核电站控制棒驱动机构电源机组励磁方式的选择

孟子荣

(东北电力大学,吉林 吉林 132012)

核电站控制棒驱动机构电源机组励磁方式的选择

孟子荣

(东北电力大学,吉林 吉林 132012)

由于国民经济持续快速增长，电力包括煤炭、石油等能源已经开始出现十几年前中国经济起飞时期的瓶颈制约征兆。核电作为安全、高效、清洁的能源，必将大力发展以缓解这些问题。针对目前核电站的控制棒驱动机构电源: 电动机-发电机组(M-G机组)，分析其应用于该系统的各类励磁方式优缺点，并提出一种可用于控制棒驱动机构电源的新型励磁方式。

核电站;控制棒驱动机构；电源系统;励磁系统

1 控制棒驱动机构电源介绍

控制棒驱动机构电源机组，既为控制棒驱动机构提供可靠电能的设备[1]。控制棒驱动机构是核电站内驱动控制棒的装置，为保证核电站能够安全停堆，在设计上该装置一旦失去电力供应，控制棒就会全部掉落，导致反应堆停堆。目前在役核电站采用的控制棒驱动机构电源均为电动机-发电机组(M-G set)，如图1所示。每个核电厂有两套电动机发电机组。在正常工作条件下，两套电动机发电机组并联运行，并均分总负荷。两套电动机发电机组驱动电机的滑差频率需尽可能一致，以防止负载分配时两台发电机之间的振荡。当一套电动机发电机组不能正常工作或并网失败时，另一套设备应具备能够承担全部负载的能力。这样即使在一套电动发电机装置在役检修或失效时，也能保证对控制棒驱动机构连续供电。

2 励磁方式比较

发电机组是否稳定运行很大程度上取决于它的励磁系统。励磁系统的可靠性对系统和发电机组的安全运行有着极大的影响。发电机的励磁系统按照电流引入磁场绕组方式可分为有刷励磁系统和无刷励磁系统，它们各有优缺点，下面将做简要分析[2]。

有刷励磁系统是一种被广泛应用于各领域的励磁系统。它按照励磁电流取得方式可分为直流励磁机系统和可控硅静止励磁系统两种。直流励磁机励磁系统是由与发电机同轴的直流发电机产生直流电，经过电刷和滑环直接加在发电机转子线圈从而为定子线圈提供磁场。可控硅静止励磁系统是通过发电机机端的励磁变压器进行桥式整流，得到所需要的直流电，再经过电刷和滑环加在发电机转子线圈上，产生磁场切割定子线圈。有刷励磁方式的优点在于：(1)发电机与励磁系统界限明显，相对独立；(2)励磁电流、励磁电压容易获取；(3)励磁机状态监测方便、数值准确。由于电刷的存在，其缺点也较明显：(1)增加了接触电阻，随着励磁电流的增大，电刷和滑环常常因接触不良导致发热，甚至会烧坏刷架和滑环，存在安全风险；(2)电刷在磨损时产生的碳粉给对周边环境产生不良影响，会降低周边设备绝缘，给安全运行带来隐患；(3)维护不方便，需定时清理碳粉检查更换。

图1

无刷励磁方式是近些年来新兴的一种新型励磁方式，它的主要部件为交流励磁机和旋转整流器。随着旋转整流装置可靠的不断提升，无刷励磁发电机的的应用也更加广泛。其原理为交流励磁机的输出由安装在机组旋转部分的硅整流器整流后，直接送到同步发电机的转子励磁绕组中去。因为发电机转子励磁绕组、整流器和交流励磁机电枢都在同一轴上旋转，彼此处于绝对静止状态，这样就取消了电刷、换向器和滑环等传统励磁机部件。交流励磁机实质上是旋转电枢式的交流发电机。这种励磁方式具有如下优点：(1)结构紧凑，占地面积小；(2)不存在磨损的碳粉，发电机两端会非常洁净，而且无需更换电刷，维护方便；(3)不存在接触不良以及因此而发热的问题，更不会产生电火花而烧坏设备；(4)通讯干扰小。实践表明，当硅整流器质量良好时，运行是相当可靠的。无刷励磁也有不少缺点：(1)励磁发电机输出的直流电直接接在转子的绕组上，无法直接测量转子的实际电流；(2)由于无刷励磁中同步发电机转子励磁电流的变化是由交流励磁机的磁场电流来调节的，相应速度慢；(3)对旋转整流器可靠性要求高。

3 辅助绕组无刷励磁系统

现代的大型核电站，因核岛内空间有限，一般设计上无法单独为控制棒驱动机构电源机组设置房间。大部分核电站将其与其他负荷中心母线柜布置在同一个房间，这样就控制棒驱动机构电源不能对环境造成污染，不产生电磁干扰，且不应有发生火灾的风险。这样，传统的有刷励磁不可应用于现代核电厂控制棒励磁系统，需要从无刷励磁中选择最优励磁方式。控制棒驱动机构是通过电磁的原理来操作控制棒的运动。控制棒的驱动机构所带的负荷有三类：提升线圈，加持线圈，传递线圈。只有通过一定逻辑顺序才能保证控制棒合理运动。这种负荷并非稳定负荷，冲击性较大，故电源系统一定要足够稳定才能保证在负荷波动时保证稳定供电。根据技术规格书中要求的要在一台退出运行时另一台担负全部负荷且电压波动不可超过10%。因此需要采用励磁装置能否快速响应成为选择的一个重要指标。鉴于普通的无刷励磁装置响应速度较慢，如遇到极端情况时恐怕难以保证电压满足要求，从而导致电站发生不必要的停机事故，造成巨大经济损失。为避免这种情况发生，励磁电流获得形式上可以采用三次谐波辅助绕组(三次谐波与基波绕组串联)的方式获取励磁电流[3]。如图2所示。

其中H1为基波绕组，为保障正常运行和过载运行时的励磁提供能量供应；

图2

H3为三次谐波绕组，当短路发生时，基波绕组被切断，而三次谐波绕组仍能感应出三次谐波电压，为强励提供足够能量。当负荷突然变动时也会感应出三次电势加快了相应速度。

这种励磁方式不仅加快了响应速度，更能够提供足够的强励能量。其结构形式如图3所示。

图3

辅助绕组为AVR(电压调节器)提供交流电源，AVR为励磁绕组提供直流电源，形成励磁机磁场，励磁机转子绕组旋转切割磁场感应出交流电，再通过旋转整流器转换成直流电供给主励磁绕组。这种辅助绕组励磁系统具有很好的强励能力，能够提供足够的短路电流持续能力。

[1] 俞高伟，周蕴花.核电站控制棒驱动机构电源系统[J].发电设备，2012,26(4).

[2] 王明炜.ABB低压同步发电机励磁系统的实现[J].移动电源与车辆，2010.1.

[3] 姜世英.发电机的不同励磁方式及比较分析[J].移动电源与车辆，1999.1.

收稿日期：2014-10-30

Selection of Exciting System of M-G Set in a Nuclear Power Plant

MENGZi-rong

(Northeast Power University,Jilin 132012,China)

As the economic growing so fast,energy resource such as electric,coal and fossil oil begin to appear to cause a bottleneck.As a kind of safety,efficiency and clean energy,nuclear power will be inevitably developed to relieve these problems.This thesis discussed about The Selection of Exciting system of M-G set in Nuclear Power Plant,analysis the merits and demerits of the exciting system for the M-G set.

nuclear power plant;control rod drive mechanism；power system；excitation-system

2014-08-20

李俊堂(1983-)，男，汉，硕士，工程师，湖南娄底人，主要从事电力通信自动化安装、调试、维护工作； 周定宇(1982-)，男，汉，硕士，工程师，湖南长沙人，主要从事电力信息安装、调试、维护工作； 赵林坤(1983-)，男，汉，硕士，工程师，湖南衡阳人，主要从事电力生产技术管理工作。

1004-289X(2015)05-0096-03

TM76

B