漳州“华龙一号”动、静态棒电源系统研究与分析

叶甲寅，池闯正，吴升国，熊之光，张水龙

(中核国电漳州能源有限公司，福建 漳州 363300)

“华龙一号”是我国具有完全自主知识产权的三代压水堆示范项目，作为民族核电“走出去”战略的主打品牌，采用177个燃料组件的反应堆堆芯、能动和非能动相结合的设计理念、多重冗余的安全系统、单堆布置、双层安全壳等设计方案，全面贯彻“纵深防御”的设计原则，达到了国际三代核电技术的先进水平。“华龙一号”项目建设的顺利推进对提高我国核电自主创新能力，掌握具有自主知识产权核电技术，实现从“核大国”到“核强国”跨越均具有重大战略意义。

漳州核电厂是采用“华龙一号”融合技术的首堆项目，在177个燃料组件中布置了69束控制棒组件来实现反应堆的反应性控制(华龙首堆和M310机组布置61束)，其动力电源引自控制棒驱动机构(CRDM)1至18电源柜，棒电源系统作为控制棒驱动机构的上游电源，其稳定供电直接影响机组的运行。

1 系统功能介绍

在反应堆堆芯中的69束控制棒组件，按功能分为停堆棒组和控制棒组(控制棒组又分为温度控制棒组和功率控制棒组)。棒控系统用于提升、保持和插入控制棒棒束，控制反应堆堆芯的反应性，进而实现堆芯温度和核功率的控制。棒电源系统的主要功能是给棒控系统的控制棒驱动机构提供动力电源。在运行发电期间，需保证能连续不间断、稳定可靠地给控制棒驱动机构的线圈提供电源。如图1所示。

图1 CRDM电源开关柜线路图Fig.1 The circuit diagram of the power swithgear CRDM

2 动态棒电源系统

为确保控制棒驱动机构的线圈电源持续稳定，棒电源系统的每套发电机组设计增加了一个飞轮。当厂用电源失去或受扰动的持续时间未超过1.2 s时，飞轮将以足够的惯性来维持发电机转子的转速，确保发电机的电能质量不受影响，我们将其称之为动态棒电源系统，目前的“华龙一号”均采用该类型系统。

2.1 系统配置

每台机组的动态棒电源系统由两套电动飞轮发电机组(MG：电动机、飞轮、发电机、励磁装置、出口电压调节器、保护装置)、断路器屏和配套的控制屏组成。两套相同的MG同时并列运行100%冗余配置，分别由ERA/ERB不同380 V母线供电，ERA上级电源引自高厂变A1分支的10 kV ESA母线，ERB上级电源引自高厂变A2分支的10 kV ESD母线。

在正常运行期间，两台电动飞轮发电机共同给控制棒驱动机构的线圈提供电源，当其中一路380 V电源失电或者一套电动飞轮发电机发生故障或检修维护时，由另外一套电动飞轮发电机以足够的容量继续给CRDM提供需要的功率。如图2所示。

图2 电动飞轮发电机组示意图Fig.2 The schematic of the electric flywheel generator

2.2 系统特性

MG电动机的特性：异步电动机，卧式安装，鼠笼转子，单方向旋转，绕组为星形连接，防护等级IP55，防尘防水喷溅，自冷模式，绝缘等级“F”。额定功率为135 kW，同步转速1 500 r/min，三相额定电压380 V，失步电压低于0.7Un。

MG飞轮特性：装在电动机和发电机之间，通过半个联轴节用键固定在发电机的轴伸端，当电动机失去电源时间小于1.2 s时，能维持发电机转子转速，保证发电机输出电压的下降不超过10%Un，输出频率的下降不大于12%Fn(U≥342 V，F≥44 Hz)。鉴于飞轮的重要性，其生产过程要求使用限制裂纹和改善裂韧度的工艺加工，防止应力集中(模压、钻孔等)，每个飞轮需要通过应力计算、平衡、超声波进行100%的检查，并按NB/T 20003标准进行检验测试。

MG发电机特性：棒电源系统的负载都是线圈，具有高感特性，发电机也采用相对应的特性设备以满足电源需求，采用带中性线的三相同步发电机，定子绕组采用曲折星形连接，可消除回路中大量的直流分量和高次谐波，降低定子和转子的损耗；输出线电压260 V±5%，直轴超瞬变电抗Xd”<0.1，可抑制输出电压变化率，再配置电压调节器，调节时间0.2～1.2 s，达到维持发电机出口电压稳定；两端轴承为滚动轴承，和端盖齐平，腔室设置铂电阻温度计和振动传感器进行温度和振动监测；定子绕组配置温度计；在励磁回路中装设分流器用于控制柜励磁电流监测和失磁保护。

3 静态棒电源系统

静态棒电源系统是相对于电动飞轮发电机组的动态发电系统而提出的，以整流装置替代发电机，超级电容替代飞轮来确保控制棒驱动机构的线圈电源持续稳定，由两套整流装置、两套储能柜、两套控制柜组成。如图3所示。

图3 静态棒电源系统示意图Fig.3 The schematic of the static bar power system

3.1 整流装置

静态棒电源系统由两路厂用380 V交流电源段供电，两套整流器将厂用电380 V交流电源整流成220 V直流电源，直接给控制棒驱动机构的线圈供电。正常运行期间，两套相同的整流装置同时并列运行，每套整流装置负担50%的负荷。当其中一路交流电源失电或者一套整流装置故障、检修维护时，由另外一套整流装置以足够的容量继续负担控制棒驱动机构线圈100%的负荷。高频模块式整流设备运行效率高，噪音小，灵活采用“N+X”的并联结构设计提高系统运行可靠性，同时热插拔模块式设计大幅降低了系统维护时间。

3.2 储能柜

储能柜采用超级电容，具有大功率输出和能接受大电流充放电等优点，可以在较小的占地面积下提供短时间的高功率，充放电寿命高达百万次的优势，可以在保证储能柜寿命的情况下缓冲控制棒运动引起的电流大幅度变化，使整流柜输出平稳，减小整流柜的容量需求。超级电容相对于常规铅酸蓄电池而言，有着本质的区别。超级电容的储能过程是物理过程，电池储能是化学反应的过程，超级电容的功率特性要好于电池，可以大电流快速充放电，电池的能量密度要比超级电容高，同等体积下电池储存的能量要多。

根据运行工况需要，储能柜是代替飞轮的功能需求，当外部输入电源中断或异常的时间未超过1.2秒时，需要继续保证控制棒驱动机构的线圈电源持续稳定，超级电容具备大电流快速充放电的功能，比铅酸蓄电池更适用于棒控电源系统。

4 差异性分析

动、静态棒电源系统的功能目的都是确保控制棒驱动机构的线圈电源持续稳定，实现功能的方式和日常维护却有所不同，将从原理、结构、维护、安全、成本五个方面进行差异性分析。

4.1 原理对比

动态或静态棒电源系统都能给控制棒驱动机构的线圈提供稳定可靠的电源，但是两者实现的原理和方式完全不一样，设备参数和配置的保护也不一样。

动态棒电源系统采用电能转化成机械能，机械能再转化成电能，经过飞轮和发电机的作用，瞬时输出最大功率可达127 kW，使发电机出口电压稳定在260 V，通过停堆断路器组合和三相棒控电源分配柜送出，再经过整流后作为控制棒驱动机构的线圈电源。在最多控制棒运行工况下，能抵御外部输入电源中断或波动的时间超过1.2 s。

静态棒电源系统采用380 V交流电整流成220 V直流电，再加上储能柜的超级电容，瞬时输出最大电流可达到1 200 A，通过控制柜的断路器直接作为控制棒驱动机构的线圈电源。在最多控制棒运行工况下，能抵御外部输入电源中断或波动的时间超过3 s。

4.2 结构对比

动、静态棒电源系统的主设备不一样，其安装要求、占地面积、辅助支撑系统也有明显的不同。

在安装要求方面，动态棒电源系统的每套MG机组部件(电动机、飞轮和发电机)安装在共用的底座上，共用底座需要与基础预埋螺栓连接，固定后还需要用垫片进行调整和校正。为了使电动机和发电机保持在同一水平线，MG机组还需要在电动机驱动/非驱动端轴承腔室、发电机驱动/非驱动端轴承腔室水平方向和垂直方向的配置振动测量。而静态棒电源系统的则由整流装置柜子组成，柜体安装底座和振动方面与核岛开关柜一样，满足抗震要求即可。

在占地面积方面，动态棒电源系统的2台电动发电机组、3个控制柜、3面断路器屏占地面积约70 m2。静态棒电源系统4台整流装置、4台超级电容柜、3个控制柜占地面积约40 m2。如图4所示。

在辅助支撑系统方面，动态棒电源系统的MG机组在安装、调试、维护时都需要吊车配合。静态棒电源系统则不用配置吊车。

图4 动、静态棒电源设备布置图Fig.4 The layout of the dynamic and static bar power equipment

4.3 维护对比

动、静态棒电源系统的设备数量差异较大，导致维护方面也存在一定的差异。

动态棒电源系统较为复杂，零部件种类多，调试复杂。特别对电动机和发电机的安装要求都比较高，振动和温度测点较多，检修更换轴承工作难度较大，对中精度要求非常高，其检修质量决定了设备寿命和运行的稳定性，检修维护过程都需要吊车配合。

静态棒电源系统较为简单，每面整流柜由多个整流模块组成，采用冗余整流模块设计，灵活采用了“N+X”的并联结构设计提高系统运行可靠性，在单个模块故障情况下仍能满足供电需求，可在线抽出故障的整流模块，维护较为简单。整流模块内部的电子产品质量决定了设备运行寿命。

4.4 安全对比

在运行稳定方面，动态棒电源系统配备的保护较多，设有差动保护、逆功率保护、过流保护、励磁保护、低频保护、振动和温度保护，任一保护动作都会触发对应的MG机组停运，由另一台MG机组提供电源。因此，两台MG机组还要具备在带载状态下同期并车的功能。根据运维经验，影响系统安全或非停故障较多的是MG机组轴承磨损导致振动高。

静态棒电源系统相对较为简单，无需配置振动方面的保护，仅设有过流保护、过热保护、接地保护。在整流装置的供电回路中，采用整流模块冗余设计，单个模块故障情况下仍能满足最多控制棒运行工况的供电需求。根据核电厂直流系统运行经验，整流模块发生异常或故障较多是内部板卡及电子元器件的质量问题导致，整体运行相对稳定。

4.5 综合对比

在核电厂成本方面，棒电源系统的成本由设计、设备(包含样机)、特殊工具、备品备件、消耗品、维护等方面构成。动态棒电源系统的设备、特殊工具、备品备件、维护方面均高于静态棒电源系统。静态棒电源系统有着明显的价格优势，且能满足”华龙一号”设计接口需求。动、静态棒电源系统综合对比如表1所示。

表1 动、静态棒电源系统综合对比

5 结论

动态棒电源系统作为控制棒驱动机构的上游电源，是目前已投运核电厂的主流配置，系统较为复杂，设备造价及维护成本也相对较高。随着直流整流和储能技术的不断发展，基于超级电容技术的静态棒电源系统有着一定的优势。核电厂有电流大于1 000 A的安全级直流开关柜的应用，若能满足直流停堆断路器屏的要求，静态棒电源系统将逐步替代动态棒电源系统。