AP1000主泵变频器的应用及故障风险评估

田少新，袁 牧

（国核工程有限公司，上海 2 00233）

AP1000主泵变频器的应用及故障风险评估

田少新，袁 牧

（国核工程有限公司，上海 2 00233）

AP1000主泵电源系统采用罗宾康WC Ⅲ-HA完美无谐波高压变频器，6个变频功率单元串联实现直接高压输出。变频器采用NXG-A和NXG-B两套控制器，可实现完美切换。多重化功率单元结构、旁路功能及中性点偏移技术的应用，保证了变频器的完美无谐波输出。文章通过对变频器可能出现的故障进行分析及风险评估，并提出相应故障的应对及改进措施，以便减少其故障率，提高经济效益，从而更好地发挥出AP1000技术的优越性。

变频器；应用；故障分析；故障应对

AP1000一回路采用两个环路，每个环路位于蒸汽发生器的下部冷管段，其上各装有一台冷却剂泵，将蒸汽发生器的水经过冷管道送到压力容器中。反应堆冷却剂泵采用的是EMD公司生产的屏蔽泵，此电机设计参数是：频率60 Hz、额定电压6.9 kV、转速1 800 r/min，电机绝缘为H级。而AP1000中压电源系统是10.5 kV、50 Hz；为了与屏蔽电机参数相匹配，屏蔽电机电源系统采用了美国罗宾康公司（ROBICON）生产的WC Ⅲ水冷完美无谐波变频器；应用于AP1000反应堆冷却剂泵的变频启动，并将工频50 Hz的电源转换成反应堆冷却剂泵运行所需的60 Hz电源，电压降低至电机的额定值6.9 kV。以下为WC Ⅲ-HA水冷完美无谐波变频器原理及应用。

1 VFD原理及特点分析

1.1 VFD原理

美国罗宾康公司（ROBICON）生产的WCⅢ-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）是一种性能参数非常完美的变频器。它采用6个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器具有谐波分量小、功率因数高、输出波形好的优点，不存在由于谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动、噪声等一系列问题。

10.5 kV电网电压经过二次绕组多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交直流PWM电压源型结构，同相的功率单元输出端串联起来，单相总的输出与其他两相形成星形联接，以许多较小幅度电压叠加实现变压、变频的高压交流直接输出，供给冷却剂泵，使得对电机绝缘的电压应力明显减少并提高了电机电流的质量[1]。AP1000所用变频器的每相由6个额定电压为750 V的功率单元串联而成，输出的相电压可达到4.5 kV、线电压7.79 kV。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。

1.2 特点分析

（1）采用延边三角形多重结构

每个功率单元分别由输入变压器的一个延边三角形或角形绕组供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形联接，实现多重化结构，以达到降低输入谐波电流的目的，减少THD值。给18个功率单元供电的二次绕组每3个为一组，形成6个不同的相位组，每个二次绕组互差100电角度，形成36脉波的整流电路结构，摈除掉了35次以下的谐波分量，与通用的6脉冲及12脉冲相比，输入电流的总谐波失真分别为：6脉冲变频器为25%、12脉冲变频器为8.8%[2]。与二者相比，完美无谐波变频器输入电流总谐波仅为0.8%。当这三种都运行于具有相同电源阻抗的电源条件下时，对应的电压失真分别为10%、5.9%、1.2%。WC Ⅲ-HA变频器的输入电流波形接近正弦波，如图1所示。同时完美无谐波变频器纯净输入特性完全去除了谐波滤波器单元，不必再进行谐波/谐振分析。这种等值裂相供电方式使THD降低至1%左右，变频器输入的总功率因数可达到0.95以上，并极大地减少了谐波对电网的污染[3]。

（2）功率单元的旁路功能及中性点的偏移技术

WC Ⅲ-HA变频器独特的功率单元旁路及中性点偏移技术极大改善电机的可靠性运行，如图2、图3所示，系统内的每个功率单元配备一只旁路接触器，运行过程中，当变频器检测到某一单元故障时，在0.5 s时间内通过旁路开关自动将该故障单元旁路，并利用单元的星形点是浮动的且不连接到电机中性点的技术特点，即中性点偏移技术，系统控制自动进行补偿（中性点漂移）调整电源电压的相位角，维持三相电压对称，变频器工作在稍低的输出电压，仍然提供全部额定电流。保证电机的正常运转，维持运行，提高整个系统的运行可靠性。

图1 谐波失真波形比较Fig.1 Comparison of harmonic distortion waveforms

图2 典型的带旁路接触器的单元Fig.2 Typical unit with bypass contactor

图3 中性点偏移功率单元原理图Fig.3 Schematic of neutral point offset power unit

（3）宽脉冲调制技术

WC Ⅲ-HA变频器的变压器的每一个次级绕组仅供给一个功率单元，每个功率单元通过光纤接收调制信息以产生负载所需的输出电压和频率，并采用PWM多电平的调制方式[4]，加在电机端子上的电压是由许多较小幅度电压叠加所产生的而不是采用较小的大幅度电压，获得的完美的正弦输出电压减少了加在电机绝缘上的应力，去除了外部输出滤波器。最大限度地减少了电机的噪声；另外，马达也不必降额使用（该变频器可应用于新的或已有的1.0利用率马达）；同时，降低了dV/dt变化率，消除了变频器引发的转矩脉动（即使在低速范围），降低了由于IGBT的开断而作用于电机线圈上的冲击电压，共模电压和dV/dt产生的应力也减至最小，延长了电机绝缘的运行寿命。

（4）容错设计

在散热问题上，WC Ⅲ-HA变频器采用了水冷方式，并采用冗余的双路冷却环路，对功率单元、电源单元等进行散热，控制单元部分采用了风冷方式。这种冷却方式不仅极大地提高了变频器的散热能力，并且没有大功率风机产生的噪声，使WC Ⅲ-HA变频器的噪声限制在76 dB以内，减少了噪声污染问题。设计冗余的冷却单元结构，更有效地解决了变频器散热问题，保证了变频器能够长期可靠运行。

提供两路220 V交流UPS电源系统为控制系统供电；在控制上采用两套NXG控制器，相互备用，二者之间采用光纤通讯；两路380 V为预充电绕组供电。

2 VFD在AP1000压水堆中的应用

2.1 VFD对主泵速度的控制

主泵犹如人体的心脏，担负着压力容器冷却及一回路介质的热量传递，反应堆启动及运行期间，对转速有不同的要求及限制，通过变频器达到速度要求。变频器的速度共分5个设置点：0%即停机状态；在同步速的17.5%（315 r/min）时顺次启动4台主泵，并维持最小流量；在同步速的50%（890 r/min）为稳压器提供喷淋，保证足够的压头；当温度小于520 ℉维持在同步速的87.8%（1 580 r/min）限制功率；在100%同步速（1 800 r/min）达到稳定运行。

通过变频器对主泵实现软停车，停车的时间通过调整频率的下降速率实现。对于电机停机，传统的控制方式都是通过瞬间停电完成的。但在核电厂中不允许电机瞬间关机，如果瞬间停机，会产生巨大的“水锤”效应，使管道，甚至水泵遭到损坏。为减少和防止“水锤”效应，需要电机逐渐停机，即软停车，采用变频器能满足这一要求。

2.2 VFD对再生电势的抑制

在AP1000冷却剂系统中，利用变频器对冷却剂泵进行启动、提速、降速、停机等几种工况的操作，维持冷却系统的正常运行。但电机在降速的过程中，由于介质的流动推动主泵叶轮，惯性力产生的机械旋转磁场与电机的电气旋转磁场相互影响，将会产生再生反电势，影响电机主绝缘、容易击穿滤波电容及IGBT、影响主泵的惰转性能，VFD的再生制动单元可以很好地解决再生电势问题。

4台主泵依次启动，转速在315 r/min,因为主泵是将冷却剂介质从蒸汽发生器经过冷段打入压力容器，再由热段返回蒸汽发生器，进行循环。每台主泵启动后，由于压力差及液体的流动性能，将对未启动的主泵产生一个反向力矩，机械转矩大于电磁转矩，迫使主泵反转；由于转子铁芯材料的非线性特点，转子在运行及试验过程中会有剩磁存在，在机械旋转磁场的作用下，将在定子绕组中产生反电势。此外，降速、停机、故障跳闸，都将产生再生电势，这几种情况下产生的再生电势，对尤其是后三种情况，由于主泵的特有的飞轮装置，飞轮将惰转12 s以上，以保证冷却剂泵足够的流量带走足够的堆芯热量，但是相应产生的再生电势的时间也将延长，电动机在这期间始终处于发电机状态。流体产生的机械功率经电动机转化为电能经定子绕组输出。变频系统具有再生的能力，其最小再生能力为正常冷管段输入电机容量的50%左右。

WC Ⅲ-HA变频器在电动机加载之前或降速过程中，如果电机被拖动翻转运行在同步速的-17.5%以内时，变频装置将对电机励磁并迫使其转子转矩降到零，该过程通过控制电机的再生减速转矩将电机储存的能量回馈到电网[5]。当变频装置控制电机转子后，使电机加速到所需的转速，避免了主泵由于反转矩而导致电机过电流。

3 变频器故障风险评估

作为主泵的动力中心，变频器担负着主泵的电源供给、速度调节、逐级启动及软停车，变频器运行状态的好坏直接影响主泵的运行；将变频器的非计划停车称为系统故障，通过对变频器的各部件进行故障分析及故障概率评估，并结合主泵试验过程中出现的故障事件，对变频器的可靠性进行综合评价，衡量变频器故障对主泵运行影响，借以评估主泵的运行质量。

3.1 主泵试验过程中出现的故障

AP1000主泵变频器在主泵试验过程中出现了以下几个故障事件：

1）变频器失磁故障：这是由于旋转负荷极限值的设定值低于推荐值，在进行旋转负载功能试验时导致变频器连续失磁故障。

2）NXG光纤转换板电压灵敏性故障：同相的功率单元的通讯同时发生故障，即NXG通讯板输送回路电压低于设计值导致通讯故障。

3）NXG转换丧失导致多个功率单元故障：NXG-A故障后无法切换到NXG-B工作，导致变频器功率单元故障。

4）DCR的电源供应性能故障：由于电缆的功率损耗及设计容差范围不正确导致DCR的电源供应质量下降，引起输送电压降低。

3.2 故障经验反馈

水冷完美无谐波变频器在其他核电厂已有投入运行的先例，根据VFD运行经验反馈，将变频器运行过程中出现的故障归纳、总结，出现概率较大的故障为如下几种情况：

1）以太网信息系统拥堵，操作指令无响应，最终执行了手动紧急停车。

2）运行人员对故障设备操作引起电源暂态变化，导致VFD跳闸。

3）功能设置更改，造成VFD故障。

4）冷却水管破裂，造成VFD故障。

3.3 故障风险评估

利用故障树方法学建立VFD故障的数学模型[6]，对已知或估计的元件故障进行逻辑分析，并对引起WC Ⅲ-HA变频器失效的各种故障进行概率计算，判断VFD运行的可靠性。本分析将变频器失效作为顶上事件，逐层分析，直到基准事件；根据主泵试验过程中出现的故障事件，NXG控制器出现故障的概率比较高，本次分析将主要对控制系统故障进行详细分析。

3.4 故障的应对及改进措施

产品的制造缺陷、安装错误和运行错误都是故障的诱导因素，对制造工艺及安装质量的控制、对人为因素的管控将极大减少故障诱因，降低故障概率。

为避免变频器发生失磁故障，在变频器试验时要随时跟踪参数的变化，调整其扫描电压结束阈值，直至达到最合适的值，并记录好电机的启停顺序和启动时的数据和波形图。适当增加励磁斜坡时间，使磁场电流有足够的稳定时间，运行中确认电机定子阻抗参数设置不能过大，如果主泵电机在一段时间内工作于较低的转速下，应适当降低电机阻抗参数。

AP1000所用的罗宾康NXG型完美无谐波变频器中功率单元控制板，控制器光纤板以及主控板间的通讯均采用光纤连接，为避免由于通讯问题所带来的变频器失效，安装以及调试过程中应注意光纤接头与光纤线连接部分的弯折半径不要小于所允许的最小弯折半径或对光纤施加较大的拉力，安装或操作中不要扭绞光纤线，连接光纤时连接头垂直插入光纤连接插座，不能有倾斜的角度，避免造成通讯故障。运行中要按时检查功率单元与控制器的光纤连接头是否脱落，光纤是否折断，漏光，及时更换不符合要求的通讯光纤。

为避免由于内部功率损耗过大引起的输出电源质量下降，首先检查输出电缆是否有破损，输出螺栓是否过热、出现虚接打火；输入/输出侧电压和电流测量的标定出错，并重新标定该值，保证其供应电源符合要求。

4 结论

罗宾康完美无谐波变频器在AP1000核电厂中的应用，为主泵提供了极高的电源质量，保证了AP1000核电厂运营的经济性和安全性。文章通过对变频器可能发生故障的原因进行故障树分析及概率计算，可知变频器发生故障的概率极低。针对变频器相应故障的应对及改进措施，可进一步降低变频器失效率，保证生产的安全运行，充分体现出AP1000相对于其他核电技术的优越性！

[1] 吴忠智. 串联IGBT高压变频器的原理及应用——变频世界[J]，2002.（WU Zhong-zhi. Theory and Application of Serial Connection IGBT High Pressure Frequency Transformer —— World of Frequency Conversion[J],2 002.）

[2] Holmes D.G. Opportunities for harmonic cascaded inverters[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2001,37（2）：574-582.

[3] 罗宾康. GENⅡ,GENⅢ完美无谐波高压变频器用户手册[R]，2001.（LUO Bin-kang. User Manual for GEN II, GEN III Perfect Non-harmonic Highvoltage Frequency Transformer[R],2 001.）

[4] 韩安容. 通用变频器及其应用[M]. 北京：机械工业出版社，2000.（HAN An-rong. General-purpose Frequency Transformers and Their Applications [M]. Beijing:Mechanical Industry Press,2 000.）

[5] 袁任光. 交流变频器选用手册[M]. 广州：广东科技出版社，2002.（YUAN Ren-guang. Manual for Selection of AC Converters[M]. Guangzhou: Guangdong Science and Technology Publishing House,2 002.）

[6] 卜全民，王涌涛. 故障树分析法的应用研究[J]. 西南石油大学学报，2007，8（4）：29-32.（BU Quan-min, WANG Yong-tao. Study on the Application of Fault Tree Analysis[J]. Southwest Petroleum University Journal,2 007, 8 (4)：29-32.）

Application and Fault Risk Assessment for AP1000 Primary Pump Frequency Converter

TIAN Shao-xin, YUAN Mu
(State Nuclear Power Engineering Company, Shanghai 2 00233, China)

Robicon WC III-HA perfect harmony high voltage frequency converter is used in the power system of AP1000 primary pump. The 6 series power units can achieve direct high voltage output. The converter can achieve perfect switch between two controllers: NXG-A and NXG-B. The application of multiple layer of power unit structure, bypass function and the neutral point offset technique ensure perfect harmonious output of the converter. This paper analyzes the possible failure of the converter and carries out risk assessment. Then corresponding response and improvement measures are put forward in order to reduce the failure rate and increase the economic efficiency. So we can better reflect the superiority of AP1000 technology.

frequency converter；application；fault analysis；fault treatment

TL37 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)04-0337-06

TL37

A

1674-1617(2013)04-0337-06

2013-08-08

田少新（1973—），男，辽宁锦州人，工程师，从事电气高压设备的选型及高压试验工作。