AP1000主泵变频器安全可靠性分析
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【摘 要】 ap1000是西屋公司在已开发的非能动先进压水堆AP600的基础上开发设计的3代核电堆型。AP1000为单堆布置两环路机组，电功率1250MWe，设计寿命60年，主要安全系统采用非能动设计，布置在安全壳内，安全壳为双层结构，外层为预应力混凝土，内层为钢板结构。作为AP1000机组主泵的动力中心，主泵变频器能否安全、可靠运行，直接影响到整个AP1000核电厂的安全性和可用率。本文从AP1000主泵变频器的设备结构、运行特性、控制与保护方式三个方面对其安全可靠性进行了分析。
【关键词】AP1000核电站 主泵变频器 冗余设计 安全可靠 分析
主泵是按照美国标准设计的，额定电源6.9kV，60Hz，而国内电网工频为50Hz，因此需增设主泵变频器。变频器可将50Hz电源频率转变为主泵所需频率，在正常运行时，提供60Hz电源频率至主泵，使主泵按设计速度运行。变频器是主泵唯一的电能来源，它能否安全可靠运行对电厂的安全性和经济性影响很大，因此应从各方面采取措施来确保它的安全可靠性。
1 AP1000主泵变频器系统组成
主泵变频器转换系统包括以下系统元件，即输入柜、液体冷却的输入隔离变压器及线路侧分布式防雷器、功率单元柜、输出柜、控制及冷却柜。10.5kV中压电源经变压器进行电压变换后进入各功率单元完成整流与逆变，为主泵电机提供电源；控制系统负责将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时接收来自这些部分的信号，对变频器各项参数进行实时监控并与全厂控制系统进行通信；冷却系统负责对进出水温度、泵的流量、电离子率进行全程监控与控制，保证变频器的稳定运行。
2 安全可靠的设备结构
2.1 功率单元冗余设计
主泵变频器的输出共18个功率单元，每相由6个功率单元串联形成4500v高压。变频器正是通过这些最基本的功率单元实现变压输出，每一个功率单元都相当于一台交流-直流-交流”电压型单相输出的低压变频器。功率单元旁路系统是一个与变频器主控室完全独立的子系统，以保证其最大可用性，旁路过程将在250ms内完成。某两个故障时仍可维持最大6675 V电压输出（N+2冗余）。
2.2 变频器控制系统冗余
控制系统为变频器提供控制、检测、保护等功能，用来协调所有的程序执行和相关操作，对维持供电系统的持续与稳定起着举足轻重的作用。AP1000变频器具有双重控制系统，100%冗余（键盘、用户I/O、通信、电源等）。控制系统冗余消除单一数字系统中的单一故障点：两套完全一样的NXGII控制系统包括跟控制系统相关的所有信号源；主控制A、备份控制B，自动互相备份，切换时间250-500ms；与主电路以及旁路通信的光纤也进行冗余，并实现自动切换。当其中一个控制系统出现故障时，变频系统会发出报警信号并维持运行。
2.3 变频器冷却系统冗余
由于AP1000核电机组主泵变频器长期处于运行状态且主泵效率较大，因此，要求变频器具备优质的冷却性能，以保证变频器的稳定运行。AP1000主泵变频器采用闭环去离子（DI）冷却水系统冷却。变频器由CCS冷却，内部冷却泵采用100%冗余，在一个冷却系统故障时仍能满载工作。两个变频器低压馈线断路器给两台冷却泵供电。冷却系统可编程控制器（PLC）采用双检测控制。每个柜内空水冷却风扇均采用2*100%冗余。
2.4 变频器控制电源、辅助电源冗余
电源供应冗余是变频器安全可靠性工作的保障。无论是控制电源还是辅助电源，都需要采取冗余设计以保证电源的容错能力。VFD具有失电后100ms内连续运行的能力，具有输入侧线电压降为70%Un的连续运行能力，需为变频冷却系统提供两个三相低压辅助交流源，为变频控制系统提供两个交流、单相UPS电源。二个断路器控制电源，分别提供给两个控制系统100%电源，电源输出采用二极管（防倒送），任一电源故障时可通过控制接口发信号至控制室。
3 安全可靠的运行特性
3.1 转速控制
变频器能驱动8000hp，60Hz的屏蔽电机运行在-85%至100%额定转速范围内。停电1s内，在得电后能自动重启并迅速捕捉到电机转速，并能将电机转速恢复到停电前的转速水平，变频器能承受10%额定运行转速来完成驱动设备的检查和维护。
变频器控制主泵启动过程中，选择17.5%同步转速投入四台泵的变频控制器，逐台启动至一定转速（315rmp），最后四台主泵线性升速。
3.2 变频器制动再生功能
AP1000主泵变频器的全称为非1E级反应堆冷却剂泵再生变频驱动器。变频系统具有制动再生能力，其最小再生能力为正常冷段输入电机容量的50%。在电机加载前，如果电机以-85%至0%同步转速向后驱动，变频装置将对电机励磁并迫使其转子转矩降到零，该通过控制电机的转矩减速并将转子产生的能量回馈给所连的中压电气系统。电机转子经变频装置控制后，电机将加速到所需的运行速度，这个过程不需要速度传感器（编码器）来监控电机。变频器的制动再生能力避免了主泵由于反转矩而导致电机过电流现象，大大提高了主泵运行的安全性。
3.3 完美的输入谐波
为防止高次谐波给电机带来附加发热、噪声、转矩脉动、电压闪变等一系列问题，在工作转速范围内，要求单个或同时运行的变频器，输出电压总谐波失真量小于3%，单个谐波不得大于1.5%，满载输出时单个电流谐波不得大于2%。为达到这一目的，AP1000主泵变频器采用PWM变频器功率单元串联方式实现高压输出。调制信号使用正弦波的同时，用等腰三角形波作为载波，左右对称。通过采用功率单元串联多电平结构以及移相PWM技术，每个IGBT所承受电压应力小，设备稳定性与使用寿命得到很大提高，同时电动机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，有利于主泵的安全可靠运行。
4 结语
主泵变频器的引入是AP1000主泵独特设计背景下的创新，是电厂的关键设备之一，其安全、可靠和稳定的运行直接关系到核电站的经济效益和安全，应在其设备结构、控制保护方式及运行特性方面提供多重冗余措施和特殊要求，来保证其安全可靠运行。
参考文献：
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