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 摘要：控制棒是核反應(yīng)堆堆芯反應(yīng)性控制的關(guān)鍵設(shè)備，核電廠控制棒驅(qū) 動采用鉤爪步進(jìn)式磁力提升方式，棒控系統(tǒng)電源柜MDP模塊提供驅(qū)動機(jī) 構(gòu)線圈的激勵電流。為確保兩個鉤爪按照既定時序正確動作，當(dāng)靜態(tài)電 流超限、動態(tài)過程電流或調(diào)節(jié)時間超限，MDP均發(fā)出電流故障報警。 以鉤爪嚙合滯后、晶閘管擊穿、控制電路故障、霍爾傳感回路異常四種 典型案例，結(jié)合CRDM運(yùn)行原理和MDP電流監(jiān)測機(jī)制，分析電流故障原 因，提供維修建議方案。

關(guān)鍵詞：控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)；電源柜；MDP模塊；電流故障

Abstract: Rod clusters control assemblies (RCCAs) are the pivotal  equipment for controlling the reactivity of the core of nuclear reactor.  The control rod drive of the nuclear power plant adopts the hook and  claw stepping magnetic lifting mode, and the MDP module of the power  cabinet of the rod control system provides the excitation current of  the drive mechanism coil. To verify grippers operating normally as the  requested sequences, MDP monitors the measured current in the coils.  MDP produces current fault in case that the measured current exceeds  standard in static or dynamic condition, and that the transition time  exceeds the threshold. In this paper, four typical cases, i.e. hook claw  engagement delay, thyristor breakdown, control circuit fault and Hall  sensor circuit abnormality, are taken as examples. Combined with  CRDM operation principle and MDP current monitoring mechanism, the  causes of current fault are analyzed, and maintenance suggestions are  provided.

Key words: CRDM; Power equipment; MDP module; Current fault 

1　控制棒系統(tǒng)概述

核電廠通過能夠吸收中子的控制棒與可溶硼實現(xiàn)可控的鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)，其中控制棒由Ag-In-Cd合金組成，其吸收中子能力強(qiáng)、響應(yīng)快，因而是核反應(yīng)堆堆芯反應(yīng)性控制的關(guān)鍵設(shè)備。

棒控與棒位系統(tǒng)（RGL）用于驅(qū)動控制棒束的運(yùn) 動，并監(jiān)測每一棒束在堆芯的高度，分為控制棒驅(qū)動 （以下簡稱：棒控）和控制棒位置監(jiān)測兩部分。M310 堆型反應(yīng)堆芯裝配9組（細(xì)分16子組）共61束控制棒， 福清核電一廠采用法國RRCN公司生產(chǎn)的RGL設(shè)備，系統(tǒng)對應(yīng)控制棒的16個子組設(shè)置16個電源柜。電源柜主要由控制器PLC和保持、傳遞、提升三個機(jī)箱組成， 對應(yīng)控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)（CRDM）的保持、傳遞、提升線圈與鉤爪。每個機(jī)箱包含1個電源與相位參考模塊 ALSYN、4個整流與電流監(jiān)測模塊MDP，MDP選用可控硅作為整流器件，將三相交流動力供電整流為直流電，為子組4束棒CRDM線圈提供激勵電流。

核電廠控制棒驅(qū)動采用鉤爪步進(jìn)式磁力提升方式，CRDM線圈接收MDP模塊的激勵電流，通過既定電流時序的電磁感應(yīng)控制鉤爪的嚙合和脫開、提升和下落，從而帶動驅(qū)動桿及與其相連的控制棒組件運(yùn)動，實現(xiàn)控制棒的提升、插入、保持與釋放。[1]

2　整流與電流監(jiān)測原理

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)電源系統(tǒng)（RAM）產(chǎn)生三相交流 260V，經(jīng)反應(yīng)堆停堆斷路器送往RGL系統(tǒng)，作為電源柜動力電源。電源柜PLC根據(jù)動棒命令信號，按照既定電流時序發(fā)送大、小或零電流指令，ALSYN提供三相電相位參考信號，MDP控制電路根據(jù)電流指令和參考相位計算晶閘管門極觸發(fā)角，3個晶閘管組成的可控整流橋?qū)θ?60VAC進(jìn)行整流，產(chǎn)生大電流、小電流、 零電流，晶閘管呈共陰極連接，公共端輸出到CRDM 線圈一端，另一端接三相電中線形成回路。

MDP不僅產(chǎn)生線圈激勵電流，也實時監(jiān)測線圈電流大小水平，以確保驅(qū)動機(jī)構(gòu)保持、傳遞鉤爪按照既定序列配合動作。由于CRDM線圈為感性負(fù)載，其電流變化存在一個暫態(tài)的調(diào)節(jié)過程，不僅靜態(tài)電流超限， 動態(tài)過程電流超限或調(diào)節(jié)時間超限，MDP均發(fā)出電流故障報警；為減小滑棒、落棒風(fēng)險，線圈電流異常偏低時，報警的同時MDP還會發(fā)出雙保持命令，觸發(fā)保 持、傳遞兩個鉤爪同時夾持驅(qū)動桿。

主電路、晶閘管及其控制電路異常，均可能導(dǎo)致電流故障。MDP兩個霍爾電流傳感器分別用于整流閉環(huán)控制的負(fù)反饋、線圈電流監(jiān)測并供外部測量，霍爾傳 感器異常也可能引起電流故障。

3　四種典型電流故障

3.1　執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作滯后導(dǎo)致的電流故障

3.1.1　報警現(xiàn)象

1號機(jī)組第一燃料循環(huán)，R1-4棒束保持MDP模塊數(shù)次在動棒期間發(fā)生“大電流低于閾值”電流故障，R1 子組進(jìn)入雙保持狀態(tài)閉鎖R棒組動作，影響反應(yīng)堆一回路冷卻劑溫度的自動調(diào)節(jié)。

穩(wěn)態(tài)測試大、小、零電流符合預(yù)期，表明該MDP 模塊電流輸出正常。結(jié)合電流監(jiān)測原理，分析整個動棒 過程CRDM線圈電流波形，確定報警點(diǎn)處于傳遞鉤爪帶動驅(qū)動桿動棒完成后，保持鉤爪重新夾持驅(qū)動桿階段， 保持線圈由零電流到大電流調(diào)節(jié)過程，大電流指令發(fā)出后160ms時刻，保持線圈電流低于大電流下限閾值7A。

3.1.2　原因分析

保持鉤爪嚙合過程，線圈電流由零開始增大，達(dá)到動作電流后銜鐵向上運(yùn)行與保持磁極吸合，從而帶動鉤爪迅速擺入驅(qū)動桿環(huán)形槽。保持銜鐵動作造成鉤爪組件磁路變化，負(fù)感應(yīng)電動勢產(chǎn)生使保持線圈電流波形出現(xiàn)凹坑， 凹坑底部出現(xiàn)時間點(diǎn)與保持銜鐵吸合時間點(diǎn)相吻合。[2]

如圖1所示，R1-4棒束保持鉤爪的嚙合動作相對滯后。測量R1-3棒束保持鉤爪嚙合時間約105ms，而 R1-4棒束約142ms，導(dǎo)致保持線圈由零到大電流的調(diào)節(jié)時間長于閾值，引發(fā)MDP模塊電流故障報警。 

圖1 R1-4棒束保持線圈電流故障步序波

即使是故障步序電流波形，保持鉤爪嚙合完成依然早于傳遞鉤爪脫開，且有足夠時間裕量，判定當(dāng)前 CRDM提插性能正常，適度放寬MDP模塊監(jiān)測單元對保持線圈電流動態(tài)性能的限制并不影響CRDM正常運(yùn) 行。為減少頻繁報警對反應(yīng)堆操作員的干擾，將零電流到大電流的時間限值由160ms調(diào)整到175ms，實際效果顯著。但對鉤爪嚙合滯后仍需保持高度關(guān)注，若動作滯后再次引發(fā)電流故障，需重新評估CRDM動作性能。

3.2　晶閘管擊穿導(dǎo)致的電流故障

3.2.1　報警現(xiàn)象

2號機(jī)組第一燃料循環(huán)，SB1子組全部4塊保持 MDP模塊在棒靜止?fàn)顟B(tài)發(fā)出“小電流高于閾值”電流故障，ALSYN同時發(fā)出“260V相位故障”報警，子組進(jìn)入雙保持狀態(tài)。測量結(jié)果顯示保持機(jī)箱4塊MDP模塊 輸出電流為零，且保持機(jī)箱三相260VAC進(jìn)線中有兩相動力電熔斷器熔斷。

3.2.2　原因分析

假設(shè)單相動力電保險燒毀，該相電流負(fù)反饋迅速 減小，MDP模塊通過調(diào)整其余兩相晶閘管門極觸發(fā)脈沖導(dǎo)通角，能夠?qū)崿F(xiàn)小電流正常輸出，瞬態(tài)調(diào)節(jié)過程可能出現(xiàn)“小電流偏小”而非“小電流偏大”，更不會引發(fā)第二相動力保險燒毀。從而判定始發(fā)故障位于主電路內(nèi)部，動力電保險燒毀符合電路保護(hù)設(shè)計。

理想狀態(tài)晶閘管陰/陽極電阻為無窮大，測量發(fā)現(xiàn)機(jī)箱第3塊MDP模塊中有2個晶閘管陰/陽間電阻僅 0.4Ω、0.3Ω。晶閘管因反向擊穿故障無法截止，下一相晶閘管導(dǎo)通后，整流橋在這兩相發(fā)生相間短路，PN 結(jié)電流急劇增大，第二相晶閘管亦被反向擊穿，對應(yīng)的兩相動力電保險燒毀，MDP模塊監(jiān)測到“小電流偏 大”符合故障分析。

3.3　控制電路導(dǎo)致的電流故障

3.3.1　報警現(xiàn)象

201大修后控制棒初始提升至5步過程，G1子組提升機(jī)箱第1塊MDP模塊發(fā)出“小電流低于閾值”電流故 障，G1子組進(jìn)入雙保持狀態(tài)。測量證實線圈穩(wěn)態(tài)電流輸出真實偏低：穩(wěn)態(tài)輸出測試狀態(tài)下，MDP模塊復(fù)現(xiàn) “小電流偏小”。

3.3.2　原因分析

電流波形顯示，提升線圈由大電流到小電流調(diào)節(jié)過程劇烈波動，電流瞬時小于提升線圈小電流下限閾值 12A，從而引起MDP模塊電流故障。如圖2所示，提升線圈紅色曲線明顯異常，某相電流較其余兩相導(dǎo)通時間更長，換流前線圈承受反相電壓時間更長，使線圈穩(wěn)態(tài)輸出有效值降低，導(dǎo)致動態(tài)調(diào)節(jié)過程電流負(fù)向超調(diào)過大超過閾值。

晶閘管為半控型器件，導(dǎo)通后僅在流經(jīng)陽極的電流下降到接近零才會關(guān)斷，于MDP模塊而言需要整流橋 的下一相晶閘管導(dǎo)通。前一相晶閘管導(dǎo)通時間過長，說明此相晶閘管門極觸發(fā)脈沖滯后，意味著此相晶閘管門極控制電路存在異常.

圖2 G1-1棒束提升線圈電流故障報警步序波形

提升線圈大電流使傳遞鉤爪帶動驅(qū)動桿向上提升一個機(jī)械步后，為避免線圈過熱燒毀，電流時序中設(shè)置小 電流來維持傳遞鉤爪的位置，等待保持鉤爪再次夾持驅(qū)動桿環(huán)形槽。提升線圈電流偏小，提升力矩不足以維持載荷，可能造成傳遞鉤爪提前下落致使提升失敗。

3.4　霍爾回路導(dǎo)致的電流故障

3.4.1　報警現(xiàn)象

2號機(jī)組第一燃料循環(huán)，R2-2棒束保持MDP模塊在棒靜止?fàn)顟B(tài)發(fā)出“小電流低于閾值”電流故障，R2 子組進(jìn)入雙保持狀態(tài)閉鎖R棒組動作。從MDP模塊監(jiān)測單元霍爾回路測量到0V，而后跳變到2.337V（霍爾電 壓：線圈電流=1：2）。

3.4.2　原因分析

霍爾回路測量結(jié)果跳變，有兩種可能原因：線圈實際電流異常；MDP模塊霍爾回路異常。通過CRDM 線圈實際電壓能夠快速判定，R2子組小電流狀態(tài)保持 線圈電壓與霍爾回路電壓如表1所示。

表1 R2子組小電流狀態(tài)保持線圈電壓與霍爾回路電壓

由于不同CRDM線圈阻抗稍有不同，線圈電壓間存在個體差異為正?，F(xiàn)象。線圈電壓保持穩(wěn)定未出現(xiàn)跳變且與其他線圈接近，說明線圈實際電流正常，即 MDP模塊整流部分正常，而霍爾回路存在異常，導(dǎo)致 MDP模塊監(jiān)測單元接收到的反饋為零，超過規(guī)定范圍下限3.7A，產(chǎn)生電流故障。

4　綜述

最初幾個燃料循環(huán)，電力電子設(shè)備處于“浴盆效 應(yīng)”早期故障期，設(shè)計、材料和制造過程中的缺陷逐步顯現(xiàn)。具體到棒控系統(tǒng)，CRDM保持鉤爪嚙合滯后、 晶閘管擊穿及動力保險絲燒毀、晶閘管門極觸發(fā)脈沖控制電路異常、霍爾傳感反饋回路故障，均以MDP模塊電流故障形式集中出現(xiàn)，嚴(yán)重影響控制棒對堆芯反應(yīng)性的自動調(diào)節(jié)，甚至引發(fā)非計劃停堆事件。

通過線圈電流波形表征的CRDM鉤爪動作點(diǎn)，分析判定缺陷原因。針對不同始發(fā)因素引起的電流故障，作為插 拔式模塊化設(shè)備，有多種用戶級緊急故障處理方案：參數(shù)調(diào)整、拔插/電子復(fù)位、模塊更換，本文總結(jié)相關(guān)維修經(jīng) 驗，對于棒控系統(tǒng)的調(diào)試、維修工作具備參考意義。AP

作者簡介：

姚　偉（1981-），男，浙江嘉興人，高級工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于福建福清核電有限公司，從事核電廠維修管理工作。

 參考文獻(xiàn)：

[1] 李國勇, 張英. 棒控棒位系統(tǒng)手冊(RGL) [Z]. 中國核動力研究設(shè)計院，2010. 

[2] 唐向東, 等. 福清1RGL系統(tǒng)CRDM保持鉤爪閉合動作點(diǎn)滯后問題分析報告[Z]. 中國核動力研究設(shè)計院. 2015.

摘自《自動化博覽》2021年5月刊