三门核电主泵变频器运行风险分析及应对策略

摘要：三门核电采用AP1000机组，主泵配置有变频器（VFD）。VFD在主泵启动和反应堆冷却剂系统加热阶段可调节主泵转速，防止电机在启动时过电流以及在冷却剂低温状态下电机超负荷运行，从而最大程度地降低了电机的容量并取消了传统的防倒转装置，减少了主泵的维修工作量。但是由于VFD的核心部件为电力电子元件且需要与主泵同时运行，因而增加了电厂的运行风险并影响了电厂的经济性。文章旨在对运行风险产生的原因进行分析并提出应对策略。

关键词：三门核电；AP1000；主泵；变频器；VFD；运行风险分析 文献标识码：A

中图分类号：TM921 文章编号：1009-2374（2015）24-0056-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.028

1 概述

三门核电采用AP1000机组，其主冷却剂系统包括两个环路，每个环路设置一台蒸汽发生器，每台蒸汽发生器配置两台主泵，主泵直接与蒸汽发生器的下封头连接，取消了传统压水堆主冷却剂系统中的过渡段设计。AP1000主泵为全密封式的屏蔽电动泵，由美国EMD公司制造。主泵为立式、单级离心泵，叶轮直接连接在电机转子轮轴上，电机的定子和转子均密闭在耐腐蚀的屏蔽套中，并承受反应堆冷却剂系统压力。AP1000主泵取消了主泵轴封设计，消除了因轴封失效而导致失水事故的可能性，提高了电厂的安全性，也减小了泵的维修工作量。每台主泵都配置有变频器（下文中均已以VFD表示），VFD与主泵同时运行。VFD可降低冷态工况时的主泵的转速和电机功率，从而最大限度地缩小电机尺寸。

2 VFD简介

AP1000主泵采用西门子生产的WC-III HA水冷完美无谐波变频器（单元串联多电平PWM电压源型变频器），该变频器具有谐波分量小、功率因数高、输出波形好的优点。三门核电AP1000所用变频器的每相由6个额定电压为750V的功率单元串联而成，输出的相电压可达到4.5kV、线电压7.79kV。改变每相功率单元的串联个数或功率单元的输出电压等级，就可以实现不同电压等级的高压输出。

WC-III HA型变频器配置有功率单元旁路功能和中性点偏移技术以提高电机运行的可靠性，如图1和图2所示。通过以上技术，三门核电配置的变频器功率单元具备N-2冗余的能力，即在2个功率单元失效的情况下，变频器仍然能够提供三相对称的交流电压以满足主泵电机额定运行电压的需求。

图1 正常运行时功率单元的输出

图2 A相两个功率单元被旁路时的输出

3 AP1000主泵运行限制条件与保护信号

3.1 AP1000主泵的运行限制条件

（1）当一回路温度小于274℃时，需要限制主泵转速不超过88%；（2）当反应堆冷却剂系统温度大于 71℃时，至少要保证一台主泵处于运行状态，以保证一回路各处温度和化学性质均匀；（3）当反应堆冷却剂系统温度大于66℃时，必须维持CCS向主泵供应冷却水；（4）如果有主泵处于运行状态，那么Ⅰ环路至少要有一台主泵运行以防止PRHR HX中出现逆流；（5）如果有主泵处于运行状态，那么停运主泵的转速（正转或反转）必须大于300rpm以维持轴承润滑水膜的厚度。

3.2 主泵相关的反应堆停堆和专设安全设施驱动信号

（1）RCS任一热段流量低于90%额定流量，触发反应堆停堆；（2）任意两台主泵转速低于91%额定转速，触发反应堆停堆；（3）以上两个信号受P-10信号（反应堆功率量程>10额定功率）闭锁；（4）任一主泵轴承冷却水温度高于85℃，触发反应堆停堆，关闭设备冷却水系统安全壳隔离阀并停运所有主泵；（5）堆芯补水箱（CMT）动作时，会停运所有主泵。

4 VFD对于电厂运行造成的风险

4.1 VFD运行方式造成的电厂运行风险

VFD的运行方式是造成电厂运行风险增加的根本原因。按照标准AP1000的设计，VFD只是在反应堆启动和停堆冷却阶段，主泵进行转速调整时使用。在主泵达到额定转速之后，特别是在机组功率运行期间，VFD处于旁路状态，即中压母线直接向主泵电机供电，VFD不需要随主泵连续运行，其有效运行时间要远小于电厂的运行时间；并且在电厂正常运行时可以开展VFD的设备维护和部件更换等工作。但是，由于AP1000主泵电机的额定转速（1789rpm）及主泵叶轮是按照60Hz进行设计，而中国交流电的工频为50Hz，三门核电的VFD必须与主泵电机同时运行，才能维持主泵在额定转速，以满足反应堆冷却剂流量的要求。因此，在电厂功率运行状态下，一旦变频器出现故障而不能维持主泵100%转速运行，就可能造成主泵运行异常甚至停泵，从而触发反应堆停堆。单台或多台主泵停运会使堆芯的强迫冷却能力降低，甚至需要依靠自然循环带走堆芯衰变热，对堆芯和RCS产生热冲击，增加了非能动专设安全设施动作和堆芯过热的概率，降低了核电厂的经济性。

4.2 设备性能本身造成的电厂运行风险

VFD的核心部件为电力电子部件，受部件本身的寿命及运行特性所限，会影响到VFD的正常运行，在瞬态工况下使电厂的运行可靠性受到影响。

4.2.1 VFD对供电连续性的要求降低了厂用电源快速切换的可靠性。为了保证VFD的正常运行，中压母线电源的快速切换时间限制为100ms。根据已经完成的中压母线电源快切试验数据来看，在中压母线不带载且不考虑两路独立厂外电源相角差的前提下，快速切换的时间在101ms左右。因此，在实际的运行过程中，当发变组保护动作触发电源快速切换时，VFD极有可能由于快切时间不满足要求而停运，从而造成主泵停泵并触发反应堆

停堆，增加了堆芯在丧失一路厂外电源时的运行风险。

4.2.2 VFD设备部件的寿命影响反应堆的正常运行。根据某变频器厂家的经验，VFD功率单元使用的IGBT组件的寿命在保养得当的情况下，可达到8至10年。另外，为保证冷却水的水质，VFD冷却单元配置有专门的除盐装置，该装置的寿命为1～2年，在冷却水电导率达到5μs/cm，则需要停运VFD对除盐装置进行更换。因此，电厂运行的过程中会出现由于VFD部件的寿命到期而必须停堆停泵以实施部件更换工作的情况，增加了电厂计划外停堆的可能性。

4.2.3 VFD冷却单元可达性影响维护工作的开展。VFD的冷却单元布置十分紧凑，在其屏柜内没有预留足够的维修空间，当设备部件出现异常时，维修人员难以在短时间内完成异常情况的处理，VFD可能会由于冷却单元的小故障无法及时处理而造成整台设备的停运。另外，由于冷却单元的可达性不佳，也会造成VFD的维修时间延长，影响电厂的经济性。

4.3 VFD在实际运行经验中发生的事件和故障汇总

西门子完美谐波系列变频器在核电厂已经积累了一定的运行业绩，以下为该系列变频器在核电厂运行过程中发生事件和故障的整理和汇总。

4.3.1 控制系统故障。（1）功率单元旁路接触器控制回路故障，将已经被旁路的故障功率单元重新接入系统当中，造成VFD跳闸；（2）直流电压信号偏差过大造成直流接地信号，触发直流接地保护动作，VFD跳闸；（3）控制系统总线模块失效造成VFD跳闸；（4）电厂集成控制系统信息拥堵造成VFD对来自电厂控制系统的指令没有响应。

4.3.2 冷却系统失效。（1）输入隔离变压器冷却水接管泄漏；（2）冷却水接管和材料选型存在缺陷，造成冷却水泄漏。

4.3.3 现场错误的技术方案或操作失误。（1）由于功率单元的更换和系统重置，使得之前对VFD升速限制的修改被消除；（2）现场维护人员对于新技术的情况不够了解，造成VFD的参数设定错误，致使VFD在进行维修后试验时不能启动。

4.3.4 安装和维护工作不当。（1）功率单元内C12电容内残存的空气受热膨胀，造成8个功率单元性能下降，但是在之前的预防性维修项目中，没有对电容的状况进行检查；（2）与CT相连的屏蔽电缆与柜内接地线距离太近，以致电缆的屏蔽不足，触发电机接地过电流保护动作；（3）由于电缆接头在安装时紧固不足，运行过程中电缆与终端之间谐振产生的循环应力造成电缆脱落。

5 应对策略

主泵变频器（VFD）为非安全相关设备，但是受制于主泵的设计和VFD的运行方式，在VFD故障或者电厂运行瞬态时易造成电厂计划外停堆，影响核电厂的经济性，也增加了触发非能动专设安全设施的风险。针对VFD对于电厂运行造成的风险，主要的应对策略包括两方面：一是在出现故障后及时稳定电厂的状态，防止事件扩大；二是加强设备状态的跟踪和维护，减少故障发生的可能性

并尽量缩短维修时间。具体可采取的应对策略如下：

第一，电厂在正常运行期间发生VFD故障，应视为主泵故障进行处理。运行人员应进入相应的故障运行规程；如VFD不能维持主泵运行在100%转速，运行人员则需要实施紧急停堆，进入应急响应规程以稳定电厂状态。进入相关规程之后，运行人员根据电厂的实际工况调整可运行主泵的转速，以维持主冷却剂的强迫循环，同时保证所有主泵的转速（正转或反转）在300rpm以上。在电厂状态稳定之后，应立即联系VFD的维修工作，尽快恢复主泵的运行。

第二，根据WC-III HA型变频器的运行经验编制备品备件的配置方案，适当增加备品备件范围和数量，特别要关注除盐装置、功率单元备件等易耗元件的配置数量。在VFD出现故障时，采取“先换后修”的方式，优先采用备件对故障元件进行更换，缩短VFD的维修时间，提高维修效率，尽量缩短主泵和反应堆的停运时间。

第三，建立VFD，特别是VFD易耗部件的状态检查和寿命跟踪机制。在制定电厂的停堆换料计划时，也应考虑VFD部件的寿命问题，尽量在换料大修期间完成VFD的检查、维护和部件更换工作，避免由于VFD的问题造成电厂的计划外停堆。

第四，根据已有的WC-III HA型变频器的运行经验完善VFD的维护方案，维护方案应能够覆盖运行电厂出现过的所有问题，并通过定期检查和维护工作及时发现并予以处理，杜绝同类问题重复发生。

第五，加强VFD在单体调试过程中的检查力度，确保设备的安装质量满足设备规格书的要求。对于运行经验中出现过故障或者问题的部件，应重点检查，降低运行过程中设备故障的概率。

第六，VFD为高集成度的成套设备，设备维修的难度大，应与设备厂家建立快速响应渠道，在需要维修时确保厂家能够及时到达现场处理问题，尽量缩短由于等待厂家人员而造成的维修时间。

6 结论

AP1000主泵变频器在主泵的启动和升温阶段，能够有效控制电机转速，降低电机功率。另外，VFD还具备制动再生功能，在主泵取消了防倒转装置的情况下能够实现零转速软启动，限制了电机的启动电流并降低了主泵启动时对于冷却剂回路的水锤效应。但是，由于三门核电主泵的VFD需要与主泵同时运行，增加了VFD故障造成反应堆停堆的几率，影响了电厂的经济性，增加了专设安全设施触发的风险。为保证电厂的稳定运行和经济性，需要采取措施进一步提高VFD的设备可靠性，并做好VFD故障之后的应急响应准备。

作者简介：陈睿（1982-），男，安徽金寨人，三门核电有限公司运行处反应堆操纵员，工程师，研究方向：三门核电综合试验的运行执行。

（责任编辑：陈 倩）