核反应堆控制棒驱动机构电源系统（RAM）设计分析
控制棒驱动机构（CRDM）的电源系统（RAM）是针对CRDM设备的专用供电系统，用以控制反应堆堆芯的快速反应性。本文以大亚湾核电站的CPR1000堆型为参考电站，重点介绍了RAM系统设计单元组成、RAM系统运行方式及失去电源后的故障分析，为RAM系统的设计优化或改进提供一定的理论参考依据。
标签：CRDM；电源系统；功能；故障分析
1. 引言
核反应堆控制棒驱动机构（以下简称CRDM）是反应堆控制和保护系统的伺服机构。每台CRDM具有三个磁力线圈，这些线圈通过通断电流来完成钩爪的吸合及释放动作，从而达到带动控制棒组件在堆芯内上下运动的目的。CRDM是反应堆本体中唯一的动设备，其安全性和可靠性直接影响到反应堆的安全与运行。CRDM的电源系统（RAM系统）是针对CRDM设备的专用供电系统，连接核岛380V交流母线和棒位指示与棒控系统（RGL）；由于RAM系统关系到CRDM能否正確带动控制棒执行步进动作以及停堆落棒的功能，其重要性不言自明。本文将以
大亚湾核电站的CPR1000堆型为参考电站，进行RAM系统的组成、供电方式及失去电源的故障分析。
2. 厂内、外电源运行模式
在核电厂机组正常运行时，由发电机组通过主变压器向超高压电网输送电力，并通过降压变压器向厂内用电设备供电。在机组启动和停运时，由超高压电网向厂内用电设备供电。在发电机出口母线失压，超高压电网向厂内供电失败，或厂用降压变压器故障时，由220KV后备电源经辅变向厂内用电设备供电。在外电源全部断电或一回路失水事故时，由应急柴油发电机组向厂内应急设备供电。
6KV正常厂用配电系统向380V正常厂用配电装置母线供电。每组LK*配电装置由一台额定容量为800KVA（或630KVA）的三相6.3/0.4KV干式变压器供电，干式变压器安装在柜子里，与相应的配电装置并列布置。380V配电装置分为常规岛、核岛及两机组公用部分，核岛380V正常交流配电系统由LKA/B/C/D/E/J等组成，由LGC/D供电通过配电装置向核岛负荷供电。RAM系统的两台M-G机组分别连接至LKA/B的380V母线上。
3. RAM系统组成及功能
3.1 RAM系统设备
RAM系统为非核安全级，质保等级为Q3。RAM系统由两台相同的电动发电机组（以下简称M-G机组）以及电压调节器、260V供电的断路器屏、控制屏和一些必要的电缆连接件组成。每台M-G机组包括以下设备：
异步电动机：额定电压380V，额定频率50Hz，功率135KW。
发电机：容量400KVA，电压260V，频率50Hz，具有饱和式自感线圈电压调节器的固态复励装置。
飞轮：飞轮尺寸应能保证如果失去加在电动机上的电源1.2S的时间，频率-电压特性将保持在最低值234V-44Hz以上。
电压调节器。安装在挂墙箱子内，电压调节260V±5%，精度1.5%，稳定时间0.2S～1.2s。发电机的输出频率不低于44Hz以下，即额定频率的-12%以内。
断路器屏。主要包括发电机断路器、与260V供电断路器相连的并给RGL的控制逻辑和固态功
率装置供电的开关-断路器、为了保护装置测量电路所必须的电流互感器和分流器以及保护熔断器、和设备有关的控制器和指示器。
控制屏。包括和M-G机组及260/150V电源有关的、为控制、监视自动运行、保护所必须的装置。
模块电源故障两台M-G机组分别通过LKA、LKB的两台接触器供电，发电机出口由一台断路器进行保护。两台M-G机组通常并列运行，其同步并列是由一台固态电源装置（EEC）完成，正常运行通过三相同步电机带动飞轮及发电机，发电机出口供电给共用的260V/150V棒束控制线圈电路和RGL的控制逻辑电路。
3.2 RAM系统运行
两台M-G机组各自由380V交流母线供电，并列运行后供电给共用的260V/150V CRDM线圈和RGL逻辑控制电路。每台M-G机组在设计上要保证同时提升几个子组的棒束所需要的功率，在短时间内可以到达124kw；若电网故障，势必引起单元机组带厂用电运行，这时利用M-G机组的惯性仍需保证在下列工况下对CRDM的供电：
只有1台M-G机组在运行；
发电机所需的平均功率是79kw，峰值124kw。
电动机作为一台异步发电机向系统返回功率是500kw，0.2秒时间（该时间是功率返回到380V电网被检测的时间和电动机接触器打开所必须的时间）。
在1.2s的时间内，发电机的频率必须保持在44HZ以上，电压在234V以上。
在RAM系统（电动机、发电机及保护装置）的设计中，要考虑到负载的高感抗特性及负载所采用的供电方式：每一子组棒束或几个子组棒束组都是从260V电路上通过三相可控硅桥供电的。这些三相可控硅桥形成了一个由程序控制电路的固态电源装置。同时，需考虑M-G机组的功率需求会有较大变化。如CRDM在稳态运行时，控制棒束处于保持状态时，所需功率P1=22kw；控制棒束插入或提升运行时平均功率P2=79kw，短时间内可能达到的最大功率P3=124kw；紧急停堆落棒时功率突然变化到零。
RAM系统通常包含如下几种运行方式：
a） 正常运行方式。2台M-G机组是在260V-50Hz可控硅调节的电力回路上并联运行，用于CRDM提升、下插或保持反应堆控制棒在指定位置。在整个反应堆运行期间RAM系统通常为此种运行方式。考虑到CRDM的功率需求会有所变化，当2台电动机驱动装置在电力需求突然变化的情况下无需做出解耦响应。
b） 异常运行方式。当1台M-G机组因维修或电力故障的原因而停运时，另一台M-G机组必须通过解耦停机装置连续运行并必须单独保证反应堆CRDM所需的电力需求。此种运行方式属于异常情况，M-G机组停机时间取决于修复或重新起到所花费的时间。c） 事故运行方式。若电力不足跳闸或异常运行方式下低电压/低频率工况超出允许的限值时，电动机的接触器没有从电网断开并且M-G机组在其飞轮的作用下继续运转，若380V母线的供电频率在电网故障之前不低于49.5Hz，该飞轮将限制给CRDM供电的260V的电网上的电压和（或）频率分别降至234V（-10%）和44Hz（-12%），持续1.2s。当CRDM的供电频率降低至44Hz时，M-G机组与CRDM必须断开。
3.3 RAM系统的布置及环境要求
RAM系统设备安装在核安全壳外面周围房间内，标高+0.000m。以1号机组为例，M-G机组
和控制屏位于W227房间，机组断路器屏位于W220房间。
环境条件如下：最低温度：+10℃，最高温度：+30℃，相对湿度：70%
*注：通风故障时，环境最高温度可以达到40℃。
4. RAM系统电源故障分析
4.1 失去380V电源
M-G机组1和2分别由低压母线LKA和LKB供电，失去380V电源后可能出现情况分析如下。
a） 母线失去电压1.2s。当两台M-G机组并列运行时，受失压影响的M-G机组通过继电器快速动作，使电源和CRDM电路断开；一旦电源恢复，M-G机组在相关必要条件满足的情况下重新投入工作。当只有1台M-G机组运行时，利用电动机接触器断开位置的延时作用信号最后断开M-G机组，将引起紧急停堆。
综上可知：在RAM的交流电源系统LKA、LKB失电情况下，RAM发电机在飞轮的惯性作用下能在≤1.2s时间内，保持对负荷的供电（频率>44HZ，电压>234V），当失电时间>1.2s，则
发电机出口断路器跳闸，反应堆控制棒线圈失电，反应堆紧急停堆。
4.2 失去辅助电源
a） 失去48V电源。每1台M-G机组由不同的配电模块供给电压。共用母线的48V电源取自这些模块中的一个或另外一个（在控制屏上利用螺栓的连接方法可以实现转换）。失去控制电压对受影响的设备（一台MG机组和可能共用母线部分）产生以下后果：
通过通道IA和EC示明48V电源失去，并向控制室发出信号；
就地指示灯熄灭；
相应的发电机断路器断开；
转子并联接触器断开；
自动控制和保护系统不能工作；
当48V电源恢复，已经跳闸的M-G机组必须重新投入。
b） 失去125V电源。每台M-G机组由不同的配电模块供电；失去125V电源将影响到断路器控制电路和发电机励磁。M-G机组不能跳闸，而且发电机既不能起动也不能励磁。当125V电源恢复以后，上述运行恢复。
5. 结束语
RAM系统的任务就是确保对CRDM供电，此系统相对獨立专用，整个系统的故障（两台电源机组故障）将引起落棒，这种设计和运行具有自身的安全性。通过对RAM系统的运行方式和故障分析，可以为该系统的设计优化或改进提供一定的理论依据和思路，以更合理、更安全的方式确保CRDM的供电可靠性，保障核电厂反应堆的安全运行。
参考文献：
[1] 广东核电培训中心. 900MW压水堆核电站系统与设备[M]. 北京：原子能出版社，2004.
[2] 广东核电合营公司. 广东大亚湾核电站系统设计手册（SDM）. 1991.3.
[3] 李江. 大亚湾核电站核岛控制线路供电回路改进[J].电力设备，2008，9（7）.
赵毛毛（1985- ），男，汉族，本科，工程师。现从事反应堆结构设计研究工作。

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