AP1000核电站主泵的电气系统分析

王宪坤

（山东核电有限公司，山东 海阳265116）

1 AP1000核电站主泵系统特点

压水堆核电站中的反应堆冷却剂循环泵简称主泵（RCP），它使冷却剂通过反应堆压力容器、蒸汽发生器和冷却剂环路循环，将热量从反应堆堆芯传送到蒸汽发生器，然后由蒸汽发生器传递给二回路系统。鉴于主泵的重要作用及其恶劣的运行环境等因素，其设计、制造、运行和维护都成为核电厂的重点工作。

AP1000核电站的反应堆冷却剂系统为双环路，每个环路分别配置一台蒸汽发生器和两台屏蔽式主泵，两台主泵直接固定在蒸汽发生器的下封头，连接于同一台蒸汽发生器的两台主泵电源分别取自两个高压厂用变压器。主泵的设计压力为17.1 MPa，设计温度为343 ℃，设计流量为17886 m3/h，扬程为111.3 m，转动惯量为668.3 kg·m2；每台机组共4台主泵，分别由汽轮机厂房的四段厂用中压母线供电，供电方式如图1所示。50 Hz、10.5 kV厂用中压母线通过一个中压开关柜送电至变频器柜，正常运行时，变频器输出60 Hz、6.9 kV的电源通过两个串联的核级开关供给主泵的电动机使用。屏蔽泵与传统的轴封泵相比较主要优点是取消了转动密封，无需轴封注入水及引漏水系统，相应的泵、管、阀、滤芯、动力及控制电缆、安全壳贯穿件均取消，减少了辅助系统，消除了全厂断电或轴封损坏时冷却剂大量泄漏的隐患；轴承均为水润滑、水冷却，无需顶轴油和润滑油系统，简化了启动程序，消除了漏油的火灾隐患；取消了过渡段，反应堆压力边界完整性更好、更可靠；泵组紧凑可靠，设计目标是60年免维护。然而，由于屏蔽泵的结构特点，飞轮的转动惯量相对较小，需要在发生全厂停电事故时电气系统仍能延时提供3秒钟的供电来延长泵转动时间。另外，由于主泵启动要求和电动机60 Hz工作电源等原因，需要加装长期运行的变频器。

图1 主泵电气一次系统图Fig.1 RCP electrical system

关于“3秒钟供电”，在核岛主合同中要求，当汽轮机跳闸后至少3秒钟内，主泵的母线电压仍可维持在要求的定值之上，从而保证主泵的流量不小于设计基准事故分析中假设的流量；这就要求汽轮发电机组有足够的转动惯量，以保障无厂外电源、汽轮机又跳闸的极端情况下，汽轮机组惰转持续到发电机出口断路器（因汽轮发电机低电压或励磁过电流原因除外）断开的时间至少为3秒钟。

2 主泵电动机

主泵是一个单级、屏蔽式、高惰性、离心壳式电动泵。它将电动机和所有的转动设备包在一个压力容器内，该容器包括泵壳罩、热屏、定子壳以及定子帽，其设计压力为反应堆冷却剂系统全压运行时的压力值，主泵驱动是单绕组、三相、四级、立式、水冷、鼠笼感应式异步电动机，叶轮和转子的轴包含在压力边界内，泵罩、定子法兰和热屏之间的垫片和顶部密封连接，为泵的密封提供了永久的泄漏保护，所以不需要密封进行限制主泵到泵壳外的泄漏。

屏蔽式主泵电动机与常规电动机的主要区别在于以下5个方面：

1）泵与电动机之间的热屏：在泵壳内泵与电动机之间装设了热屏，热屏上部为高温高压的一回路冷却剂，下部为82 ℃低温低压的电动机冷却剂，热屏内部具有冷却器，利用设备冷却水进行冷却。

2）定转子两个屏蔽罩：电动机定转子之间充满液态冷却剂，采用密封的定子屏蔽罩和转子屏蔽罩，分别形成全封闭的转子和全封闭的定子，隔绝了与冷却剂的直接接触；屏蔽罩为耐腐蚀、非磁性金属合金，强度依靠背部的支撑件支持。

3) 三套轴承：主泵的两个径向轴承分别安装在电动机转子的上部和下部，推力轴承则位于电动机转子非泵侧的底部，轴承利用与轴形成的水膜进行润滑，无论任何运行工况，旋转的带垫片的推力轴承为旋转组件提供正向的轴向位置。

4) 两个飞轮：热套在转子两端的重金属飞轮组件增加了主泵转动惯量，延长惰转时间，确保断电事故时堆芯燃料元件不至烧毁，外部的屏蔽套防止应力腐蚀。电动机的端盖、壳体、热屏法兰、定子壳和主法兰等部件，与冷却剂接触的材料(轴承材料除外)是奥氏体不锈钢、镍-铬-铁合金或者等效抗腐蚀材料。

5) 四个冷却回路：分别为迷宫式密封（在转子与热屏之间的位置，阻隔泵壳腔内的高温冷却剂和电机腔内的低温冷却剂进行热交换）冷却回路、热屏冷却回路、流经定子屏蔽套和转子屏蔽套之间的冷却剂回路和流经电机外套的设备冷却水回路。

电动机转轴的下端为中空结构，靠近铁芯处沿径向开有两个贯穿孔，构成电机内循环冷却回路的水力驱动部分，冷却剂向上流经上部电机，带走定子和转子的热量并润滑上部径向轴承，从电动机上部附近出去，进入一个外部热交换器，由核岛设备冷却水冷却，然后冷却的主冷却剂向下返回至主泵底部，形成循环；定子组件的外围由一部分流经电机定子冷却外套的设备冷却水进行冷却。通过冷却系统的有效工作使电机腔内的冷却剂温度保持在80 ℃以下，定子绕组中的最高温度不大于180 ℃，以此保证绕组绝缘的性能和寿命。因为屏蔽式电动机损耗高、散热困难等特点，绕组采用N级（200 ℃）绝缘等级，并通过耐压试验和耐辐照试验；为保障60年的使用寿命，安装后建议不进行交直流耐压等破坏性试验。

主泵的监测系统主要包括5种方式：在电动机定子线圈中埋入一个电阻温度计，进行定子线圈温度测量；装有一套振动监测系统，用来连续监测泵组的振动，安全壳外读出器包括警告报警和高振动水平报警，同时也向主控室输出报警；4个冗余的电阻温度探测器监测电机循环冷却水的温度，温度高（2/4逻辑）将导致主泵停运，以防止设备冷却水延时损失，同时这些温度计也用于主控显示和生成报警；一个传感器监测电机的转速和转动方向，输入信号到保护和安全监控系统以产生主泵转速低停堆信号，也可以在主控室中产生转速低报警；电压和电流传感器提供电机负载和电压输入的信息。

3 主泵变频器

主泵受反应堆冷却剂的密度、温度、压力等因素影响，需逐步升速、加功率，必须加装变频器；AP1000核电站的每台主泵配有一台西门子ASIRobicon公司生产的WCⅢ-HA型水冷高压大容量变频器。采用变频器的作用和优点主要是：

1）降低了对电机容量和过电流能力的要求，实现了主泵的软启动和无级平滑调速。

2）在正常运行时，将50 Hz、10.5 kV的厂用母线电压调整为更稳定的60 Hz、6.9 kV电源供给主泵电动机。由于主泵是按美国工频60 Hz设计的，我国工频为50 Hz，所以在启动结束后仍然要求变频器连续运行，以解决性能匹配、运行方式等相关问题，同时也减小了电动机的体积和重量、降低了空载电流，同时也降低了厂用母线电源的电压和频率的波动对主泵电动机的影响。

3）无启动过电流问题，主泵电机的寿命消耗慢，同时中低压厂用交流电系统也不会因主泵启动而造成电压陡降，从而造成其他电气设备异常跳闸。

4）由于反应堆冷却剂系统压力高、流量和管径大等原因，在进出口无法设置逆止阀，主泵无防倒转装置，在主泵倒转不超过1530 r/min情况下，变频器能够实现电动机加电制动并将其升为正常转速。

变频器包括隔离变压器、功率转换器、冷却系统以及控制系统，通过使用一套带有防止功率单元失效装置的自动旁路、一套带有备用的冷却系统以及一套双通道控制系统，实现变频器系统的高可靠性。功率转换系统提供了完全的冗余旁路控制，并以毫秒级的频率运行，当两个或三个功率单元发生故障，变频器仍然能够提供主泵全速运行所需的电压。

然而，由于变频器需要长期运行，主泵供电可靠性和效率有所降低，增加了投资和运行费用；且变频器在换流时产生的高次谐波和冲击电压，将对电动机的振动和绝缘带来安全隐患。当失去冷却后变频器很快（数分钟）停运，冷却系统是影响变频器可靠性的重要因素，对电气保护的配置等均有影响。另外，启动一台主泵时，需要将额定转速运行的主泵降到300 r/min再启动，这是因为正常运行的三台主泵造成的倒灌流量的反力矩较大。

4 主泵1E级断路器

位于反应堆冷却剂环路上的堆芯补水系统，在发生事故时对压力容器堆芯提供补水和硼化，因为主泵的持续运转将干扰堆芯补水的运行，所以在堆芯补水时要求应可靠地迅速跳开主泵；1E级主泵断路器由美国伊顿公司生产，是中压厂用主交流电源系统中唯一提供与安全相关的核级设备，在每台主泵电动机与变频器之间分别配置两台串联的1E级断路器，它的作用就是在接到保护和安全监控系统跳闸命令后能够可靠的跳开主泵电源；由于变频器输出电源的频率变化，要求1E级断路器必须全频率范围内的断开能力都要好。

5 结束语

主泵厂商产品的可靠性在美国军工和核电系统的长期运行中得到了充分的验证，但是带有飞轮这么大容量的主泵还是第一次生产制造，更没有同类型产品的运行经验，主泵与变频器的原型机正在进行耐久试验。为主泵和变频器提供冷却水源的核岛设备冷却水系统也是影响主泵系统安全运行的一个重要环节；主泵的轴承、定子引出线陶瓷密封端子、屏蔽套材料、外置热交换器、不锈钢的外壳等部分关键部件在技术引进和国产化等受到多方面因素的制约。基于屏蔽泵在美国核动力舰艇和核电厂长期的高可靠性运行事实以及屏蔽泵的独特优势，未来必将应用于更多的行业和领域；转动惯性较大的可变频大容量屏蔽泵系统的技术引进不仅有利于AP1000三代核电技术的消化和改进，更有利于带动国内泵和电机类制造业的技术更新和其他相关行业的快速发展。

[1]林诚格. 非能动安全先进核电厂AP1000[M]. 北京：原子能出版社，2008.（LIN Cheng-ge. Passive Safety of Advanced AP1000 Nuclear Power Plant[M]. Beijing:Atomic Energy Press,2008.）

[2]王正茂，阎治安，崔新艺，等. 电机学[M]. 西安：西安交通大学出版社.（WANG Zheng-mao, YAN Zhi-an, CUI Xin-yi, et al. Electromechanics[M]. Xi'an: Xi'an Jiaotong University Press.）