劉文靜，韓　勇，游　洲，李　朋

（中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)國家重點實驗室，四川　成都　610041）

核電廠棒電源系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化

劉文靜，韓勇，游洲，李朋

（中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)國家重點實驗室，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載特性的影響，在系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計時，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)計中，設(shè)計者通過合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及控制和保護回路的優(yōu)化設(shè)計，進一步完善了棒電源系統(tǒng)功能，提高了核電廠運行的可靠性。

棒電源系統(tǒng)；高感性負載；故障保護；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)是確保對控制棒驅(qū)動機構(gòu)（CRDM）的線圈供電，即使在廠用電源的任何暫態(tài)擾動情況下，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)濟運行。棒電源系統(tǒng)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(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)計時，必須采取相應(yīng)的措施來消除對系統(tǒng)運行的不利影響。此外，棒電源系統(tǒng)自參考核電廠改用數(shù)字化控制后，其控制和保護功能不太完善，直接影響核電廠的穩(wěn)定運行。在方家山核電站的設(shè)計中，設(shè)計者針對存在的問題，對控制和保護邏輯進行了優(yōu)化設(shè)計，進一步完善了系統(tǒng)功能，提高了供電的可靠性。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

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，每臺設(shè)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(cè)的熔斷器-接觸器和三相同步發(fā)電機側(cè)的斷路器進行保護。

2）棒電源系統(tǒng)采用中性點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，可繼續(xù)運行一定時間而不需要立即停機，這樣可提高系統(tǒng)的可利用率。

3）為適應(yīng)控制棒驅(qū)動機構(gòu)的供電要求，棒電源系統(tǒng)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(tǒng)組成

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

在正常運行期間，兩套電動發(fā)電機組（MG）并列運行，共同向控制棒驅(qū)動機構(gòu)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(wǎng)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(tǒng)圖Fig.1　RAM system

2　電動發(fā)電機組設(shè)計

2.1需求功率

兩套電動發(fā)電機組通常采用并列方式運行，每套電動發(fā)電機組在設(shè)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(tài)所需要的最大瞬時功率。電動發(fā)電機組的需求功率要符合要求。

2.2設(shè)計參數(shù)

根據(jù)負載功率要求，每套電動發(fā)電機組的設(shè)計參數(shù)要符合要求。

2.3設(shè)備特點

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

1）為了利用同步發(fā)電機的瞬變電抗值來抑制輸出電壓變化率dV/dt，發(fā)電機設(shè)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(fā)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(fā)電機定子繞組中產(chǎn)生恒定磁場及空間脈動磁場，使發(fā)電機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)電機定子繞組采用曲折星形連接方式。

3）兩臺發(fā)電機并車后，其勵磁回路并聯(lián)，以便在機組瞬態(tài)變化時恰當(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)動機構(gòu)的線圈供電，每臺電動發(fā)電機組設(shè)置了一個飛輪。

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

3　控制和保護設(shè)計

3.1一般要求

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

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

3.2控制設(shè)計

棒電源系統(tǒng)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(fā)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(yīng)的開關(guān)手動啟動。在正常情況下，電動發(fā)電機組通過操作相應(yīng)的開關(guān)手動停機；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，由保護信號驅(qū)動相應(yīng)開關(guān)自動停機。

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

（2）帶載運行

1） 第一套電動發(fā)電機組

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

2） 第二套電動發(fā)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(dāng)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(fā)電機組的斷路器，使兩套機組并聯(lián)運行。

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

3.3設(shè)計優(yōu)化

（1）故障保護

棒電源系統(tǒng)設(shè)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(jīng)PLC邏輯處理后，驅(qū)動相應(yīng)的開關(guān)跳閘和報警，以切除相應(yīng)的故障。這樣設(shè)計雖然大大簡化了控制線路，提高了系統(tǒng)的自動化水平，但也存在一定的風(fēng)險，即如果PLC自身故障或失電，同時RAM系統(tǒng)發(fā)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(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。因此項目針對參考核電廠存在的問題進行了優(yōu)化設(shè)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(xiàn)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(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(xiàn)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(xiàn)空載并車的邏輯，如圖4所示。當(dāng)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(fā)電機減速，此時同步裝置繼續(xù)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(fā)出合閘命令，使待并發(fā)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(xiàn)并聯(lián)運行，該改進極大地調(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)采用電動發(fā)電機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期運行中已得到驗證。但是在參考核電廠開始采用數(shù)字化技術(shù)對棒電源系統(tǒng)進行控制的過程中，由于各種原因?qū)е驴刂坪捅Ｗo功能不太完善，直接影響系統(tǒng)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(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，進一步完善了棒電源系統(tǒng)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(shè)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(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)計技術(shù)［M］. 北京：機械工業(yè)出版社，2012.（WU Qi-hong. Programmable Control System Design Technique［M］. Beijing：Mechanical Industry Press， 2012.）

［3］ 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院. 工業(yè)與民用配電設(shè)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(tǒng)設(shè)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(xué)士，從事反應(yīng)堆電氣系統(tǒng)設(shè)計研究工作。