棒控棒位系統啟動特性測試方法優化研究與實現

許鵬羽，王小雨，賀先建

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都 610213）

0 引言

棒控棒位系統是核電站的重要系統之一，是調節反應堆功率的最重要、最靈活的手段，是反應堆正常運行的必要條件[1]。某核電廠棒控棒位系統在工廠測試時，為測量某電源柜的動力電源啟動特性，需對電源柜的動力電源啟動電流波形進行記錄，但由于交流電的特性，需要多次啟動棒控棒位系統以獲得啟動電流最大值。通過以上做法雖能滿足測試需求，但存在以下問題：

1）因棒控棒位系統設備內部插件自身特性，在兩次啟動之間需要對設備進行放電，如果放電不徹底會對下次啟動電流的測量造成干擾，最后導致測量結果不準確。

2）因棒控棒位系統設備內部插件電容存在殘余電壓，對測試人員工作的執行存在一定的風險。

圖1 棒控系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of rod control system

本研究通過對三代核電項目棒控棒位系統在啟動、運行、放電原理等多個角度進行剖面分析，得出如何快速獲得棒控棒位系統較大的啟動電流波形，進而優化測試方法，提升測試效率。

1 棒控棒位系統運行機理分析

棒控電源柜通過PLC 數字量輸入模塊接收上游棒控邏輯柜的提升和插入指令，而后再由PLC 發出時序命令，通過控制驅動插件中的閉環控制回路和主電路產生時序電流向驅動機構線圈供電，從而控制驅動機構動作[2]。圖1 為棒控電源柜原理圖。

2 棒控棒位系統啟動特性測量必要性分析

啟動特性（這里特指啟動電流）是指機柜在剛啟動時的沖擊電流，是機柜通電瞬間到運行平穩的短暫時間內的電流變化量，啟動電流過大會對電網產生極大影響。因此，需準確測量棒控棒位系統啟動電流，以便設置上游供電容量。

從圖1 可知，當棒控棒位系統啟動時，棒電源系統分別給棒控電源柜提供220VAC 控制電和260VAC 動力電，由于三相交流電特性，為獲得理想的動力電源啟動電流波形，需多次啟動棒控棒位系統。但由于棒控棒位系統在前后兩次啟動間隔時間內卡件存在殘余電壓，需要棒控棒位系統內部卡件放電完成才可進行下一次啟動，延長了棒控電源柜啟動特性測試的時間。因此，亟需尋找一種能將棒控棒位系統內部卡件殘余電壓快速釋放的方法。

圖2 棒控系統控制驅動插件結構原理圖Fig.2 The control driver structure schematic diagram of rod control system

圖3 三相監測繼電器級聯電路示意圖Fig.3 Schematic diagram of three-phase monitoring relay cascade circuit

3 棒控棒位系統IGBT工作原理分析

在分析完棒控棒位系統運行機理后，為實現對棒控棒位系統內殘余電壓的快速放電，首先需確認殘余電壓所在的位置，棒控電源柜控制驅動插件結構原理圖如圖2 所示。

控制驅動插件通過FPGA 控制電路、IGBT 驅動電路、IGBT 模塊、電流采樣電路和驅動機構線圈形成閉環控制回路，實現對驅動機構線圈大小電流的輸出。在三相動力電源均失電時，IGBT 上游的驅動電路被IGBT 截斷，依靠驅動電路自身的放電回路無法實現快速放電，需要依靠外部介入實現驅動電路中電容電場能的快速釋放[3]。

圖4 三相監測繼電器級聯電路示意圖Fig.4 Schematic diagram of three-phase monitoring relay cascade circuit

根據IGBT 工作原理，當三相動力電源正常通電時，三相監測級聯電路不做動作，此時IGBT 基極的驅動控制信號受PLC 輸入的定制信號控制；當PLC 有下發命令時，IGBT打開使模擬負載接通IGBT 驅動電路，進而使負載動作[4]。

從圖3 中可以看出，輸入動力電源U、V、W 中每相電源均采用4 個繼電器進行監測，U 相對應4 個繼電器為RL21、RL22、RL23、RL24，V 相 對 應4 個 繼 電 器為RL31、RL32、RL33、RL34，W 相對應4 個繼電器為RL41、RL42、RL43、RL44。

從圖4 中可以看出，12 個三相繼電器的常開觸點進行兩兩并聯后再以串聯的級聯形式進行連接，同時將PLC 的24VDC 接口電源用作繼電器接口電源。在三相動力電源均失電時，通過三相監測繼電器級聯電路斷開輸入到DC/DC模塊輸出禁止端的控制信號，并切斷直流電源卡件輸出到IGBT 驅動電路的+15V 電源，從而實現IGBT 的快速關斷。

4 棒控棒位系統斷電后快速放電可行性方案研究

通過以上分析，在掌握棒控電源柜IGBT 工作原理后，就如何快速釋放掉IGBT 上游驅動電路的殘余電壓制定了以下兩種方案。

4.1 方案一

根據棒控電源柜IGBT 工作原理，當發生三相失電后由三相監測級聯電路進行判斷，然后發送電信號給直流電源插件切斷輸出到IGBT 模塊控制驅動信號的+15V 電源，進而關斷IGBT。為避免三相失電引起IGBT 關斷，需保證IGBT 模塊的+15V 電源一直存在，而控制IGBT 模塊+15V電源通斷的是三相監測級聯電路。因此，為使三相失電后棒控電源柜內殘余電壓順利通過IGBT 由負載消耗掉，需對三相監測級聯電路中的繼電器進行旁通設計，這樣就能保證在棒控電源柜斷電后，IGBT 驅動電路中的殘余電壓順利通過IGBT 快速釋放給下游的模擬負載。

表1 測試方法優化前后對比Table 1 Comparison of test methods before and after optimization

表2 方案1與方案2比較Table 2 Comparison of Plan 1 and Plan 2

對三相監測級聯電路中的繼電器進行旁通設計后，對新的設計進行實測，測試前后對比效果見表1。

從表1 可知，當未對測試方法進行優化時，在不同電壓等級下測量單個電源柜的動力電源啟動特性需要至少6min，而當對測試方法進行優化后，測量單個電源柜的動力電源啟動特性最多只需要1.5min，大大縮短了棒控電源柜連續啟動的間隔時間，提高了工廠測試效率。

4.2 方案二

根據棒控電源柜IGBT 工作原理，當發生三相失電后可通過將IGBT 集電極外接地進行放電，該方案的優點是可跳過三相監測級聯電路的限制，無需對三相監測級聯電路中的繼電器進行旁通，可直接將IGBT 驅動電路中的殘余電壓釋放出去，缺點是IGBT 驅動電路集成在控制驅動插件內部，若要接地需先將控制驅動插件拔出，然后拆除插件蓋板才可對其進行接地放電處理。

4.3 方案可行性分析

通過對以上兩種方案分別從可操作性、效率和是否需要額外設備3 個維度進行比較，得出結果見表2。

通過表2 可知，方案1 與現有測試方法相比節省了75%的時間，且易操作，無需增加額外設備，僅增加外接短接線即可。因此，通過方案1 可更好地實現棒控棒位系統關于啟動特性測試方法的優化。

5 結論

本文簡要說明了三代核電項目中基于棒控棒位系統的啟動特性測試方法中出現的問題，通過對棒控棒位系統運行機理和IGBT 工作原理的分析，制定了兩種方案，通過對兩種方案的可行性分析，從而提高了測試效率。通過該方案的實施，可以縮短工廠測試時間，為后續核電廠棒控棒位系統工廠測試活動順利開展提供保障，保證按時完成供貨節點。