核电厂控制棒驱动机构电源系统研究

核电厂控制棒驱动机构电源系统研究

雷哲

深圳中广核工程设计有限公司 电气所 广东省 深圳市

摘要：核电厂控制棒驱动机构电源系统（以下简称：棒电源系统）给堆芯控制棒驱动机构线圈提供电源，该电源系统要求具有极高的可靠性，即使在厂用电的任何暂态扰动下也要确保供电的连续性和电能质量。目前国内在役和在建的核电机组的棒电源系统可以分为静止式和旋转式两大类，其中静止式又可以分为静止交流式和静止直流式。本文分析了不同形式电源系统的系统构成、运行方式和特点，提出静止直流式系统结构简单可靠，节省设备、空间和投资，维护工作量小，值得后续核电项目的借鉴和推广。

关键词：棒电源系统；旋转式；静止式

RESEARCH ON CONTROL ROD DRIVEN MECHANISM POWER SYSTEM OF NUCLEAR POWER PLANT

Zhe Lei

Abstract: The control rod driven mechanism (CRDM) power system of nuclear power plant (NPP) is used to energize the coils of CRDM in the reactor core. The power system requires high reliability, even in the case of transient disturbance of NPP power system. The CRDM power systems of domestic NPP, including those in service and under construction, are sorted by two type: stationary type and rotational type. This article analyzes different type of CRDM power system from the aspect of system structure, operation pattern etc. The author proposes to adopt stationary type in the upcoming NPP due to its simple structure, reliability, low cost and low maintenance.

Keywords: CRDM power system; rotational type rotational; stationary type

1 引言

核电厂反应堆控制棒分布于燃料组件的间隙中，一般按功能分为停堆控制棒、功率控制棒和温度控制棒。

控制棒驱动机构电源系统主要功能就是给控制棒线圈提供可靠的电源。

棒电源的可靠性关系着堆芯的反应性控制，电源的各种扰动都有可能导致非计划停堆，给电厂经济带来严重影响；另一方面，当出现紧急停堆工况时，又必须可靠的断开三个线圈的电源，以实现所有控制棒的紧急落棒。

1 棒电源系统分类

不同技术路线的核电机组棒电源系统设计形式不一样，目前国内在役和在建的核电机组的棒电源系统根据一次设备类型可以分为旋转式和静止式两大类，其中静止式根据输出电源的不同又可以分为静止交流式和静止直流式。

2 旋转式棒电源系统

2.1 系统介绍

M310堆型和AP1000堆型采用的是旋转式棒电源系统。

该系统设置了2套电动发电机组（以下简称M.G机组），2套M.G机组完全相同，每1套机组都能单独为整个控制棒驱动机构供电，组成2*100％冗余。

在系统正常运行时，2套机组从来自不同高厂变的380V正常交流母线上取电，异步电机带动同轴的发电机旋转发电，2台发电机发出260V的交流电，汇总到交流母线上。

每套M.G组带有一个惯性飞轮，其作用是在380V交流厂用电系统短暂波动时，保证M.G机组输出稳定的260V交流电，避免控制棒失电引起非计划停堆。

在M.G机组和控制棒电源柜之间设置了8个停堆断路器，采用4取2跳闸逻辑，即4个反应堆保护通道来的停堆跳闸命令，每个通道分别控制2个断路器，只有2个通道以上的跳闸命令才能使控制棒驱动机构失电。这样能避免某一保护通道的误动作，也可以实现一列保护通道的临时检修。

2.2 系统特点：

旋转式棒电源系统具有以下特点：

（1）为了保证供电可靠性，减小厂用电电压波动对控制棒线圈电源质量的影响，M.G机组配置惯性飞轮，惯性飞轮可以保证失去380V低压电压1~1.2S，维持发电机输出电压稳定；

（2）由于配置了惯性飞轮，M.G机组的启动时间较常规电机长（约29S），低压厂用配电装置应选用重载型热继电器；

（3）控制棒驱动机构采用半波整流，有较大的直流分量，常规的定子线圈接法容易造成磁路饱而使发电机的负载特性变差，因此发电机定子绕组采用ZIG-ZAG（曲折星）接线形式，可以有效隔离直流分量^[1]。

3 静止交流式棒电源系统

3.1 系统介绍

俄罗斯AES-91堆型采用交流静止式棒电源系统，代表核电站是田湾核电站。

系统中，两路电源分别来自两个高厂变，然后经过2组停堆断路器后，汇总到380V交流母线上，380V交流电源再经过41组变压器转换成250V交流电源，为10组控制棒供电。两路交流电源正常时由一路供电，一路备用。当一路电源出现故障时，可自动切换到第二路交流电源。系统还配置有一路直流110V备用电源，作为第三路电源。当失去两路交流电源后，直流备用回路可以保证控制棒保持在失电前的位置3秒而不会落棒。

此系统的紧急停堆靠两组停堆断路器串联实现，每个停堆断路器分别接受来自2套保护系统的控制。

3.2 系统特点

静止交流式棒电源系统具有以下特点：

（1）设置专用的41台380\250V变压器，给控制棒电源的可控硅整流器供电；

（2）配置有一路专用的直流110V备用电源，作为第三路电源。当失去两路交流电源后，直流备用回路可以保证控制棒保持在失电前的位置3秒而不会落棒。

4 静止直流式棒电源系统

4.1 系统简介

EPR(欧洲压水堆)堆型采用交流静止式棒电源系统，代表核电站是台山核电站。

该系统的棒电源引自2路220V直流不间断电源系统LVP（核岛1列）和LVS（核岛4列）的12h蓄电池出口。

LAL/LAM为控制棒驱动机构供电母线，共包含23面配电柜，为89组控制棒束驱动机构供电。

LAK/LAN为停堆断路器母线，分别设置了两个停堆断路器串联以保证电源的安全可靠断开，同时还设置了二极管实现两路电源的相互隔离。

89个组件每4个组件分为1套，其中中央组件自己为1套，总计23套组件。11套由LAL母线供电，12套（包括1套中央组件）由LAM供电。

此外，在LAL/M母线上，每个出线回路还设置了4个接触器，4个接触器实现4取2功能，保证安全停堆。

4.2 系统特点：

静止直流式棒电源系统具有以下特点：

（1）1，4列两路电源正常时同时为驱动机构供电，它们通过二极管实现相互隔离；

（2）当LVP\LVS母线失电，由12h蓄电池保证系统的正常供电，该蓄电池并非控制棒驱动机构电源系统的专用蓄电池，它具有两个功能，正常运行时它可为控制棒驱动机构供电，当出现严重事故工况时，控制棒均已落棒，驱动机构不再需要供电，它又为应对严重事故工况的相关负荷供电，单列蓄电池容量都能够满足驱动机构所需电能；

（3）4段母线（LVP\LVS\LAL\LAM）分列布置在4个实体隔离的安全厂房内。

5 结论

核电厂棒电源系统可以分为旋转式和静止式，其中静止式分为静止交流式和静止直流式。

旋转式主要应用在M310堆型和AP1000堆型，系统由专设的异步电机、交流发电机和惯性飞轮组成，输出电压260V交流。M310堆型的设备通过国产化，性能较法国进口原型机有了很大的提升。

静止交流式应用在俄罗斯引进的AES-91机型，系统由41台专设的380\250V变压器和专设的蓄电池组构成。

静止直流式应用在ERP堆型，电源引自非专设的UPS系统蓄电池，使用直流直接供电。该系统结构简单可靠，节省设备、空间和投资，维护工作量小，值得后续核电项目的借鉴和推广。

参考文献

[1]刘文静，韩勇，游洲，李朋.核电厂棒电源系统的设计与优化[J].中国核电，2015,8(2):105.