摘要：AP1000是美国西屋公司设计的第三代核电，三门核电AP1000电气系统内配置了西门子第三代水冷式变频器来满足反应堆冷却剂泵的运行要求。文章将通过对电气系统的配置及变频器的特点来介绍变频器的可靠性，以保障核电厂的运行安全。

关键词：中压变频器；AP1000；核电厂；电气系统；水冷式变频器 文献标识码：A

中图分类号：TM623 文章编号：1009-2374（2016）12-0043-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.12.020

1 概述

AP1000采用全密闭式的反应堆冷却剂屏蔽电动泵（以下简称主泵），其功能是输送反应堆冷却剂，完成在堆芯、冷却剂环路和蒸汽发生器之间的循环。主泵是一台立式、单级离心泵，叶轮直接连接在电机转轴上，电机的定子和转子均密闭在耐腐蚀的屏蔽套中，并承受一回路系统压力。定子和转子之间的一回路冷却剂提供定子、转子及轴承的冷却并润滑轴承。AP1000共配置了四台主泵，分别挂在常规岛四段10.5kV中压母线上，每台主泵的额定电压为6.9kV，频率为60Hz。每台主泵配置一台变频器，转换厂用电为主泵所需电压和频率，同时降低主泵启动时的启动电流并在主泵反转的情况下通过能量回馈实现泵的正转及平滑调速。

AP1000標准电站中压母线电压/频率为6.9kV/60Hz，变频器仅用于控制主泵的软启动。而中国项目母线电压和频率都不同于标准设计，所以主泵变频器不但用于主泵的启动，还要长时运行给主泵供电，此种运行方式对变频器的可靠性提出了较高要求。

两种配置如图1所示：

2 变频器简介

三门核电选用的变频器为西门子WCIII-HA型水冷式变频器。变频器主要参数见表1：

变频器由进线柜、变压器柜、控制柜、功率单元柜、出线柜及冷却柜构成。

2.1 变压器柜

变压器为水冷式移相变压器，共有19个副边绕组，每相采用6个功率单元串联。移相变压器采用顺延和逆延相结合的方式，即变压器二次绕组线电压的相位领先或滞后一次绕组线电压10度，经过傅里叶变换分析后可知变压器的此种绕线方式可以抑制35次及以下谐波。

变压器原边、副边绕组及铁芯通过冷却水管进行冷却，同时变压器柜内配置了4组冷却风扇以排出变压器散发的热量。变压器原边及副边绕组上的冷却回路各配置了一个RTD和一个温度开关以检测原副边绕组的温度并发往变频器的控制系统。

2.2 功率单元柜

变频器的功率单元整流侧由6个IGBT组成，储能回路采用电解电容，逆变侧由4个IGBT组成。此种配置可以实现在主泵反转的情况下向电网的能量回馈。每相6个功率单元的设计可以使输出波形达到正弦波。

2.3 控制柜

变频器的控制系统由如下部件构成：NXGII A/B、信号处理板、光纤切换板、光纤切换组件、控制电源、PLC及输入输出元件等。NXGII A/B为变频器的控制核心，包括CPU、系统接口板、调制板等，系统接口板负责处理信号处理板发出的输入输出侧电流和电压信号由模拟信号转化为数字信号，数字信号用于变频器的矢量控制系统，矢量控制由CPU内的电机模型及算法实现。

CPU负责处理电压电流的输入输出信息，并把单元的开关信号送往调制板，同时实现变频器的计量和保护功能。调制板生成单元的调制信号，同时检测单元是否在旁路状态及发送单元的旁路信号到旁路板，旁路板实现单元的旁路。信号处理板负责采集并扫描中压系统输入的电压电流信号和电机输出端的电压电流信号并送往系统接口板。光纤切换组件传输NXGII发出的功率单元开关信号至功率单元及功率单元至NXGII的反馈信号，并在一个NXGII失效时传输光纤切换板的切换信号。

2.4 冷却柜

冷却柜包括两套冷却系统：第一套冷却系统由冷却水箱、水泵及相应的管道阀门组件组成，正常情况下冷却水通过两台泵经由变压器、功率单元、三通阀、温度调节阀进行循环，当温度调节阀检测到变压器或功率单元的出口水温较高时，温度调节阀打开，使冷却水通过热交换器进行冷却；第二套冷却系统为热交换器系统，冷却介质为电厂设备冷却水。当检测到温度调节阀故障时，即温度调节阀的出口温度大于入口温度时，三通阀打开，冷却水直接流入热交换器。冷却系统配置了一个PLC来控制电机启停及传输冷却系统的信号，冷却系统的控制逻辑为冷却系统的单一故障不会导致变频器的停机，当且仅当冷却系统某一故障且主系统检测到温度报警时，由控制核心触发变频器停机。

3 变频器启停控制

为了防止中压的突然加压对变频器单元中的电容器造成损坏，变频器采用预充电技术，即通过变压器二次侧第19个副边绕组给变压器反向送电来逐渐给电容器充电，充电完成后再合上常规岛中压馈线断路器。

主泵额定转速1800rpm，变频器的调速区间为0%、23.6%、50%、87.8%、100%。在主泵启动时，一回路冷却剂回路的水流可能会造成主泵反转，变频器启动后需要尽快将主泵置于正转且速度必须高于300rpm以维持主泵的屏蔽泵轴承水膜厚度。考虑到主泵启停、运行过程中可能出现的暂态过程，西屋公司将此速度调整到23.6%，为尽快脱离此危险速度范围，变频器的调速速度为：（1）-1800～-300rpm，调速速度为0.5Hz/s；（2）-300～425rpm，

调速速度为7Hz/s；（3）425～1800rpm，调速速度为0.5Hz/s。

在主泵反转向正转调整过程中，变频器能量回馈至电网。当主泵速度达到425rpm后，电厂控制系统启动集中控制，将四台变频器同时升速至1800rpm。而主泵正常或紧急停运时，则允许主泵惰转，不由变频器回馈能量。

4 变频器可靠性分析

变频器的可靠性体现硬件配置和故障情况时变频器的响应，变频器的硬件配置采用冗余配置，且在故障时采用中性点漂移技术以保障电机的电压。

4.1 硬件配置的冗余性

硬件配置的冗余性包括：（1）两套互为备用的控制系统，如控制核心NXGII A/B及相应的I/O卡件、PLC等；（2）冗余的输入、输出信号采集系统，输入侧配置了两套电压变送器和电流互感器以检测输入侧的电压和电流信号，输出侧配置了两套电压变送器和霍尔元件来检测输出侧的电压和电流；（3）温度测量回路的冗余：变压器原边和副边绕组上各配备了一个RTD和一个温度开关、控制柜的卡件上配置了两套RTD来检测系统温度；（4）冷却系统的冗余：冷却回路包含两台互为备用的泵及热交换系统。

4.2 中性点漂移技术

变频器的控制系统持续监测功率单元的运行情况，当检测到功率单元故障时，首先快速关闭变频器，以防止造成进一步损坏，此时电机工作于发电机状态并在变频器输出端子上产生电压。该电压随时间而衰减，且可以在變频器额定输出电压附近维持几秒钟。如果某个单元被旁路，余下的单元可能无法承受该电压而造成损害。为了防止该损害，变频器在单元被旁路和重新启动之前检查是否能承受电机输出电压。该检查如果能在第一时间内通过，则将单元旁路，变频器可以在故障发生后0.5秒时间内恢复转矩。如果电机电压过高，需要增加延时时间使电压被衰减。旁路掉故障单元后，变频器的电压容量下降。由于电机电压大致和速度成正比，所以变频器能满足应用要求的最大速度也将下降，因此在一个或多个单元发生故障后使电机有效电压最大是十分重要的。下图2为正常情况下功率单元的输出，如果两个单元故障，且没有旁路功能的情况下，其他两相的功率单元也必须停运两个以保证输出电压的平衡，即变频器只能输出60%的电压。而中性点漂移技术可以使变频器在两个单元被旁路的情况下使电机等效为每相有四台功率单元处于运行，即变频器的输出电压为80%。6个单元均可用时输出电压8010V，一个单元旁路时输出电压7342V，两个单元旁路时输出电压6675V，即实现了N+2冗余。

5 结语

2009年，西屋公司对主泵变频器的可用性按照故障树方式进行分析，在18个月的换料周期内可用率达到95.6%，对应于33.5年才发生一次跳闸，变频器配置的冗余性保障了主泵及核电厂的安全运行。

参考文献

[1] 顾军.AP1000核电厂系统与设备[M].北京：原子能出版社，2010.

作者简介：许翀（1984-），男，中核集团三门核电有限公司工程师，研究方向：核电厂调试。

（责任编辑：蒋建华）