核電廠壓水堆超溫保護(hù)定值ΔT干擾探析

陳永偉，付敬強(qiáng)

（中廣核核電運(yùn)營有限公司，廣東深圳518026）

核電廠壓水堆的第一道安全屏障為燃料包殼，而燃料包殼的保護(hù)主要是防止發(fā)生偏離泡核沸騰、燃料芯塊融化以及燃料芯塊與包殼間的相互作用［1］，其中燃料芯塊與包殼之間相互作用，主要是通過元件的制造工藝和控制棒運(yùn)行的限值來減小其相互作用。防止偏離泡核沸騰以及燃料融化則主要通過超溫、超功率保護(hù)來實現(xiàn)，而超溫保護(hù)定值的波動幅度大，則極大影響保護(hù)功能的正常實現(xiàn)，嚴(yán)重情況會產(chǎn)生機(jī)組瞬態(tài)，對核電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行存在較大隱患。

1 功能介紹

防止出現(xiàn)偏離泡核沸騰和燃料融化，最重要的是要控制燃料的溫度，而燃料芯塊的溫度以及偏離泡核沸騰是無法直接測量的，只能通過測量影響相應(yīng)的參數(shù)來確定。這些參數(shù)通過轉(zhuǎn)換、計算，最終確定ΔT超溫、超功率保護(hù)定值，通過對這些定值的控制，間接實現(xiàn)了防止出現(xiàn)偏離泡核沸騰和燃料融化風(fēng)險。影響超溫保護(hù)定值的參數(shù)主要有：一回路平均溫度TAVG、一回路壓力P、反應(yīng)堆冷卻劑泵轉(zhuǎn)速Ω、軸向功率偏差ΔΦ［2］。

將對應(yīng)的保護(hù)定值參數(shù)轉(zhuǎn)化為電壓信號，其超溫保護(hù)定值公式為：

式中：VTAVG對應(yīng)的為一回路平均溫度TAVG的電壓信號；VP對應(yīng)的為一回路壓力P的電壓信號；VΩ對應(yīng)的為反應(yīng)堆冷卻劑主泵轉(zhuǎn)速Ω的電壓信號；VF（ΔI）對應(yīng)的為軸向功率偏差ΔΦ的電壓信號；τ3、τ4對應(yīng)的為超前滯后環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。

如圖1所示為超溫保護(hù)定值實現(xiàn)電路，一回路冷熱端的溫度經(jīng)過平均溫度加法器1產(chǎn)生一回路平均溫度電壓值VTAVG，它與一回路壓力P電壓信號VP、反應(yīng)堆冷卻劑泵轉(zhuǎn)速Ω電壓信號VΩ、軸向功率偏差ΔΦ電壓信號VF（ΔI）乘以一定的增益系數(shù)，輸入到超溫保護(hù)定值加法器1和超溫保護(hù)定值加法器2中，計算得到超溫保護(hù)定值ΔT，參與超溫保護(hù)，實現(xiàn)燃料包殼保護(hù)。

圖1 超溫保護(hù)定值實現(xiàn)電路Fig.1 The circuit of over-temperature protection value

2 干擾分析

2.1 干擾因變量

國內(nèi)某核電廠機(jī)組環(huán)路超溫保護(hù)定值波動范圍在10%左右，最高波動范圍達(dá)到11.9%，根據(jù)法國同類電站反饋正常波動范圍為2%～4%，對比法國同類電站，該核電廠超溫保護(hù)定值波動范圍較大。在滿功率運(yùn)行期間，超溫保護(hù)定值加法器共有四路變量，而其中三路：主泵轉(zhuǎn)速、穩(wěn)壓器壓力、核功率軸向偏差，信號輸入都較為穩(wěn)定；只有一回路平均溫度存在波動。如果計算平均溫度單一變量影響，該核電站在滿功率運(yùn)行期間一回路環(huán)路平均溫度波動為0.15℃左右，對超溫保護(hù)定值的影響如圖2所示。

圖2 平均溫度單一變量對超溫保護(hù)定值的影響Fig.2 The influence of average temperature on over-temperature protection value

圖2反映平均溫度單一變量對超溫保護(hù)定值影響的傳遞過程。將一回路平均溫度信號的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號，平均溫度加法器輸出電壓的波動幅度為：

其中：ΔT平均溫度為平均溫度的短時波動范圍；T平均溫度量程為平均溫度測量范圍275～335℃；V電壓量程為電壓量程范圍1～5V。

經(jīng)過超前滯后環(huán)節(jié)輸出的波動范圍為：

超溫保護(hù)定值輸出電壓波動范圍為：

超溫保護(hù)定值輸出波動范圍：

其中：V超溫保護(hù)定值加法器量程量程范圍為1～5V，ΔT超溫保護(hù)定值量程量程范圍為0～159%。

由此可以得到，一回路平均溫度的波動不足以使超溫保護(hù)定值的波動達(dá)到10%左右的水平，可以判斷在中間處理環(huán)節(jié)中引入相應(yīng)的波動量，導(dǎo)致其超溫保護(hù)定值波動范圍的增大。

運(yùn)行期間超溫保護(hù)定值生成電路產(chǎn)生10%左右的波動量，而在核電廠機(jī)組實際運(yùn)行過程中各個變量真實引起的波動量：

如果除去上游平均溫度真實波動的影響5%左右，實際干擾量在超溫保護(hù)定值產(chǎn)生的干擾量為5%左右。假定超溫保護(hù)定值波動量為5%，考慮單一變量的干擾，則其相應(yīng)的電壓波動范圍：

對超前滯后環(huán)節(jié)做單獨分析，如圖3所示為超前滯后仿真電路［3］，如果輸入量為一個穩(wěn)定的直流電壓信號3VDC，經(jīng)過超前滯后環(huán)節(jié)可以獲得一個穩(wěn)定的3VDC的輸出信號。如果再次3VDC輸入信號疊加一個20mVDC的干擾量，輸入到超前滯后環(huán)節(jié)，從示波器1上可以獲得超前滯后環(huán)節(jié)對干擾量的響應(yīng)曲線。如圖4所示，從曲線上可以觀察到20mVDC幅值的階躍干擾信號或者正弦交流干擾信號，經(jīng)過超前滯后環(huán)節(jié)處理后，輸出信號干擾量幅值增大為160mV左右，導(dǎo)致超溫保護(hù)定值的波動范圍為10.6%。

圖3 超前滯后仿真電路Fig.3 Simulation circuit of lead-lag case

圖4 超前滯后環(huán)節(jié)對干擾量的響應(yīng)曲線Fig.4 The lead-lag response curve of interference

由此分析對于超前滯后環(huán)節(jié)前平均溫度真實波動引起的10mV左右信號與干擾量引入波動量10mV左右信號疊加，即可引起超溫保護(hù)定值波動10%左右，對于其他超溫保護(hù)定值輸入變量，如需要產(chǎn)生的5%波動量，干擾量需大于100mV。

2.2 干擾定位

根據(jù)上述干擾分析，測量超溫保護(hù)定值生成參數(shù)變量的波動情況，發(fā)現(xiàn)平均溫度加法器1輸出（超前滯后環(huán)節(jié)前）電壓波動為20mV左右，其余參數(shù)變量電壓值穩(wěn)定。除去平均溫度正常波動產(chǎn)生的10mV左右電壓信號，在此平均溫度加法器1輸出上還有10mV左右的波動信號。

據(jù)此查找波動原因，發(fā)現(xiàn)一回路平均溫度信號（超前滯后環(huán)節(jié)前）除了送超前滯后環(huán)節(jié)參與超溫保護(hù)定值加法器運(yùn)算外，還送其他系統(tǒng)參與運(yùn)算，并發(fā)現(xiàn)此電纜引入干擾。如果斷開此一回路平均溫度信號線電纜（此電纜內(nèi)共有四路信號線，包括一回路平均溫度信號線），則超溫保護(hù)定值波動消失；如果一回路平均溫度信號單獨走電纜，超溫保護(hù)定值波動也消失。可以判斷是信號線在走線的過程中引入干擾，導(dǎo)致一回路平均溫度加法器1輸出波動，最終導(dǎo)致了超溫保護(hù)定值波動的產(chǎn)生。

同時根據(jù)周圍干擾源的分析和排除，定位干擾源為電纜附近的主泵轉(zhuǎn)速機(jī)架探頭信號，通過比對注入規(guī)律方波信號與連接現(xiàn)場探頭信號對轉(zhuǎn)速機(jī)架進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)注入規(guī)律方波信號不存在干擾現(xiàn)象，而連接現(xiàn)場探頭信號干擾現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)，驗證其定位的準(zhǔn)確性。

2.3 理論分析

常見信號線受干擾的原因有電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)、不同電位地引入的干擾［4］等，根據(jù)干擾源和被干擾對象分析靜電感應(yīng)（即電容耦合）引起產(chǎn)生波動的可能性較大。

圖5為干擾線與信號電容耦合及等效電路的示意圖，其中：C12為干擾線與信號線的分布電容；C10、C20分別為干擾線與信號線對地分布電容；ZL為對地等效阻抗；V1為干擾電壓；Vn為信號線接收的干擾電壓；對應(yīng)的為ZL兩端電壓。

根據(jù)等效電路計算可以近似獲得：

干擾電壓：Vn≈jωZLC12V1，［5］其中角頻率：ω=2πf，f為干擾源頻率。

圖5 干擾線與信號的電容耦合及等效電路Fig.5 Capacitance coupling and equivalent circuit between interference line and signals

干擾線與信號線分布電容：

式中：r為干擾導(dǎo)線半徑；d為兩導(dǎo)線間的距離；h為兩導(dǎo)線對地距離；其中在實際電纜走向過程中d≈2r；h遠(yuǎn)大于d。

在實際現(xiàn)場干擾導(dǎo)線半徑約為0.5mm，兩導(dǎo)線距離約為1mm，導(dǎo)線長度約為5m。根據(jù)上式中的變量，簡化運(yùn)算，計算結(jié)果為數(shù)量級mV電壓左右，這與上述的理論分析相匹配，反過來也可以驗證干擾線與信號線分布電容耦合干擾的可能性較大。

3 解決方案

一般解決干擾問題的有兩種方式：（1）消除干擾源；（2）被干擾對象屏蔽干擾。但是由于一回路主泵轉(zhuǎn)速機(jī)架在機(jī)組運(yùn)行期間需要保證其可用性，因此只能選擇后者，其主要方法有：

第一，在超前滯后環(huán)節(jié)增加濾波環(huán)節(jié)輸入匹配電路增加濾波環(huán)節(jié)，如圖6所示為輸入匹配電路示意圖，在一般情況下輸入匹配電路中輸入信號直接通過放大器正端輸入，經(jīng)過輸入匹配處理輸出信號送其他環(huán)節(jié)進(jìn)行處理。通過輸入線路上增加對地電容，對干擾信號進(jìn)行濾波，可以有效降低干擾量的引入。

圖6 輸入匹配電路Fig.6 Input matching circuit

第二，通過減小耦合電容方式，增加干擾線與信號線距離d［6］，可以減小干擾線與信號線分布電容C12，降低干擾量的引入。或者將一回路平均溫度信號線單獨走電纜，增加屏蔽層防止電場的干擾［7］，屏蔽的目的就是隔斷“場”影響，抑制各種“場”的干擾，屏蔽層可以有效實現(xiàn)靜電屏蔽、電磁屏蔽、磁場屏蔽［8］。同時將電纜屏蔽層單端接地，防止干擾產(chǎn)生。

核電廠根據(jù)現(xiàn)場實際采用第二種方案進(jìn)行工程實施，將一回路平均溫度信號線采用單根電纜連接，與其他信號線完全分開，實施后波動顯著減小，有效降低了干擾量。

4 結(jié)論

從上述分析可以看到此次核電廠超溫定值波動主要原因為信號線受干擾，干擾源為主泵轉(zhuǎn)速機(jī)架探頭信號，被干擾對象為一回路平均溫度信號線。干擾量疊加一回路平均溫度真實波動，經(jīng)過超前滯后環(huán)節(jié)，使超溫保護(hù)定值產(chǎn)生了10%左右的波動范圍。核電廠通過將一回路平均溫度信號電纜獨立布置，增加屏蔽層的方法有效地降低了超溫保護(hù)定值的波動范圍，使波動范圍控制在5%左右。

［1］ 李經(jīng)緯，劉昌文，胡德勇.秦山核電二期工程反應(yīng)堆超溫ΔT和超功率ΔT保護(hù)定值設(shè)計，核動力工程［J］.2003，24（2），21-23.

［2］ 張虹，劉昌文，沈才芬.大亞灣核電站改進(jìn)燃料管理中的超溫和超功率ΔT緊急停堆整定值初步研究［J］.核動力工程，1999，20（2）：152-154.

［3］ 李鐘慎，王隸初，基于MATLAB的超前校正器的計算機(jī)輔助設(shè)計［J］.計算技術(shù)與自動化，2001，20（3）：71-75.

［4］ 李傳偉，測試系統(tǒng)的干擾及其抑制［J］.自動化儀表，2005，26（9）：7-10.

［5］ 何華鋒，胡昌華，代延民.高精度A／D采樣電路的干擾分析與電路設(shè)計［J］.電光與控制，2005，12（5）：73-75.

［6］ 劉立君，付繼連，吳林.遙控管道焊接機(jī)器人抗高頻干擾布線機(jī)理研究［J］.機(jī)器人，27（2）：119-122.

［7］ 王志強(qiáng).儀表的干擾來源及抗干擾措施［D］.第三屆全國石油和化學(xué)工業(yè)儀表及自動化技術(shù)交流研討會論文集［J］，199-203.

［8］ 溫世仁.微弱信號檢測系統(tǒng)中的接地與屏蔽技術(shù)分析［J］.宇航計測技術(shù)，2005，25（2）：46-49.