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【摘要】本文主要介绍了美国西屋公司非能动核电厂AP1000主泵电气回路一、二次设计的技术方案，并对可能的改进细节进行探讨，对可能的国产化方案进行研究。
【关键词】先进轻水堆；用户要求文件；设计控制文件；反应堆冷却剂系统；电厂控制系统 ；保护和安全监测系统 ；特殊监测系统
前言
AP1000是西屋公司设计提供的第三代核电轻水反应堆，它与传统的第二代或二代改进型的核电厂的主要差别之一就在于引入非能动安全系统，最大的特点设计简练，易于操作。充分利用自然力来应对影响核安全的事故，从而使得传统核电厂冗余的安全能动系统设计得以简化，并且使大部分电气系统降为非安全级。本文从技术引消吸的角度对AP1000核电厂主泵电气回路进行分析和研究。
核电厂冷却剂回路循环泵是核蒸汽供应系统主回路中除控制棒驱动机构外唯一能动部件。主泵是核反应堆一回路的压力边界，其承压部件是核电厂防止放射性释放的第二道屏障。主泵电气回路的持续、安全、可靠对反应堆的安全高效运行十分重要，有必要对其详细研究。
1.AP1000主泵电机介绍
AP1000采用全密闭的屏蔽主泵，利用屏蔽主泵的外壳构筑反应堆压力容器一回路的压力边界，降低了一回路泄露的风险，减少二代核电站主泵必需而又复杂的轴承密封系统。AP1000主泵是重要的一回路设备，采用美国EMD公司研制的屏蔽电动机泵。该主泵采用屏蔽电机的无轴封离心泵，带有高惯量的惰性飞轮。在假定丧失电源后，该转动惯量能提供强制流量和后续反应堆冷却剂系统RCS的自然循环一起充分冷却堆芯。AP1000主泵由水力部件和电机部件两部分组成。水力部件主要是由泵壳、叶轮和导叶等部件组成。屏蔽电机是一种专门设计的立式、水冷、单绕组、四极、三相、鼠笼式的带有屏蔽转子和定子的感应电机。电机的转子和定子绕组均采用屏蔽套，并完全浸没在一回路冷却剂中。主泵可以正反转，不设置防逆转装置。泵的本体安装了振动、速度、温度、电流、电压等传感器。主泵的内部结构参见详图1。目前主泵暂时只能美国制造引进，该屏蔽电机电源采用三相、6.9kV、60Hz的电源。主泵电机的电功率为5500kW，额定转速为每分钟1800转。
AP1000主泵安装在蒸汽发生器底部，每台蒸汽发生器配置两台，倒置对称布置。作用是将一回路的冷却剂从热管段引入至蒸汽发生器，经蒸汽分生器冷却后再送至冷管段进入反应堆压力容器。AP1000主泵的主要功能是在高温高压下输送反应堆冷却剂，并维持反应堆一回路的压力边界完整性。参见AP1000核蒸汽供应系统简图2。
2.AP1000主泵运行模式分析
AP1000主泵在正常功率运行时，四台主泵中任意一台发生故障停运，反应堆需要紧急停堆。在启动运行期间，四台主泵需同时按照事先预订的转速平台（0-315-900-1580-1800），分步骤把每台泵按照预订的转速同时提升或下降。若四台主泵不同时在同一个转速平台启动或停止，则未启动成功或停止运行的泵会倒转。主泵发生事故停止运行时，经检查无误要再恢复时，需要将其它主泵转速降至315转。再将故障主泵送电，使故障主泵缓慢启动后再升速至同一转速平台315转。之后再继续提升恢复。
如果主泵设计有防逆转装置，同一环路两台主泵吸入口加隔离措施，则可能实现一台主泵停运后，机组维持低功率运行。
3.AP1000主泵电气一次回路的设计
AP1000双环路四台主泵分别由常规岛的四段10kV中压母线通过馈线断路器供电至中压变频器，再由变频器通过两个串联的1E级中压断路器经电气贯穿件后再供电给主泵电机。参见AP1000主泵电气回路图3。同一环路上的两台主泵，电源分别取自两台带分裂绕组的高压厂用变压器。当主电源（发电机供电）、优先电源（电网通过主变倒送，再经高压厂用变压器供电）失电或故障停运时，电源自动切换至辅助电源供电。
一回路主泵主要为反应堆冷却剂传导堆芯的热功率提供直接动力，功率大，运行周期长。主泵采用变频器能降低反应堆冷却剂在冷态运行下低速启动的电机功率。用变频器启动可以使主泵在受控下逐步升速，再增加功率，电动机在启动过程中不会过载，大大降低了对电机容量和过载能力的要求。但也正是由于屏蔽泵的使用，限制了主泵的尺寸和功率，惰性飞轮转动惯量也较小。随着制造工艺的进步和对材料研究的深入，可适当放大主泵的尺寸和功率，加大惰性飞轮的转动惯量，增加安全的裕度。
AP1000设计控制文件DCD最初是在主泵启动和反应堆冷却剂低温运行时启用变频器来驱动主泵。但在功率运行时，变频器自动被旁路退出运行。美国电网和国内电网的频率不一致，分别为60Hz和50Hz，导致在国内AP1000核电厂主泵在功率运行时变频器必须提供主泵电机所需要的60Hz电源。主泵制造材料和加工工艺要求非常高，目前国内暂时还不能研发制造50Hz国产化产品，因此在国内AP1000核电项目中对主泵变频器的可靠性和可用性指标提出了很高的要求。除了变频器关键的元器件外，控制器及附属冷却支持系统都必须考虑可靠性及可用性指标。另外变频器长时间运行还需考虑电子器件的老化问题。随着50Hz主泵的研制和国产化，可以在后续的AP1000核电项目使用同美国一样的运行方式，以降低对变频器的依赖。
AP1000主泵电气回路除两个串联的1E级断路器及其贯穿件、变频器之后的连接电力电缆需要考虑在0-60Hz的频率范围内工作外，变频器断路器和变频器之前的连接电力电缆只需要按照0-50Hz工频工作考虑即可。主泵1E级断路器执行安全功能，可靠地断开主泵电动机，可靠性要求高。当主泵电机失电后，转子线圈剩磁切割定子线圈，反馈电能至定子线圈，形成制动并将降低主泵惰转的时间，所以1E级断路器要求采用快速断路器。在1E级断路器断开的同时，还需要将其跳闸信号快速反馈给变频器执行输出闭锁。1E级断路器和变频器断路器柜均采用金属封闭型开关柜，断路器采用真空断路器。 4.AP1000主泵电气二次回路设计
主泵变频器断路器由电厂控制系统PLS控制，并接受变频器故障信号联锁跳闸。其控制回路采用硬接线，测量和保护相关信息通过微机综保装置以通讯方式传送至PLS。
变频器自带双重冗余备用的控制器，分别通过两根独立的光纤通道连接至PLS。PLS与变频器之间的接口信号主要有三类：变频器控制命令信号、变频器状态反馈信号及其变频器自身监测信号。
主泵1E级断路器1和2均采用硬接线，控制回路连接至PMS。PLS通过冗余的双通讯通道连接到保护和安全监测系统PMS。两者均受PMS和PLS控制，但PMS系统的控制命令优先于PLS系统。两个断路器与PMS之间的接口采用核安全级模块作为隔离措施。当PLS控制指令发出时，通过冗余的双通讯通道传送至PMS，再由PMS输出执行相关操作。PMS操作主泵1E级断路器时，传送两个独立的分、合闸操作指令分别至相应序列的主泵1E级断路器。主泵1E级断路器1对应于B序列，主泵1E级断路器2对应于C序列。PMS和PLS均接收来自于两个断路器的状态反馈信号，只不过PLS接收状态信号是通过PMS中转。
主泵变频器断路器至变频器回路，设置配电馈线微机保护装置。主要配置有速断、过流、接地保护功能，直接动作于主泵变频器断路器跳闸。
主泵1E级断路器1设置两套独立的电气贯穿件微机保护装置。设置有低电压、逆功率、负序电流、负序电压、过载、速断、过流、过电压、频率保护功能，直接动作于主泵1E级断路器1跳闸。
主泵1E级断路器2设置两套独立的主泵电机微机保护装置。设置有低电压、逆功率、负序电流负序电压、过负荷、速断、过流、频率保护功能，直接动作于主泵1E级断路器2跳闸。
变频器自带保护，其主要的保护功能有电动机保护：包含速断、过流、带时延接地过电压保护、过电压、电机超速、输出缺相。另外对输入电气回路的保护：包含输入过电压、输入电压丢失、输入相平衡、输入缺相、输入接地故障、输入隔离变压器温度过高。
主泵电机本体带有震动传感器，将主泵运转时的震动信息送至专用监测系统SMS。还带有速度传感器，将转速信息送至PMS。温度传感器将温度信号送至PLS。通过该三个传感器实现对主泵电机本体的监视。
5.结语和展望
AP1000作为革新型的三代核电站，一个主要的创新点就是改进了二代核电站主泵设计。AP1000主泵的电气回路电气设备众繁多，运行方式复杂，与外部系统接口众多。对AP1000主泵的电气回路详细分析和研究有助于主泵及其1E级断路器的国产化研究。
目前国内在二代和二代加的核电厂电气设计上有着丰富的经验，但与AP1000等为代表的三代核电厂电气设计方案相比有了较大的变化。在将来的三代核电厂电气设计工作中，可充分消化、吸收和借鉴ALWR URD的资料及其AP1000项目宝贵经验，逐步发展并形成自主化设计的第三代核电厂。
参考文献
[1]林诚格，郁祖盛等.非能动安全先进核电厂AP1000 [M].第1版，原子能出版社，2008年8月
[2]孙汉虹等.第三代核电技术AP1000.2010年9月
[3]马习鹏.探讨改进AP1000标准设计.2008年9月
【关键词】先进轻水堆；用户要求文件；设计控制文件；反应堆冷却剂系统；电厂控制系统 ；保护和安全监测系统 ；特殊监测系统
前言
AP1000是西屋公司设计提供的第三代核电轻水反应堆，它与传统的第二代或二代改进型的核电厂的主要差别之一就在于引入非能动安全系统，最大的特点设计简练，易于操作。充分利用自然力来应对影响核安全的事故，从而使得传统核电厂冗余的安全能动系统设计得以简化，并且使大部分电气系统降为非安全级。本文从技术引消吸的角度对AP1000核电厂主泵电气回路进行分析和研究。
核电厂冷却剂回路循环泵是核蒸汽供应系统主回路中除控制棒驱动机构外唯一能动部件。主泵是核反应堆一回路的压力边界，其承压部件是核电厂防止放射性释放的第二道屏障。主泵电气回路的持续、安全、可靠对反应堆的安全高效运行十分重要，有必要对其详细研究。
1.AP1000主泵电机介绍
AP1000采用全密闭的屏蔽主泵，利用屏蔽主泵的外壳构筑反应堆压力容器一回路的压力边界，降低了一回路泄露的风险，减少二代核电站主泵必需而又复杂的轴承密封系统。AP1000主泵是重要的一回路设备，采用美国EMD公司研制的屏蔽电动机泵。该主泵采用屏蔽电机的无轴封离心泵，带有高惯量的惰性飞轮。在假定丧失电源后，该转动惯量能提供强制流量和后续反应堆冷却剂系统RCS的自然循环一起充分冷却堆芯。AP1000主泵由水力部件和电机部件两部分组成。水力部件主要是由泵壳、叶轮和导叶等部件组成。屏蔽电机是一种专门设计的立式、水冷、单绕组、四极、三相、鼠笼式的带有屏蔽转子和定子的感应电机。电机的转子和定子绕组均采用屏蔽套，并完全浸没在一回路冷却剂中。主泵可以正反转，不设置防逆转装置。泵的本体安装了振动、速度、温度、电流、电压等传感器。主泵的内部结构参见详图1。目前主泵暂时只能美国制造引进，该屏蔽电机电源采用三相、6.9kV、60Hz的电源。主泵电机的电功率为5500kW，额定转速为每分钟1800转。
AP1000主泵安装在蒸汽发生器底部，每台蒸汽发生器配置两台，倒置对称布置。作用是将一回路的冷却剂从热管段引入至蒸汽发生器，经蒸汽分生器冷却后再送至冷管段进入反应堆压力容器。AP1000主泵的主要功能是在高温高压下输送反应堆冷却剂，并维持反应堆一回路的压力边界完整性。参见AP1000核蒸汽供应系统简图2。
2.AP1000主泵运行模式分析
AP1000主泵在正常功率运行时，四台主泵中任意一台发生故障停运，反应堆需要紧急停堆。在启动运行期间，四台主泵需同时按照事先预订的转速平台（0-315-900-1580-1800），分步骤把每台泵按照预订的转速同时提升或下降。若四台主泵不同时在同一个转速平台启动或停止，则未启动成功或停止运行的泵会倒转。主泵发生事故停止运行时，经检查无误要再恢复时，需要将其它主泵转速降至315转。再将故障主泵送电，使故障主泵缓慢启动后再升速至同一转速平台315转。之后再继续提升恢复。
如果主泵设计有防逆转装置，同一环路两台主泵吸入口加隔离措施，则可能实现一台主泵停运后，机组维持低功率运行。
3.AP1000主泵电气一次回路的设计
AP1000双环路四台主泵分别由常规岛的四段10kV中压母线通过馈线断路器供电至中压变频器，再由变频器通过两个串联的1E级中压断路器经电气贯穿件后再供电给主泵电机。参见AP1000主泵电气回路图3。同一环路上的两台主泵，电源分别取自两台带分裂绕组的高压厂用变压器。当主电源（发电机供电）、优先电源（电网通过主变倒送，再经高压厂用变压器供电）失电或故障停运时，电源自动切换至辅助电源供电。
一回路主泵主要为反应堆冷却剂传导堆芯的热功率提供直接动力，功率大，运行周期长。主泵采用变频器能降低反应堆冷却剂在冷态运行下低速启动的电机功率。用变频器启动可以使主泵在受控下逐步升速，再增加功率，电动机在启动过程中不会过载，大大降低了对电机容量和过载能力的要求。但也正是由于屏蔽泵的使用，限制了主泵的尺寸和功率，惰性飞轮转动惯量也较小。随着制造工艺的进步和对材料研究的深入，可适当放大主泵的尺寸和功率，加大惰性飞轮的转动惯量，增加安全的裕度。
AP1000设计控制文件DCD最初是在主泵启动和反应堆冷却剂低温运行时启用变频器来驱动主泵。但在功率运行时，变频器自动被旁路退出运行。美国电网和国内电网的频率不一致，分别为60Hz和50Hz，导致在国内AP1000核电厂主泵在功率运行时变频器必须提供主泵电机所需要的60Hz电源。主泵制造材料和加工工艺要求非常高，目前国内暂时还不能研发制造50Hz国产化产品，因此在国内AP1000核电项目中对主泵变频器的可靠性和可用性指标提出了很高的要求。除了变频器关键的元器件外，控制器及附属冷却支持系统都必须考虑可靠性及可用性指标。另外变频器长时间运行还需考虑电子器件的老化问题。随着50Hz主泵的研制和国产化，可以在后续的AP1000核电项目使用同美国一样的运行方式，以降低对变频器的依赖。
AP1000主泵电气回路除两个串联的1E级断路器及其贯穿件、变频器之后的连接电力电缆需要考虑在0-60Hz的频率范围内工作外，变频器断路器和变频器之前的连接电力电缆只需要按照0-50Hz工频工作考虑即可。主泵1E级断路器执行安全功能，可靠地断开主泵电动机，可靠性要求高。当主泵电机失电后，转子线圈剩磁切割定子线圈，反馈电能至定子线圈，形成制动并将降低主泵惰转的时间，所以1E级断路器要求采用快速断路器。在1E级断路器断开的同时，还需要将其跳闸信号快速反馈给变频器执行输出闭锁。1E级断路器和变频器断路器柜均采用金属封闭型开关柜，断路器采用真空断路器。 4.AP1000主泵电气二次回路设计
主泵变频器断路器由电厂控制系统PLS控制，并接受变频器故障信号联锁跳闸。其控制回路采用硬接线，测量和保护相关信息通过微机综保装置以通讯方式传送至PLS。
变频器自带双重冗余备用的控制器，分别通过两根独立的光纤通道连接至PLS。PLS与变频器之间的接口信号主要有三类：变频器控制命令信号、变频器状态反馈信号及其变频器自身监测信号。
主泵1E级断路器1和2均采用硬接线，控制回路连接至PMS。PLS通过冗余的双通讯通道连接到保护和安全监测系统PMS。两者均受PMS和PLS控制，但PMS系统的控制命令优先于PLS系统。两个断路器与PMS之间的接口采用核安全级模块作为隔离措施。当PLS控制指令发出时，通过冗余的双通讯通道传送至PMS，再由PMS输出执行相关操作。PMS操作主泵1E级断路器时，传送两个独立的分、合闸操作指令分别至相应序列的主泵1E级断路器。主泵1E级断路器1对应于B序列，主泵1E级断路器2对应于C序列。PMS和PLS均接收来自于两个断路器的状态反馈信号，只不过PLS接收状态信号是通过PMS中转。
主泵变频器断路器至变频器回路，设置配电馈线微机保护装置。主要配置有速断、过流、接地保护功能，直接动作于主泵变频器断路器跳闸。
主泵1E级断路器1设置两套独立的电气贯穿件微机保护装置。设置有低电压、逆功率、负序电流、负序电压、过载、速断、过流、过电压、频率保护功能，直接动作于主泵1E级断路器1跳闸。
主泵1E级断路器2设置两套独立的主泵电机微机保护装置。设置有低电压、逆功率、负序电流负序电压、过负荷、速断、过流、频率保护功能，直接动作于主泵1E级断路器2跳闸。
变频器自带保护，其主要的保护功能有电动机保护：包含速断、过流、带时延接地过电压保护、过电压、电机超速、输出缺相。另外对输入电气回路的保护：包含输入过电压、输入电压丢失、输入相平衡、输入缺相、输入接地故障、输入隔离变压器温度过高。
主泵电机本体带有震动传感器，将主泵运转时的震动信息送至专用监测系统SMS。还带有速度传感器，将转速信息送至PMS。温度传感器将温度信号送至PLS。通过该三个传感器实现对主泵电机本体的监视。
5.结语和展望
AP1000作为革新型的三代核电站，一个主要的创新点就是改进了二代核电站主泵设计。AP1000主泵的电气回路电气设备众繁多，运行方式复杂，与外部系统接口众多。对AP1000主泵的电气回路详细分析和研究有助于主泵及其1E级断路器的国产化研究。
目前国内在二代和二代加的核电厂电气设计上有着丰富的经验，但与AP1000等为代表的三代核电厂电气设计方案相比有了较大的变化。在将来的三代核电厂电气设计工作中，可充分消化、吸收和借鉴ALWR URD的资料及其AP1000项目宝贵经验，逐步发展并形成自主化设计的第三代核电厂。
参考文献
[1]林诚格，郁祖盛等.非能动安全先进核电厂AP1000 [M].第1版，原子能出版社，2008年8月
[2]孙汉虹等.第三代核电技术AP1000.2010年9月
[3]马习鹏.探讨改进AP1000标准设计.2008年9月