CN201584857U - 基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于核电站控制棒驱动机构用电源技术领域，具体涉及一种基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源，目的是提供一种结构简单、性能可靠，能满足核电厂运行要求的反应堆控制棒驱动机构电源。其特征在于：它包括两套电动机-飞轮-发电机组(1)、控制柜、配电柜和电动机断路器；电动机-飞轮-发电机组通过电动机断路器与外部380VAC连接，通过发电机断路器向负载供电；控制柜实现电动机-飞轮-发电机组的保护和工作状态控制；配电柜实现负载的配电。本实用新型的有益效果是：1.采用无刷发电机可以避免有刷电机在系统运行过程中的电刷磨损，避免因为电刷磨损引起的非故障停机；2.提高了机组运行的稳定性和电站运行的经济性。

Description

基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源

技术领域

本实用新型属于核电站控制棒驱动机构用电源技术领域，具体涉及一种基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源。

背景技术

核电站控制棒驱动机构电源(编码为RAM系统)是经过隔离并独立于厂用电源的系统，专门为反应堆控制棒驱动机构供电。为了确保核电站安全可靠运行，要求该系统按规定参数长期连续运转，并在厂用电源短时失电时能够维持供电，在异常状况下能够自我保护。

迄今为止，我国所有核电厂中基于发电机的控制棒驱动机构电源系统，全部采用进口国外早年设计的老式产品。而国外制造的控制棒驱动机构电源系统采用有刷发电机，但是由于电刷的磨损，不仅需要定期维护，而且带来故障隐患，有可能造成机组的意外停机。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种结构简单、性能可靠，能满足核电厂运行要求的基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源。

本实用新型是这样实现的：

一种基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源，两套电动机-飞轮-发电机组、配电柜和电动机断路器，电动机-飞轮-发电机组通过电动机断路器与外部380VAC连接，通过发电机断路器向负载供电；配电柜实现负载的配电；它还包括控制柜；控制柜实现电动机-飞轮-发电机组的保护和工作状态控制。

如上所述的电动机-飞轮-发电机组包括异步电动机、惯性飞轮和无刷发电机，惯性飞轮与异步电动机和无刷发电机的转子同轴固定连接；异步电动机的定子绕阻与电动机断路器的另一端连接，异步电动机的轴与飞轮的一端连接，它在线电压为380VAC、频率为50Hz的交流电压的驱动下转动，带动惯性飞轮和无刷发电机转动；惯性飞轮的另一端与无刷发电机相连接，它保证整个驱动轴的转动部件具有足够的转动惯量，当异步电动机失电不超过1.2秒时，确保发电机输出电压的跌落不超过10％和输出频率跌落不超过12％；无刷发电机的输出端与发电机断路器的一端连接，它在异步电动机和惯性飞轮的带动下转动发电。

如上所述的异步电动机额定功率的为132kW、额定电压为三相380VAC、额定频率为50Hz、同步转速为1500rpm；惯性飞轮的转动惯量≥302Kg·m²；无刷发电机的输出电压为额定线电压260VAC、额定频率50Hz的三相交流电，无刷发电机的额定视在功率为400KVA，额定有功功率为100KW，负载功率因数为0.25；所述的整个驱动轴的转动部件包括电动机转子、飞轮和发电机转子。

如上所述的控制柜包括2个单发电机组控制柜和1个公共控制柜；所述的单机组控制柜控制单发电机组的启动、停止，采集无刷发电机励磁回路励磁电压、励磁电流，无刷发电机输出端母线的输出电压、输出电流，并进行显示；它还实现电动机-飞轮-发电机组故障信号的采集以及保护；所述的公共控制柜实现双机组的并机、解列，电动机-飞轮-发电机组母线故障信号采集以及无刷发电机保护。

如上所述的保护动作包括差分保护、失磁保护、逆功率保护、过流保护、断路器故障和系统欠频保护。

如上所述的单机组控制柜包括保护继电器、中间继电器、PLC控制器、显示装置、断路器开关、变压器和辅助电源；

保护继电器包括失磁保护继电器、欠压保护继电器、逆功率保护继电器、过流保护继电器和差分保护继电器；

失磁保护继电器与无刷发电机励磁回路和PLC控制器相连接，通过安装在励磁回路中的分流器采集无刷发电机励磁回路励磁电流，向PLC控制器发送励磁回路励磁电流是否正常信号；当无刷发电机励磁回路电流低于设定值时，失磁保护继电器动作，PLC控制器采集到失磁保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现失磁保护，失磁保护动作为断开故障发电机组的发电机断路器；

欠压保护继电器的输入触点与变压器的输出端连接，输出触点和PLC控制器相连接，欠压保护继电器采集无刷发电机输出端母线的输出电压，当发电机输出端母线的输出电压信号低于设定值时，欠压保护继电器动作，PLC控制器采集到欠压保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现欠压保护，欠压保护为断开故障发电机组的发电机断路器；

逆功率保护继电器的输入触点与电流互感器的输出端和变压器的输出端连接，继电器的输出触点和PLC控制器连接，它采集电流互感器输出的电流信号和无刷发电机输出端母线的输出电压，进行逆功率检测；当逆功率继电器检测到电动机-飞轮-发电机组的逆功率信号后，逆功率保护继电器动作，PLC控制器采集到逆功率保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现逆功率保护，保护动作为断开故障机组的发电机断路器，将出现逆功率的机组从母线解列；

过流保护继电器的输入触点与电流互感器的输出端连接，继电器的输出触点和PLC控制器连接，它采集电流传感器输出的电流信号，进行过流检测；当电流传感器输出的电流信号超过设定值时，过流保护继电器动作，PLC控制器采集到过流保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现过流保护，保护动作为断开故障机组的发电机断路器；

差分保护继电器的两个输入触点分别与安装在无刷发电机定子公共端及输出端母线的电流互感器的输出端连接，差分保护继电器的输出触点和PLC控制器连接；它采集无刷发电机定子绕组两端的电流信号，进行差分检测；当无刷发电机定子绕组两端电流不平衡量超过设定值时，差分保护继电器动作，PLC控制器采集到差分保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现无刷发电机差分保护，保护动作为断开故障机组的发电机断路器；

变压器的输入端与隔离开关的另一端相连接，用于将无刷发电机输出端母线的电压转换成保护继电器输入信号允许的电压；

显示装置与无刷发电机励磁回路励磁绕组输出端、安装在无刷发电机励磁回路上的分流器的输出端、安装在无刷发电机输出端母线上的电流互感器的输出端和隔离开关连接，用于显示采集到的无刷发电机励磁回路励磁电流、励磁电压、无刷发电机输出端母线上的电流和电压；

电动机断路器开关与PLC控制器相连，它向PLC控制器送入允许断开或闭合电动机断路器的信号；它在操作人员的操作下闭合或断开；当电动机断路器开关闭合时，启动电动机；当开关断开时，停止异步电动机；发电机断路器开关与PLC控制器相连，它向PLC控制器送入允许断开或闭合发电机断路器的信号；它在操作人员的操作下闭合或断开；

中间继电器实现断路器开关状态、断路器状态以及PLC控制器I/O端口口的扩展，包括容量扩展和数量扩展，同时实现从24V控制信号到48V控制信号的转换；实现机组保护、本机状态显示和本控制柜状态信号输出；

辅助电源为单机组控制柜内各器件供电；

PLC控制器接收来自保护继电器的触点信号、断路器开关状态信号、断路器状态信号以及其它控制柜状态信号，根据设定程序运行，进行逻辑符合判断，向外发出控制信号，控制1套电动机-飞轮-发电机组的启动、停止，当保护继电器动作时向外输出相应的保护控制信号和报警信号，实现电动机-飞轮-发电机组故障信号的采集以及保护，保护动作包括组差分保护、失磁保护、逆功率保护、过流保护、断路器故障和系统欠频保护；所述的其它控制柜状态信号包括公共控制柜总线欠频控制信号、公共控制柜发电机并机允许信号和另一单机控制柜发电机开关状态及发电机断路器状态信号。

如上所述的包括保护继电器、同步继电器、中间继电器、PLC控制器、显示装置、断路器开关和辅助电源；

保护继电器包括欠压保护继电器、欠频保护继电器、接地故障检测继电器；

欠压保护继电器的输入端通过变压器同260VAC公共母线连接，继电器的输出触点和PLC控制器连接；当260VAC公共母线的电压低于设定值时，欠压保护继电器动作，PLC控制器采集到欠压保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现母线欠压保护，保护动作为断开正在运行的电动机-飞轮-发电机组机组相应的发电机断路器；

欠频保护继电器的输入触点通过变压器同260VAC公共母线连接，继电器的输出触点和PLC控制器连接；当260VAC公共母线的频率低于设定值时，欠频保护继电器动作，PLC控制器采集到欠频保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现母线欠频保护，保护动作为断开正在运行的电动机-飞轮-发电机组机组相应的发电机断路器；

接地故障检测继电器测量260VAC公共母线中线同保护地之间的绝缘电阻，输出触点同PLC控制器相连接；当260VAC公共母线中线同保护地之间的绝缘电阻低于设定值时，接地故障检测继电器动作，PLC控制器采集到接地故障检测继电器动作信号后，经逻辑符合后实现接地故障保护，保护动作为断开正在运行的电动机-飞轮-发电机组机组相应的发电机断路器；

同步继电器输入信号为两个发电机输出端母线的电压信号，它检测两路电压的电压差值、频率差值以及相位差，在继电器内部进行计算及逻辑判断，当两路电压信号符合并机条件时，同步继电器输出触点动作，给出并机允许信号，该信号送入PLC控制器，配合单机组控制柜实现双机组并机；

显示装置的输入信号为两个无刷发电机输出端260VAC母线上的电压、在显示装置内部进行计算及逻辑判断，显示装置监视两路电压的压差、频差以及相位差，当具备同步条件时，显示装置会给出相应的同步允许指示；

中间继电器实现断路器开关状态、断路器状态、并机模式选择开关状态以及PLC控制器I/O端口的扩展，包括容量扩展和数量扩展，同时实现从24V控制信号到48V控制信号的转换；实现机组保护、并机、本机状态显示和本控制柜状态信号输出；

并机模式选择开关为一个3位选择开关，它通过操作人员的操作实现并机工作模式的选择；

辅助电源为公共控制柜内各器件供电；

PLC控制器接收来自保护继电器的信号和其它控制柜的状态信号，根据设定程序进行运算，进行逻辑符合判断，向外发出保护控制信号和报警信号，实现机组公共母线的报警和保护，实现机组并机的手动、半自动及全自动并机功能。

如上所述的配电柜包括2个单机组配电柜和1个公共配电柜；单机组配电柜实现向下游负载配电，同时配合公共控制柜实现机组运行过程中并机、解列；公共配电柜实现输出母线电压公共控制用电的配电，并安装并机专用负载以实现无真实负载状态下的机组并机。

如上所述的单机组配电柜包括发电机断路器、电流互感器、分流器、隔离开关和辅助电源；

发电机断路器安装在发电机与负载之间；

电流互感器安装在发电机断路器的进线端母线上，测量无刷发电机出线端的母线电流，为过流保护继电器、差分保护继电器、逆功率保护继电器以及电流显示提供信号；

分流器安装在发电机断路器的进线端母线上，测量无刷发电机输出端的母线电流，为该系统的备用输出接口；

隔离开关共有3个，其中2个安装在无刷发电机输出端和单机组控制柜的变压器之间，另一个安装在260VAC公共母线与公共控制柜的变压器之间；其中，2个隔离开关中1个的一端与1个无刷发电机输出端母线连接，另一端同1个单机组控制柜的变压器、公共控制柜的同步继电器和公共控制柜的显示装置相连；2个隔离开关中的另1个的一端与另1个发电机输出端母线连接，另一端同另1个单机组控制柜的变压器、公共控制柜的同步继电器和公共控制柜的显示装置相连；另一个隔离开关的一端与260VAC公共母线连接，另一端与公共控制柜的变压器相连接；它在操作人员的操作下闭合或断开；

辅助电源为单机组配电柜内各器件供电。

如上所述的公共配电柜包括一个小型的塑壳断路器、空载并机专用电阻和辅助电源；

小型塑壳断路器用于实现输出电压公共控制用电的配电开关，用于公共控制电压的配电，它在操作人员的操作下闭合或断开；

空载并机专用电阻为一个不大于10KW的小功率电阻，它在电动机空载并机时加载在母线上，并机完成后，切除该并机电阻；

辅助电源为公共配电柜内各器件供电。

本实用新型的有益效果是：

1.采用无刷发电机可以避免有刷电机在系统运行过程中的电刷磨损，从而避免因为电刷磨损引起的非故障停机；

2.由于有刷电机在并机状态下励磁绕组处于并联状态，而无刷电机则不需要励磁绕组并联，采用无刷电机可以避免并机状态下单无刷发电机励磁绕组故障(短路)引起的双机停机事故，提高了机组运行的稳定性和电站运行的经济性；

3.采用无刷电机避免了由于电刷磨损后的碳粉污染电机绕组引起的故障；

4.实施例中的无刷发电机具有高灵敏自励系统，在短期停机后(一年以内)可以利用剩磁(不需要外加励磁)直接启动发电，简化了设备结构以及运行程序，提高了设备的安全性和可靠性；

5.采用基于无刷发电机的PLC控制器，简化了控制棒电源系统控制结构，实现了系统的数字化保护功能；在不增加系统硬件设备的基础上，实现了模拟继电保护装置中不易于实现的全自动并机功能，简化了系统结构和操作程序，提高了系统运行的可靠性；

6.使用PLC作为控制器实现了系统的数字化控制，在设计过程过中可以方便实现I/O接口的冗余，提高了系统对控制处方变更的适应性。

7.在配电柜内增加了用于空载专用并机电阻，实现了在不带实际负载条件下的并机，并机成功率达100％。

附图说明

图1是本实用新型的一种基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源的系统框图；

图2是本实用新型的一种基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源的电气单线图；

图3是本实用新型的一种基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源的单机组控制柜局部结构原理图；

图4是本实用新型的一种基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源的公共控制柜局部结构原理图；

图中：1.两套电动机-飞轮-发电机机组，2.单机组控制柜，3.公共控制柜，4.单机组配电柜，5.公共配电柜，6.负载。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的一种基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源进行介绍：

如图1所示，一种基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源(RAM)，包括两套电动机-飞轮-发电机(MG)机组1、控制柜、配电柜和电动机断路器。

如图2所示，MG机组包括异步电动机、惯性飞轮和无刷发电机，惯性飞轮与异步电动机和无刷发电机的转子同轴固定连接。电动机断路器的一端与380VAC供电母线连接，另一端与异步电动机的定子绕阻连接；它在操作人员的操作下闭合或断开，当电动机断路器闭合时，异步电动机启动；当电动机断路器断开时，异步电动机停止。异步电动机的轴与飞轮的一端连接，它在线电压为380VAC、频率为50Hz的交流电压的驱动下转动，带动惯性飞轮和无刷发电机转动。在本实施例中，采用额定功率为132kW、额定电压为三相380VAC、额定频率为50Hz、同步转速为1500rpm的异步电动机。

惯性飞轮的另一端与无刷发电机相连接，它保证整个驱动轴的转动部件具有足够的转动惯量，当异步电动机失电不超过1.2秒时，确保无刷发电机输出电压的跌落不超过10％和输出频率跌落不超过12％。上述整个驱动轴的转动部件包括异步电动机转子、飞轮和无刷发电机转子。在本实施例中，惯性飞轮的转动惯量≥302Kg·m²。

无刷发电机的输出端与发电机断路器的一端连接，它在异步电动机和惯性飞轮的带动下转动发电，输出电压为额定线电压260VAC、额定频率50Hz的三相交流电，无刷发电机的额定视在功率为400KVA，额定有功功率为100KW，负载6功率因数为0.25。在本实施例中，无刷发电机在稳态工况下的额定电压为260V±5％(相-相电压)，同步转速为1500rpm。发电机断路器的另一端与负载6相连接，它在操作人员的操作下闭合或断开，当发电机断路器闭合时，向负载6供电；当电动机断路器断开时，停止向负载6供电。

图2中，异步电动机表示异步电动机，无刷发电机表示无刷发电机，飞轮表示惯性飞轮。

控制柜包括2个单无刷发电机组控制柜和1个双无刷发电机组控制柜。

单机组控制柜2控制单无刷发电机组的启动、停止，采集无刷发电机励磁回路励磁电压、励磁电流，无刷发电机输出端母线的输出电压、输出电流，并进行显示；它还实现无刷发电机组故障信号的采集以及保护，保护动作包括差分保护、失磁保护、逆功率保护、过流保护、断路器故障。

如图3所示，在本实施例中，单机组控制柜2包括保护继电器、中间继电器、PLC控制器、显示装置、断路器开关、变压器和辅助电源。

保护继电器包括失磁保护继电器、欠压保护继电器、逆功率保护继电器、过流保护继电器和差分保护继电器。

失磁保护继电器与无刷发电机励磁回路和PLC控制器相连接，通过安装在励磁回路中的分流器采集无刷发电机励磁回路励磁电流，向PLC控制器发送励磁回路励磁电流是否正常信号。当无刷发电机励磁回路电流(通过分流器采集电压信号)低于设定值时，失磁保护继电器动作，PLC控制器采集到失磁保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现失磁保护，失磁保护动作为断开故障无刷发电机组的发电机断路器。

欠压保护继电器的输入触点与变压器的输出端连接，它的输入信号为无刷发电机输出端母线电压，输出触点和PLC控制器相连接，欠压保护继电器采集无刷发电机输出端母线的输出电压，当无刷发电机输出端母线的输出电压信号低于设定值时，欠压保护继电器动作，PLC控制器采集到欠压保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现欠压保护，欠压保护为断开故障无刷发电机组的发电机断路器；在机组启动阶段，只有当欠压保护继电器无动作时，发电机断路器才可以闭合，否则，发电机断路器无法闭合。

逆功率保护继电器的输入触点与电流互感器的输出端和变压器的输出端连接，它的输入信号为无刷发电机输出端母线电压和电流，继电器的输出触点和PLC控制器连接，它采集电流互感器输出的电流信号和无刷发电机输出端母线的输出电压，进行逆功率检测。当逆功率继电器检测到MG机组的逆功率信号后，逆功率保护继电器动作，PLC控制器采集到逆功率保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现逆功率保护，保护动作为断开故障机组的发电机断路器，将出现逆功率的机组从母线解列。在双MG机组并机运行时，单机MG机组失电超过1.2s，失电MG机组被作为异步电动机运行，此时，触发逆功率保护。

过流保护继电器的输入触点与电流互感器的输出端连接，它的输入信号为无刷发电机输出端母线电流，继电器的输出触点和PLC控制器连接，它采集电流传感器输出的电流信号，进行过流检测。当电流传感器输出的电流信号超过设定值时，过流保护继电器动作，PLC控制器采集到过流保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现过流保护，保护动作为断开故障机组的发电机断路器。

差分保护继电器的两个输入触点分别与安装在无刷发电机定子公共端及输出端母线的电流互感器的输出端连接，它的输入信号为无刷发电机定子公共端及输出端的电流信号，差分保护继电器的输出触点和PLC控制器连接。它采集无刷发电机定子绕组两端的电流信号，进行差分检测。当无刷发电机定子绕组两端电流不平衡量超过设定值时，差分保护继电器动作，PLC控制器采集到差分保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现无刷发电机差分保护，保护动作为断开故障机组的发电机断路器。

上述保护继电器的设定值的范围可以根据实际运行的需要进行调节。

上述PLC控制器实现逻辑符合和进行相应的保护动作为现有技术。

变压器的输入端与隔离开关的另一端相连接，用于将无刷发电机输出端母线的电压转换成保护继电器输入信号允许的电压，本实施例中，变压器的变比为2.6∶1。

显示装置与无刷发电机励磁回路励磁绕组输出端、安装在无刷发电机励磁回路上的分流器的输出端、安装在无刷发电机输出端母线上的电流互感器的输出端和隔离开关连接变压器的一端连接，用于动态显示采集到的无刷发电机励磁回路励磁电流、励磁电压、无刷发电机输出端母线上的电流和电压。显示装置由显示表头和指示灯实现，可采用现有技术实现。

断路器开关包括电动机断路器开关和发电机断路器开关。电动机断路器开关与PLC控制器相连，它向PLC控制器送入允许断开或闭合电动机断路器的信号。它在操作人员的操作下闭合或断开。当电动机断路器开关闭合时，启动异步电动机；当电动机断路器开关断开时，停止异步电动机。发电机断路器开关与PLC控制器相连，它向PLC控制器送入允许断开或闭合发电机断路器的信号。它在操作人员的操作下闭合或断开。

中间继电器实现断路器开关状态、断路器状态以及PLC控制器I/O端口口的扩展，包括容量扩展和数量扩展，同时实现从24V控制信号(PLC输出信号)到48V控制信号(保护动作的驱动信号)的转换，实现机组保护、本机状态显示和本控制柜状态信号输出。中间继电器实现上述功能为现有技术。

辅助电源为单机组控制柜2内各器件供电。

PLC控制器接收来自保护继电器的信号、断路器开关的状态信号、断路器的状态信号以及其它控制柜的状态信号。上述其它控制柜状态信号包括公共控制柜3总线欠频控制信号、公共控制柜3无刷发电机并机允许信号和另一单机控制柜无刷发电机开关状态及发电机断路器状态信号。PLC控制器根据设定程序运行，进行逻辑符合判断，向外发出控制信号，控制1个MG机组的启动、停止，当保护继电器动作时向外输出相应的保护控制信号和报警信号，实现MG机组故障信号的采集以及保护。上述保护动作包括组差分保护、失磁保护、逆功率保护、过流保护、断路器故障和系统欠频保护，均通过中间继电器实现。PLC控制器为现有技术，它根据实现功能采取现有技术实现。

在本实施例中，在PLC控制器I/O端口的配置过程中采用必要的冗余设计，即I/O端口相比较实际的实用量多出至少20％，并配备必要的中间继电器实现I/O端口的扩展，在此种条件下，对于系统控制方案的升级，如增加保护功能或者更改保护逻辑等，所有的逻辑符合均可以通过更改软件的方式来实现，不需要大幅度的更改硬件逻辑电路，只需要更改局部接线即可实现对与控制处方变更的适应。

如图4所示，在本实施例中，公共控制柜3包括保护继电器、同步继电器、中间继电器、PLC控制器、显示装置、断路器开关、并机模式选择开关和辅助电源，实现双机组的并机、解列，MG机组母线故障信号采集以及无刷发电机保护。保护动作包括总线欠压保护、欠频保护、接地故障保护等及相应的故障指示。

保护继电器包括欠压保护继电器、欠频保护继电器、接地故障检测继电器。

两个发电机断路器另一端短接作为260VAC公共母线。欠压保护继电器的输入端通过变压器同260VAC公共母线连接。260VAC公共母线连接两个发电机断路器和负载6，欠压保护继电器的输出触点和PLC控制器连接。当260VAC公共母线的电压低于设定值时，欠压保护继电器动作，PLC控制器采集到欠压保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现母线欠压保护，保护动作为断开正在运行MG机组的发电机断路器。

欠频保护继电器的输入触点通过变压器同260VAC公共母线连接，继电器的输出触点和PLC控制器连接。当260VAC公共母线的频率低于设定值时，欠频保护继电器动作，PLC控制器采集到欠频保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现母线欠频保护，保护动作为断开正在运行无刷发电机组的发电机断路器。

接地故障检测继电器测量260VAC公共母线中线(N线)同保护地之间的绝缘电阻，输出触点同PLC控制器相连接。当260VAC公共母线中线(N线)同保护地之间的绝缘电阻低于设定值时，接地故障检测继电器动作，PLC控制器采集到接地故障检测继电器动作信号后，经逻辑符合后实现接地故障保护，保护动作为断开正在运行机组的发电机断路器。

上述保护继电器的设定值的范围可以根据实际运行的需要进行调节。

同步继电器输入信号为两个无刷发电机输出端母线的电压信号，它检测两路电压的电压差值、频率差值以及相位差，在继电器内部进行计算及逻辑判断，当两路电压信号符合并机条件时，即相位差、压差、频差均符合并机条件时，同步继电器输出触点动作，给出并机允许信号，该信号送入PLC控制器，配合单机控制柜实现双机组并机。继电器内部进行计算及逻辑判断两路电压信号是否符合并机条件为现有技术。

显示装置的输入信号为两个无刷发电机输出端260VAC母线上的电压、在显示装置内部进行计算及逻辑判断，显示为动态显示，显示装置监视两路电压的压差、频差以及相位差，当具备同步条件时，显示装置会给出相应的同步允许指示。在本实施例中，显示装置为同步指示器，它为现有技术。

中间继电器实现断路器开关状态、断路器状态、并机模式选择开关状态以及PLC控制器I/O端口的扩展，包括容量扩展和数量扩展，同时实现从24V控制信号(PLC输出信号)到48V控制信号(保护动作的驱动信号)的转换，实现机组保护、并机、本机状态显示和本控制柜状态信号输出。

并机模式选择开关为一个3位选择开关，它通过操作人员的操作实现并机工作模式的选择，并机工作模式包括：手动并机、半自动并机及自动并机。

辅助电源为公共控制柜3内各器件供电。

PLC控制器接收来自保护继电器的信号和其它控制柜的状态信号。上述其它控制柜的状态信号包括单机控制柜电动机断路器状态信号和单机控制柜无刷发电机开关状态及发电机断路器状态信号。PLC控制器根据设定程序进行运算，进行逻辑符合判断，向外发出保护控制信号和报警信号，实现机组公共母线的报警和保护，实现机组并机的手动、半自动及全自动并机功能。PLC控制器为现有技术，它根据实现功能采取现有技术实现。

手动并机：由操作人员将并机模式选择开关选择至手动并机模式，由操作人员依次闭合1个MG机组的电动机断路器开关、1个MG机组上的发电机断路器开关、另1个MG机组的电动机断路器开关，待显示装置同步信号指示同步允许时，闭合另1个MG机组发电机断路器开关，在此过程中，同步继电器输出信号被屏蔽，一致保持同步允许状态。

半自动并机：由操作人员将并机模式选择开关选择至半自动并机模式，由操作人员依次闭合1个MG机组的电动机断路器开关、1个MG机组发电机断路器开关、另1个MG机组的电动机断路器开关、另1个MG机组发电机断路器开关，上述信号均由单机组控制柜2送入公共控制柜3进行逻辑符合，符合设定条件时，公共控制柜3发出同步允许信号。此时，在公共控制柜3的同步允许信号未到达之前，1个MG机组的电动机断路器、1个MG机组的发电机断路器、另1个MG机组的电动机断路器均闭合，另1个MG机组的发电机断路器未闭合，此时由公共控制柜PLC控制器判断是否符合同步条件，待同步条件符合后，控制另1个MG机组的发电机断路器闭合，实现并机。

全自动并机：由操作人员将并机模式选择开关选择至全自动并机模式，由公共控制柜3和两个单机控制柜的3个PLC控制器按照预先设定的并机程序闭合各个开关及断路器，实现全自动并机。

配电柜包括2单机组配电柜4和1个公共配电柜5。

单机组配电柜4实现向下游负载6配电，同时配合公共控制柜3实现机组运行过程中并机、解列，柜内包括发电机断路器、电流互感器、分流器、隔离开关和辅助电源。

电流互感器安装在发电机断路器的进线端母线上，测量无刷发电机出线端的母线电流，为单机控制柜内的过流保护继电器、差分保护继电器、逆功率保护继电器以及电流显示提供信号。电流互感器为现有技术。

分流器安装在发电机断路器的进线端母线上，测量无刷发电机输出端的母线电流，为该系统的备用输出接口，在本系统的负载6为控制棒驱动机构(RGL)负载6时，回路中存在大量的直流分量，此时电流互感器已经不能够满足回路电流的测量，需要分流器的配合以实现回路电流的测量。

隔离开关共有3个，其中2个安装在无刷发电机输出端和单机组控制柜2的变压器之间，另一个安装在260VAC公共母线与公共控制柜3的变压器之间。其中，2个隔离开关中1个的一端与1个无刷发电机输出端母线连接，另一端同1个单机组控制柜2中的变压器、公共控制柜3的同步继电器和公共控制柜3的显示装置相连。2个隔离开关中的另1个的一端与另1个无刷发电机输出端母线连接，另一端同另1个单机组控制柜2中的变压器、公共控制柜3的同步继电器和公共控制柜3的显示装置相连。另一个隔离开关的一端与260VAC公共母线连接，另一端与公共控制柜3中的变压器相连接。它们在操作人员的操作下闭合或断开。

辅助电源为MG机组下游配电柜内各器件供电。

公共配电柜5实现输出母线电压公共控制用电的配电，并安装并机专用负载6以实现无真实负载6状态下的机组并机。

公共配电柜5包括一个小型的塑壳断路器、空载并机专用电阻和辅助电源。

小型塑壳断路器用于实现输出电压公共控制用电的配电开关，此开关用于公共控制电压的配电，属于该系统的必备外部接口，它在操作人员的操作下闭合或断开。

空载并机专用电阻为一个不大于10KW的小功率电阻，在异步电动机空载并机时，将它在加载无刷发电机公共的母线上，并机完成后，切除该并机电阻，使用该方法，可以使得并机成功率达到100％。异步电动机空载并机对于异步电动机来说一直是一个技术难点，如果不使用并机电阻，并机的允许条件频差和压差容易满足，但是第三个条件相位差对于两个均处于空载状态下的异步电动机而言是很难满足的，因为此时的两套机组输出电压的相位差是固定的，没法改变。采用空载并机专用电阻，就可以使两套机组的其中一套处于空载状态，另一套处于小负载6状态，使两套机组有很小的频率差值，既满足频差的要求，同时使得相位差处在一种动态的变化过程，此种条件下，并机的允许条件必定是可以满足的，因此，使用该空载并机专用电阻可实现不带实际负载6条件下的100％并机成功率。

辅助电源为公共配电柜5内各器件供电。

同时所有的机柜内均安装防凝露加热器。

RAM系统工作过程如下：

核电站反应堆启堆运行时，RAM系统首先启动。1个MG机组(或另1个MG机组)的380VAC电源断路器闭合后，异步电动机带动该机组的飞轮和无刷发电机在29s内完成启动，达到额定转速；无刷发电机励磁定子的剩磁(或辅助电源产生的磁场)使励磁机转子(与主励磁转子同轴)感应出交流电压，经安装在同一轴上的整流器变换为直流电后直接给主励磁转子供电，产生旋转磁场，无刷发电机的主定子线圈在旋转磁场中感应出260V交流电，这个电压也作为自动电压调节器(AVR)的参考电压，控制由辅助电源提供给励磁定子的电流，使输出的260V电压得以稳定。以同样的方式可以启动另1个MG机组(或1个MG机组)，启动不分先后。任意一个MG机组产生的功率均可以保证负载6(RGL系统)正常工作。

为了提高可靠性，需要两个MG机组并联运行。并联时，由操作人员选择并机模式(手动、半自动、自动)，实现不同并机模式下的机组并机。在并机过程中，首先启动1号(或2号)MG机组，并闭合其发电机断路器，加载并机专用负载6；然后启动2号(或1号)MG机组并使其空载，由于负载6的不同，两台无刷发电机的输出频率将产生差异，当同步仪表检测到两台无刷发电机的相位差、电压差以及频率差符合并机条件后，操作另一台发电机断路器闭合，使两个MG机组并联工作，为负载6(RGL系统)供电。

如果任意一个MG机组发生故障，可以通过断开其断路器将其隔离检修，由另一个MG机组单独为负载6(RGL系统)供电，即使它的异步电动机发生短时失电，其飞轮的储能也可以保证持续供电时间大于1.2秒。检修完毕后，可按前述步骤再并机运行。

在并联运行中，当任意一台异步电动机失电(或故障)时，该机组将丧失(或减弱)驱动力，该MG机组的无刷发电机转变为异步电动机运行，由另外一套机组的无刷发电机为其提供动力同时还要给负载6供电，这种状况由逆功率检测装置检测，并经过适当延时(以鉴别短时失电)后，自动断开失电(或故障)机组的断路器将其隔离，由正常的那个MG机组单独为负载6(RGL系统)供电。

在并联运行中，当两台异步电动机同时失电时，两套机组同时丧失驱动力，由于惯性飞轮的储能作用，它们将同时缓慢降低转速，以保证能够为负载6提供至少1.2秒的供电时间。如果1.2秒后异步电动机电源仍不能恢复，将通过欠频(≤44Hz)或欠压(

)检测，同时断开两个MG机组的发电机断路器和电动机断路器，使负载6完全失电，这种情况在核电站被判别为厂用电源故障，应当落棒停堆，因此断电是属于偏安全的操作动作。故障排除后，可按前述过程再次启动。

Claims (10)

1.一种基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源，两套电动机-飞轮-发电机组(1)、配电柜和电动机断路器，电动机-飞轮-发电机组(1)通过电动机断路器与外部380VAC连接，通过发电机断路器向负载(6)供电；配电柜实现负载(6)的配电；其特征在于：它还包括控制柜；控制柜实现电动机-飞轮-发电机组(1)的保护和工作状态控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源，其特征在于：所述的电动机-飞轮-发电机组(1)包括异步电动机、惯性飞轮和无刷发电机，惯性飞轮与异步电动机和无刷发电机的转子同轴固定连接；异步电动机的定子绕阻与电动机断路器的另一端连接，异步电动机的轴与飞轮的一端连接，它在线电压为380VAC、频率为50Hz的交流电压的驱动下转动，带动惯性飞轮和无刷发电机转动；惯性飞轮的另一端与无刷发电机相连接，它保证整个驱动轴的转动部件具有足够的转动惯量，当异步电动机失电不超过1.2秒时，确保发电机输出电压的跌落不超过10％和输出频率跌落不超过12％；无刷发电机的输出端与发电机断路器的一端连接，它在异步电动机和惯性飞轮的带动下转动发电。

3.根据权利要求1所述的一种基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源，其特征在于：所述的异步电动机额定功率的为132kW、额定电压为三相380VAC、额定频率为50Hz、同步转速为1500rpm；惯性飞轮的转动惯量≥302Kg·m²；无刷发电机的输出电压为额定线电压260VAC、额定频率50Hz的三相交流电，无刷发电机的额定视在功率为400KVA，额定有功功率为100KW，负载(6)功率因数为0.25；所述的整个驱动轴的转动部件包括电动机转子、飞轮和发电机转子。

4.根据权利要求1所述的一种基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源，其特征在于：所述的控制柜包括2个单发电机组控制柜(2)和1个公共控制柜(3)；所述的单机组控制柜(2)控制单发电机组的启动、停止，采集无刷发电机励磁回路励磁电压、励磁电流，无刷发电机输出端母线的输出电压、输出电流，并进行显示；它还实现电动机-飞轮-发电机组(1)故障信号的采集以及保护；所述的公共控制柜(3)实现双机组的并机、解列，电动机-飞轮-发电机组(1)母线故障信号采集以及无刷发电机保护。

5.根据权利要求4所述的一种基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源，其特征在于：所述的保护动作包括差分保护、失磁保护、逆功率保护、过流保护、断路器故障和系统欠频保护。

6.根据权利要求4或5所述的一种基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源，其特征在于：所述的单机组控制柜(2)包括保护继电器、中间继电器、PLC控制器、显示装置、断路器开关、变压器和辅助电源；

保护继电器包括失磁保护继电器、欠压保护继电器、逆功率保护继电器、过流保护继电器和差分保护继电器；

失磁保护继电器与无刷发电机励磁回路和PLC控制器相连接，通过安装在励磁回路中的分流器采集无刷发电机励磁回路励磁电流，向PLC控制器发送励磁回路励磁电流是否正常信号；当无刷发电机励磁回路电流低于设定值时，失磁保护继电器动作，PLC控制器采集到失磁保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现失磁保护，失磁保护动作为断开故障发电机组的发电机断路器；

欠压保护继电器的输入触点与变压器的输出端连接，输出触点和PLC控制器相连接，欠压保护继电器采集无刷发电机输出端母线的输出电压，当发电机输出端母线的输出电压信号低于设定值时，欠压保护继电器动作，PLC控制器采集到欠压保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现欠压保护，欠压保护为断开故障发电机组的发电机断路器；

逆功率保护继电器的输入触点与电流互感器的输出端和变压器的输出端连接，继电器的输出触点和PLC控制器连接，它采集电流互感器输出的电流信号和无刷发电机输出端母线的输出电压，进行逆功率检测；当逆功率继电器检测到电动机-飞轮-发电机组(1)的逆功率信号后，逆功率保护继电器动作，PLC采集到逆功率保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现逆功率保护，保护动作为断开故障机组的发电机断路器，将出现逆功率的机组从母线解列；

过流保护继电器的输入触点与电流互感器的输出端连接，继电器的输出触点和PLC控制器连接，它采集电流传感器输出的电流信号，进行过流检测；当电流传感器输出的电流信号超过设定值时，过流保护继电器动作，PLC采集到过流保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现过流保护，保护动作为断开故障机组的发电机断路器；

差分保护继电器的两个输入触点分别与安装在无刷发电机定子公共端及输出端母线的电流互感器的输出端连接，差分保护继电器的输出触点和PLC控制器连接；它采集无刷发电机定子绕组两端的电流信号，进行差分检测；当无刷发电机定子绕组两端电流不平衡量超过设定值时，差分保护继电器动作，PLC采集到差分保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现无刷发电机差分保护，保护动作为断开故障机组的发电机断路器；

变压器的输入端与隔离开关的另一端相连接，用于将无刷发电机输出端母线的电压转换成保护继电器输入信号允许的电压；

显示装置与无刷发电机励磁回路励磁绕组输出端、安装在无刷发电机励磁回路上的分流器的输出端、安装在无刷发电机输出端母线上的电流互感器的输出端和隔离开关连接，用于显示采集到的无刷发电机励磁回路励磁电流、励磁电压、无刷发电机输出端母线上的电流和电压；

电动机断路器开关与PLC控制器相连，它向PLC控制器送入允许断开或闭合电动机断路器的信号；它在操作人员的操作下闭合或断开；当电动机断路器开关闭合时，启动电动机；当开关断开时，停止异步电动机；发电机断路器开关与PLC控制器相连，它向PLC控制器送入允许断开或闭合发电机断路器的信号；它在操作人员的操作下闭合或断开；

中间继电器实现断路器开关状态、断路器状态以及PLC控制器I/O端口口的扩展，包括容量扩展和数量扩展，同时实现从24V控制信号到48V控制信号的转换；实现机组保护、本机状态显示和本控制柜状态信号输出；

辅助电源为单机组控制柜内各器件供电；

PLC控制器接收来自保护继电器的触点信号、断路器开关状态信号、断路器状态信号以及其它控制柜状态信号，根据设定程序运行，进行逻辑符合判断，向外发出控制信号，控制1套电动机-飞轮-发电机组(1)的启动、停止，当保护继电器动作时向外输出相应的保护控制信号和报警信号，实现电动机-飞轮-发电机组(1)故障信号的采集以及保护，保护动作包括组差分保护、失磁保护、逆功率保护、过流保护、断路器故障和系统欠频保护；所述的其它控制柜状态信号包括公共控制柜总线欠频控制信号、公共控制柜发电机并机允许信号和另一单机控制柜发电机开关状态及发电机断路器状态信号。

7.根据权利要求4所述的一种基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源，其特征在于：所述的包括保护继电器、同步继电器、中间继电器、PLC控制器、显示装置、断路器开关和辅助电源；

保护继电器包括欠压保护继电器、欠频保护继电器、接地故障检测继电器；

欠压保护继电器的输入端通过变压器同260VAC公共母线连接，继电器的输出触点和PLC控制器连接；当260VAC公共母线的电压低于设定值时，欠压保护继电器动作，PLC控制器采集到欠压保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现母线欠压保护，保护动作为断开正在运行的电动机-飞轮-发电机组机组(1)相应的发电机断路器；

欠频保护继电器的输入触点通过变压器同260VAC公共母线连接，继电器的输出触点和PLC控制器连接；当260VAC公共母线的频率低于设定值时，欠频保护继电器动作，PLC控制器采集到欠频保护继电器动作信号后，经逻辑符合后实现母线欠频保护，保护动作为断开正在运行的电动机-飞轮-发电机组机组(1)相应的发电机断路器；

接地故障检测继电器测量260VAC公共母线中线同保护地之间的绝缘电阻，输出触点同PLC控制器相连接；当260VAC公共母线中线同保护地之间的绝缘电阻低于设定值时，接地故障检测继电器动作，PLC控制器采集到接地故障检测继电器动作信号后，经逻辑符合后实现接地故障保护，保护动作为断开正在运行的电动机-飞轮-发电机组机组(1)相应的发电机断路器；

同步继电器输入信号为两个发电机输出端母线的电压信号，它检测两路电压的电压差值、频率差值以及相位差，在继电器内部进行计算及逻辑判断，当两路电压信号符合并机条件时，同步继电器输出触点动作，给出并机允许信号，该信号送入PLC控制器，配合单机组控制柜(2)实现双机组并机；

显示装置的输入信号为两个无刷发电机输出端260VAC母线上的电压、在显示装置内部进行计算及逻辑判断，显示装置监视两路电压的压差、频差以及相位差，当具备同步条件时，显示装置会给出相应的同步允许指示；

中间继电器实现断路器开关状态、断路器状态、并机模式选择开关状态以及PLC控制器I/O端口的扩展，包括容量扩展和数量扩展，同时实现从24V控制信号到48V控制信号的转换；实现机组保护、并机、本机状态显示和本控制柜状态信号输出；

并机模式选择开关为一个3位选择开关，它通过操作人员的操作实现并机工作模式的选择；

辅助电源为公共控制柜(3)内各器件供电；

PLC控制器接收来自保护继电器的信号和其它控制柜的状态信号，根据设定程序进行运算，进行逻辑符合判断，向外发出保护控制信号和报警信号，实现机组公共母线的报警和保护，实现机组并机的手动、半自动及全自动并机功能。

8.根据权利要求1所述的一种基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源，其特征在于：所述的配电柜包括2个单机组配电柜(4)和1个公共配电柜(5)；单机组配电柜(4)实现向下游负载(6)配电，同时配合公共控制柜(3)实现机组运行过程中并机、解列；公共配电柜(5)实现输出母线电压公共控制用电的配电，并安装并机专用负载(6)以实现无真实负载(6)状态下的机组并机。

9.根据权利要求8所述的一种基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源，其特征在于：所述的单机组配电柜(4)包括发电机断路器、电流互感器、分流器、隔离开关和辅助电源；

发电机断路器安装在发电机与负载(6)之间；

电流互感器安装在发电机断路器的进线端母线上，测量无刷发电机出线端的母线电流，为过流保护继电器、差分保护继电器、逆功率保护继电器以及电流显示提供信号；

分流器安装在发电机断路器的进线端母线上，测量无刷发电机输出端的母线电流，为该系统的备用输出接口；

隔离开关共有3个，其中2个安装在无刷发电机输出端和单机组控制柜(2)的变压器之间，另一个安装在260VAC公共母线与公共控制柜(3)的变压器之间；其中，2个隔离开关中1个的一端与1个无刷发电机输出端母线连接，另一端同1个单机组控制柜(2)的变压器、公共控制柜(3)的同步继电器和公共控制柜(3)的显示装置相连；2个隔离开关中的另1个的一端与另1个发电机输出端母线连接，另一端同另1个单机组控制柜(2)的变压器、公共控制柜(3)的同步继电器和公共控制柜(3)的显示装置相连；另一个隔离开关的一端与260VAC公共母线连接，另一端与公共控制柜(3)的变压器相连接；它在操作人员的操作下闭合或断开；

辅助电源为单机组配电柜(4)内各器件供电。

10.根据权利要求8所述的一种基于无刷发电机的反应堆控制棒驱动机构电源，其特征在于：所述的公共配电柜(5)包括一个小型的塑壳断路器、空载并机专用电阻和辅助电源；

小型塑壳断路器用于实现输出电压公共控制用电的配电开关，用于公共控制电压的配电，它在操作人员的操作下闭合或断开；

空载并机专用电阻为一个不大于10KW的小功率电阻，它在电动机空载并机时加载在母线上，并机完成后，切除该并机电阻；

辅助电源为公共配电柜(5)内各器件供电。

Images