站中，棒電源系統(tǒng)采用電動(dòng)發(fā)電機(jī)組供電方式和模擬控制技術(shù)，其設(shè)備性能和可靠性在長(zhǎng)期運(yùn)行中已得到驗(yàn)證。但是在參考核電廠開始采用數(shù)字化技術(shù)對(duì)棒電源系統(tǒng)進(jìn)行控制的過程中，由于各種原因?qū)е驴刂坪捅Ｗo(hù)功能不太完善，直接影響系統(tǒng)的可靠性和可運(yùn)行性。在方家山核電項(xiàng)目中，通過對(duì)控制和保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步完善了棒電源系統(tǒng)功能，提高了運(yùn)行的可靠性。從目前運(yùn)行情況來看，各項(xiàng)性能指標(biāo)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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

［1］ 辜承林，等. 電機(jī)學(xué)［M］. 武漢：華中科技大學(xué)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(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.（WU Qi-hong. Programmable Control System Design Technique［M］. Beijing：Mechanical Industry Press， 2012.）

［3］ 中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院. 工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］. 北京：中國(guó)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(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)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(xué)士，從事反應(yīng)堆電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究工作。