三門核電主泵變頻器運行風險分析及應對策略

摘要：三門核電采用AP1000機組，主泵配置有變頻器（VFD）。VFD在主泵啟動和反應堆冷卻劑系統加熱階段可調節主泵轉速，防止電機在啟動時過電流以及在冷卻劑低溫狀態下電機超負荷運行，從而最大程度地降低了電機的容量并取消了傳統的防倒轉裝置，減少了主泵的維修工作量。但是由于VFD的核心部件為電力電子元件且需要與主泵同時運行，因而增加了電廠的運行風險并影響了電廠的經濟性。文章旨在對運行風險產生的原因進行分析并提出應對策略。

關鍵詞：三門核電；AP1000；主泵；變頻器；VFD；運行風險分析 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM921 文章編號：1009-2374（2015）24-0056-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.028

1 概述

三門核電采用AP1000機組，其主冷卻劑系統包括兩個環路，每個環路設置一臺蒸汽發生器，每臺蒸汽發生器配置兩臺主泵，主泵直接與蒸汽發生器的下封頭連接，取消了傳統壓水堆主冷卻劑系統中的過渡段設計。AP1000主泵為全密封式的屏蔽電動泵，由美國EMD公司制造。主泵為立式、單級離心泵，葉輪直接連接在電機轉子輪軸上，電機的定子和轉子均密閉在耐腐蝕的屏蔽套中，并承受反應堆冷卻劑系統壓力。AP1000主泵取消了主泵軸封設計，消除了因軸封失效而導致失水事故的可能性，提高了電廠的安全性，也減小了泵的維修工作量。每臺主泵都配置有變頻器（下文中均已以VFD表示），VFD與主泵同時運行。VFD可降低冷態工況時的主泵的轉速和電機功率，從而最大限度地縮小電機尺寸。

2 VFD簡介

AP1000主泵采用西門子生產的WC-III HA水冷完美無諧波變頻器（單元串聯多電平PWM電壓源型變頻器），該變頻器具有諧波分量小、功率因數高、輸出波形好的優點。三門核電AP1000所用變頻器的每相由6個額定電壓為750V的功率單元串聯而成，輸出的相電壓可達到4.5kV、線電壓7.79kV。改變每相功率單元的串聯個數或功率單元的輸出電壓等級，就可以實現不同電壓等級的高壓輸出。

WC-III HA型變頻器配置有功率單元旁路功能和中性點偏移技術以提高電機運行的可靠性，如圖1和圖2所示。通過以上技術，三門核電配置的變頻器功率單元具備N-2冗余的能力，即在2個功率單元失效的情況下，變頻器仍然能夠提供三相對稱的交流電壓以滿足主泵電機額定運行電壓的需求。

圖1 正常運行時功率單元的輸出

圖2 A相兩個功率單元被旁路時的輸出

3 AP1000主泵運行限制條件與保護信號

3.1 AP1000主泵的運行限制條件

（1）當一回路溫度小于274℃時，需要限制主泵轉速不超過88%；（2）當反應堆冷卻劑系統溫度大于 71℃時，至少要保證一臺主泵處于運行狀態，以保證一回路各處溫度和化學性質均勻；（3）當反應堆冷卻劑系統溫度大于66℃時，必須維持CCS向主泵供應冷卻水；（4）如果有主泵處于運行狀態，那么Ⅰ環路至少要有一臺主泵運行以防止PRHR HX中出現逆流；（5）如果有主泵處于運行狀態，那么停運主泵的轉速（正轉或反轉）必須大于300rpm以維持軸承潤滑水膜的厚度。

3.2 主泵相關的反應堆停堆和專設安全設施驅動信號

（1）RCS任一熱段流量低于90%額定流量，觸發反應堆停堆；（2）任意兩臺主泵轉速低于91%額定轉速，觸發反應堆停堆；（3）以上兩個信號受P-10信號（反應堆功率量程>10額定功率）閉鎖；（4）任一主泵軸承冷卻水溫度高于85℃，觸發反應堆停堆，關閉設備冷卻水系統安全殼隔離閥并停運所有主泵；（5）堆芯補水箱（CMT）動作時，會停運所有主泵。

4 VFD對于電廠運行造成的風險

4.1 VFD運行方式造成的電廠運行風險

VFD的運行方式是造成電廠運行風險增加的根本原因。按照標準AP1000的設計，VFD只是在反應堆啟動和停堆冷卻階段，主泵進行轉速調整時使用。在主泵達到額定轉速之后，特別是在機組功率運行期間，VFD處于旁路狀態，即中壓母線直接向主泵電機供電，VFD不需要隨主泵連續運行，其有效運行時間要遠小于電廠的運行時間；并且在電廠正常運行時可以開展VFD的設備維護和部件更換等工作。但是，由于AP1000主泵電機的額定轉速（1789rpm）及主泵葉輪是按照60Hz進行設計，而中國交流電的工頻為50Hz，三門核電的VFD必須與主泵電機同時運行，才能維持主泵在額定轉速，以滿足反應堆冷卻劑流量的要求。因此，在電廠功率運行狀態下，一旦變頻器出現故障而不能維持主泵100%轉速運行，就可能造成主泵運行異常甚至停泵，從而觸發反應堆停堆。單臺或多臺主泵停運會使堆芯的強迫冷卻能力降低，甚至需要依靠自然循環帶走堆芯衰變熱，對堆芯和RCS產生熱沖擊，增加了非能動專設安全設施動作和堆芯過熱的概率，降低了核電廠的經濟性。

4.2 設備性能本身造成的電廠運行風險

VFD的核心部件為電力電子部件，受部件本身的壽命及運行特性所限，會影響到VFD的正常運行，在瞬態工況下使電廠的運行可靠性受到影響。

4.2.1 VFD對供電連續性的要求降低了廠用電源快速切換的可靠性。為了保證VFD的正常運行，中壓母線電源的快速切換時間限制為100ms。根據已經完成的中壓母線電源快切試驗數據來看，在中壓母線不帶載且不考慮兩路獨立廠外電源相角差的前提下，快速切換的時間在101ms左右。因此，在實際的運行過程中，當發變組保護動作觸發電源快速切換時，VFD極有可能由于快切時間不滿足要求而停運，從而造成主泵停泵并觸發反應堆

停堆，增加了堆芯在喪失一路廠外電源時的運行風險。

4.2.2 VFD設備部件的壽命影響反應堆的正常運行。根據某變頻器廠家的經驗，VFD功率單元使用的IGBT組件的壽命在保養得當的情況下，可達到8至10年。另外，為保證冷卻水的水質，VFD冷卻單元配置有專門的除鹽裝置，該裝置的壽命為1～2年，在冷卻水電導率達到5μs/cm，則需要停運VFD對除鹽裝置進行更換。因此，電廠運行的過程中會出現由于VFD部件的壽命到期而必須停堆停泵以實施部件更換工作的情況，增加了電廠計劃外停堆的可能性。

4.2.3 VFD冷卻單元可達性影響維護工作的開展。VFD的冷卻單元布置十分緊湊，在其屏柜內沒有預留足夠的維修空間，當設備部件出現異常時，維修人員難以在短時間內完成異常情況的處理，VFD可能會由于冷卻單元的小故障無法及時處理而造成整臺設備的停運。另外，由于冷卻單元的可達性不佳，也會造成VFD的維修時間延長，影響電廠的經濟性。

4.3 VFD在實際運行經驗中發生的事件和故障匯總

西門子完美諧波系列變頻器在核電廠已經積累了一定的運行業績，以下為該系列變頻器在核電廠運行過程中發生事件和故障的整理和匯總。

4.3.1 控制系統故障。（1）功率單元旁路接觸器控制回路故障，將已經被旁路的故障功率單元重新接入系統當中，造成VFD跳閘；（2）直流電壓信號偏差過大造成直流接地信號，觸發直流接地保護動作，VFD跳閘；（3）控制系統總線模塊失效造成VFD跳閘；（4）電廠集成控制系統信息擁堵造成VFD對來自電廠控制系統的指令沒有響應。

4.3.2 冷卻系統失效。（1）輸入隔離變壓器冷卻水接管泄漏；（2）冷卻水接管和材料選型存在缺陷，造成冷卻水泄漏。

4.3.3 現場錯誤的技術方案或操作失誤。（1）由于功率單元的更換和系統重置，使得之前對VFD升速限制的修改被消除；（2）現場維護人員對于新技術的情況不夠了解，造成VFD的參數設定錯誤，致使VFD在進行維修后試驗時不能啟動。

4.3.4 安裝和維護工作不當。（1）功率單元內C12電容內殘存的空氣受熱膨脹，造成8個功率單元性能下降，但是在之前的預防性維修項目中，沒有對電容的狀況進行檢查；（2）與CT相連的屏蔽電纜與柜內接地線距離太近，以致電纜的屏蔽不足，觸發電機接地過電流保護動作；（3）由于電纜接頭在安裝時緊固不足，運行過程中電纜與終端之間諧振產生的循環應力造成電纜脫落。

5 應對策略

主泵變頻器（VFD）為非安全相關設備，但是受制于主泵的設計和VFD的運行方式，在VFD故障或者電廠運行瞬態時易造成電廠計劃外停堆，影響核電廠的經濟性，也增加了觸發非能動專設安全設施的風險。針對VFD對于電廠運行造成的風險，主要的應對策略包括兩方面：一是在出現故障后及時穩定電廠的狀態，防止事件擴大；二是加強設備狀態的跟蹤和維護，減少故障發生的可能性

并盡量縮短維修時間。具體可采取的應對策略如下：

第一，電廠在正常運行期間發生VFD故障，應視為主泵故障進行處理。運行人員應進入相應的故障運行規程；如VFD不能維持主泵運行在100%轉速，運行人員則需要實施緊急停堆，進入應急響應規程以穩定電廠狀態。進入相關規程之后，運行人員根據電廠的實際工況調整可運行主泵的轉速，以維持主冷卻劑的強迫循環，同時保證所有主泵的轉速（正轉或反轉）在300rpm以上。在電廠狀態穩定之后，應立即聯系VFD的維修工作，盡快恢復主泵的運行。

第二，根據WC-III HA型變頻器的運行經驗編制備品備件的配置方案，適當增加備品備件范圍和數量，特別要關注除鹽裝置、功率單元備件等易耗元件的配置數量。在VFD出現故障時，采取“先換后修”的方式，優先采用備件對故障元件進行更換，縮短VFD的維修時間，提高維修效率，盡量縮短主泵和反應堆的停運時間。

第三，建立VFD，特別是VFD易耗部件的狀態檢查和壽命跟蹤機制。在制定電廠的停堆換料計劃時，也應考慮VFD部件的壽命問題，盡量在換料大修期間完成VFD的檢查、維護和部件更換工作，避免由于VFD的問題造成電廠的計劃外停堆。

第四，根據已有的WC-III HA型變頻器的運行經驗完善VFD的維護方案，維護方案應能夠覆蓋運行電廠出現過的所有問題，并通過定期檢查和維護工作及時發現并予以處理，杜絕同類問題重復發生。

第五，加強VFD在單體調試過程中的檢查力度，確保設備的安裝質量滿足設備規格書的要求。對于運行經驗中出現過故障或者問題的部件，應重點檢查，降低運行過程中設備故障的概率。

第六，VFD為高集成度的成套設備，設備維修的難度大，應與設備廠家建立快速響應渠道，在需要維修時確保廠家能夠及時到達現場處理問題，盡量縮短由于等待廠家人員而造成的維修時間。

6 結論

AP1000主泵變頻器在主泵的啟動和升溫階段，能夠有效控制電機轉速，降低電機功率。另外，VFD還具備制動再生功能，在主泵取消了防倒轉裝置的情況下能夠實現零轉速軟啟動，限制了電機的啟動電流并降低了主泵啟動時對于冷卻劑回路的水錘效應。但是，由于三門核電主泵的VFD需要與主泵同時運行，增加了VFD故障造成反應堆停堆的幾率，影響了電廠的經濟性，增加了專設安全設施觸發的風險。為保證電廠的穩定運行和經濟性，需要采取措施進一步提高VFD的設備可靠性，并做好VFD故障之后的應急響應準備。

作者簡介：陳睿（1982-），男，安徽金寨人，三門核電有限公司運行處反應堆操縱員，工程師，研究方向：三門核電綜合試驗的運行執行。

（責任編輯：陳 倩）