一種數字化控制棒電流監測卡件的設計與實現

林琰

福建福清核電有限公司 福建福清 3 5 0 3 1 8

在壓水堆核電廠中，控制棒驅動機構的可靠運行是保證核電廠安全性和經濟型的重要因素[1]。控制棒驅動機構是一種電磁驅動裝置。驅動機構的故障或性能退化、以及電源柜整流和調節電路的故障或異常，可能引起控制棒卡棒、滑棒、落棒等問題，嚴重影響電廠可用性[2]。現有的控制棒電流監測卡件采用分立元器件構成的模擬電路，元器件較多，可靠性較低；為便于調節和測試引入按鈕開關和電位器，造成穩定性下降，存在定值漂移問題，容易誤報警[3]；在產生或閃發異常電流波形報警時，沒有抓取異常波形并保存的功能，很難進行分析。

本文設計了一種數字化控制棒電流監測卡件，通過現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）實現。該數字化卡件能夠有效解決分立元器件模擬電路中存在的可靠性和穩定性方面的問題。

1 卡件整體設計

該電流監測卡件主要由電流傳感器、A/D轉換模塊、波形存儲模塊、FPGA組成。電流傳感器用于采集線圈中的電流，轉換為電壓信號。A/D轉換模塊用于對電流傳感器輸出的模擬電壓信號進行采樣，并轉換為數字信號，送入FPGA進行數字化電流監測。波形存儲模塊用于波形數據存儲，在觸發報警時可將波形導出以便人員進行診斷，分析報警原因。

2 電流監測原理

如圖1所示，在FPGA內實現數字濾波器、監測狀態機模塊、閾值比較模塊、報警組合模塊、雙重保持請求模塊、波形存儲控制模塊、以及吸合動作點計算模塊。

圖1 電流監測原理

在FPGA內部，先由數字濾波器對信號進行低通濾波，消除采樣過程中出現的單點毛刺等干擾信號，再送到后端進行存儲與波形監測。

監測狀態機負責設置監測時序窗口，通過將內部的定時器與預設的監測時序二者做比較，從而確定當前的監測狀態。在提升信號或者下插命令有效時，啟動內部的定時器，命令消失或超過一個動作步的時間時復位。在堆底兩步之前和有雙重保持命令時，不進行監測。

在提升、傳遞、保持線圈的電流監測時序中，電流的監測分為若干個連續的時間段，在每個時間段內如果線圈的電流比預定的閾值大或者比預定的閾值小，那么就產生相應的電流故障報警。通過修改預設的監測時序與閾值參數，可以適用于不同功率等級的核電廠控制棒電流監測，滿足不同驅動機構的動作特性。

閾值比較模塊根據當前的監測狀態，將驅動機構線圈中的電流與設定的閾值相比較。狀態機流程圖中也給出了每種狀態下的閾值范圍，當超出相應閾值時點亮卡件面板的指示燈，并相應產生信號給報警組合模塊。

報警組合模塊對各種監測狀態產生的報警進行組合，產生緊急報警和普通報警兩種級別的報警。報警邏輯可根據需要組合修改。一般情況下，超過電流閾值上限產生的電流過大報警觸發普通報警，低于電流閾值下限產生的電流過大報警觸發緊急報警。由于低于電流閾值下限時，存在控制棒驅動機構鉤爪松開引起控制棒下落的風險，因此同時由雙重保持請求模塊觸發雙重保持請求信號。

波形存儲控制模塊用于波形數據存儲控制。按照10K每秒的采樣率，保存一個提升或下插周期850ms內的采樣點。在觸發緊急或普通報警時將緩存內的波形數據導入波形存儲模塊。電流異常或報警觸發時自動保存波形，可以導出用于技術分析。特別是對于閃發的異常電流波形報警，在報警再次閃發復現前便能及時發現問題并采取行動。

吸合動作點計算模塊用于監測和記錄從零電流上升到大電流過程中的鉤爪動作情況，通過波形特征識別算法識別出鉤爪吸合動作點，并長期記錄鉤爪吸合動作點的時間和電流值。數據可通過波形存儲模塊導出用于趨勢分析，當控制棒驅動機構存在鉤爪卡澀、動作點滯后現象時以便及時發現

3 結語

本文設計了一種數字化控制棒電流監測卡件，通過FPGA實現后替換模擬電路卡件在反應堆上試運行。與模擬電路卡件相比較，該數字化卡件采用FPGA技術，大幅減少卡件內部的元器件數量，同時避免了電流定值漂移等問題。通過對電流進行全過程連續監測，更有效保護控制棒驅動機構，防止因控制回路異常造成驅動機構損壞。