重水堆核電站功率調節控制棒電機禁止單元國產化設計

□王 鐳

一、重水堆核電站反應性控制裝置概述

(一)整體概述。秦山重水堆核電廠是基于CANDU-6型成熟設計[1]，滿足國際原子能機構設計導則。反應性控制裝置構成反應堆功率調節系統和兩套停堆系統，每一個反應性控制裝置執行下列三個功能之一，測量裂變功率水平，調節功率水平，停堆。此外有兩套獨立和冗余的停堆系統。

當滿足停堆信號時，切斷離合器的直流電源，停堆裝置的吸收元件釋放，吸收元件在導向管內穿過燃料通道區域，進入慢化劑區域。停堆棒裝置由以下幾部分組成：裝有不銹鋼套筒的鎘吸收棒、一個垂直的導向管及其延伸段、驅動機構、加速彈簧、套管、屏蔽塞、反應性控制平臺的貫穿部件和棒就位指示器。每個停堆棒是用纏繞在驅動機構滑輪上的不銹鋼絲繩懸掛起來的。驅動機構是一個電動機驅動的絞盤，絞盤的一頭是一個電磁離合器，將滑輪軸和齒輪盤耦合在一起。在重水反應堆中有21個垂直安裝的調節棒。每個調節棒懸掛在其驅動機構的不銹鋼繩上，軸向位置是用耦合在滑輪軸上的電位計傳感器來指示的。

核電站的反應堆調節系統需要在達到或超過設計基準地震(DBE)強度的地震期間切斷調節棒電機的電源，保證調節系統的安全性。因此，需要設計電機切斷單元，用于在此類地震期間自動切斷調節棒電機的電源[2]。

如圖1所示，電機切斷單元由計算機控制系統、電機切斷邏輯控制單元、電機切斷邏輯模塊和電機四個部分組成。達到或超過設計基準地震(DBE)強度的地震期間，計算機控制系統會向電機切斷邏輯控制單元發送驅動信號。電機切斷邏輯控制模塊接收到驅動信號后，通過控制電機切斷邏輯模塊中的繼電器來切斷調節棒電機。從而保護調節系統。

圖1 調節棒切斷系統框圖

(二)調節棒電機禁止單元工作原理及系統組成。如果計算機試圖同時從堆芯拔出超過6個重要的調節棒，TMADO電路將禁止所有調節棒的拔出，并給出“TMADO”警報。其控制棒電機禁止單元電路原理圖如圖2所示。

圖2 調節棒電機禁止單元電路原理圖

重水反應堆21根調節棒中有15根作為反應性來說十分重要，這15根調節棒被TMADO(Too Many Adjusters Driving Out)電路監控，當調節棒收到抽出指令時，C1-C15其中相關的電機會被打開，電壓E2將減小。如果同時有超過6個電機被打開(7個或更多的電機動作)，電壓E2將小于參考電壓E1，并且限制所有調節棒被抽出，同時給出“TMADO”警報。為了恢復輸出，必須啟動RESET按鈕PB3。該電路還配有TEST按鈕PB4。當被壓下時，PB4將模擬E2≤E1的情況。這將導致抽出調節棒被禁止，并且點亮LED1以指示電路正常。

該單元的輸入電壓為48Vdc,和15Vdc，由電源模塊提供；輸出電壓為輸出電壓：0.500V～4.500Vdc，提供給電機啟動電路和主控計算機。該模塊主要包括一塊面板及PCB板，如圖3所示。

圖3 調節棒電機禁止單元

二、調節棒電機禁止單元設計概述

(一)調節棒電機禁止單元電氣設計。調節棒電機禁止單元電氣部分主要是PCB板。各電器元件設計如下：一是將選用符合要求的飛利浦公司的高精度金屬膜電阻。二是電位器設計用于調節電壓比較器基準電壓。電位器將選用MEXICO公司型號為78PR500的500歐姆10轉的電位器。三是IC放大器作用為電壓比較器，將選用TI公司的LM101AJ。四是三極管起信號放大的作用，將選用摩托羅拉公司生產的型號為2N1711三極管。五是繼電器線圈斷電時，其中殘余能量須以合適途徑釋放。給繼電器并聯二極管可以解決這個問題。繼電器線圈并聯二極管后，二極管負極接直流電源正極，繼電器線圈斷電時，二極管因勢利導，為線圈電流繼續流動提供途徑，殘余能量在線圈與二極管組成的回路中較為平緩地自我消耗掉，開關得到有效保護。根據設計要求，選用TELESKY公司生產的抑制二極管IN4004。六是繼電器線圈連接至三極管集電極，三極管導通后，線圈通電。根據設計需要，每個繼電器觸點同時控制連接于兩個回路中，因此需要選用兩通道繼電器。本方案選用和泉公司生產的IDEC繼電器RJ2S-CL-24V。七是電源模塊，由于放大器需要正負15V供電，且電路其他節點需要正負15V。因此需要電源模塊，由于該模塊較特殊，將選用原清單中的電源模塊CALEX公司的120VAC轉正負15V電源模塊2.15.100-115.該模塊額定電流為100mA。

(二)PCB布線及防干擾措施。

1.工藝布線。工藝應符慣例和設計規范GB/T16261-2017，確保操作方便和使用壽命。依據標準GB/T16261-2017，PCB板選型，板材質量、厚度、畫板、焊板及組裝應符合標準規定。PCB應采用標準厚度1.6毫米的優質玻璃環氧樹脂，雙面印制，帶有鍍通孔，配備邊緣安裝的測試點。印刷電路板應采用鍵控和標記，以便不可能與任何其他類型的類似印刷電路板意外互換。

2.前后面板。前面板的標簽應采用光蝕刻。每個單元應帶有由買方或其代表提供的單元的標識或名稱。前面板應按住標有“RESET”的按鈕PB1。

3.線纜。布線材料符合MIL-W-22759/18A。端子接線位于模塊內部，并應符合相關適用圖紙。組件之間的接線應整潔，并符合慣例。接線應沿垂直或水平方向布線，并得到適當支撐。電線應有序布線和應變消除，并應通過扎帶或其等效物捆扎成束。所有接線應使用絞合線制成。

4.抗干擾。一是電源線、地線線條的設計要盡量粗而短,尤其是地線,這樣可減少環路電阻,同時使電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一致,這樣有助于增強抗噪聲能力。二是正確選擇單點接地與多點接地。三是數字地與模擬地設計要分開。四是接地線應盡量加粗,地線寬度應是信號、控制線的1～3倍。五是接地線構成閉環路。

(三)調節棒電機禁止單元機械機構設計。該單元機械結構主要包括一個面板及面板件和PCB。

1.面板。面板上主要放置2個按鈕和1個LED。按鈕：兩個按鈕分別是復位按鈕和測試按鈕，復位按鈕起電路復位作用。測試按鈕將模擬6路調節棒拔出情況。因此按鈕只需選用一開一閉式的。按鈕帶藍燈指示。按鈕將選用施耐德公司的XB6-EAA6JB1。LED燈指示該單元工作情況，三極管導通時，該燈點亮。LED將選用HEWLETT公司生產的HLMP-3301紅色LED燈。面板尺寸要求能夠容納以上器件，及與PCB板尺寸匹配。根據設計要求，將采用35mm*262mm*3mm的面板。面板帶有兩個把手，方便模塊插拔。

2.PCB。根據設計要求，PCB尺寸將設計為233.4mm*160mm歐卡尺寸。PCB將采用優質玻璃環氧樹脂，具有較高絕緣強度。PCB邊緣將安裝測試點，以檢查繼電器觸點的正常功能。雙層PCB電路板的優點是線路可以分布在多層里面布線，從而可以設計較為精密的產品。另外多層可以加大設計的靈活性，可以更好地控制差分阻抗以及單端阻抗，以及一些信號頻率更好的輸出等。本方案PCB將使用雙面板，帶有鍍通孔。為了防止與類似PCB意外互換，將采用鍵控和標記。

該模塊輸入輸出信號主要通過64針連接器實現。該連接器將焊接于PCB板上。該模塊將選用德國哈丁公司的型號為09-03-164-6921的64針公座。各個元器件清單見表1所示。

表1 元器件清單

(四)環境適應性及標識。一是工作及存儲溫度，本模塊主要電氣模塊為繼電器、接線端子、電阻及電容。繼電器模塊最高工作溫度為80℃，接線端子最高工作溫度為120℃，電阻電容最高工作溫度為125℃，可滿足10℃～50℃的要求。二是為了防止設備與其他相似單元意外互換，前面板的標簽應采用光蝕刻。每個單元應帶有由買方提供的單元的標識或名稱。

(五)使用要求。一是該模塊應安裝于反應性控制邏輯單元機柜內。二是布線材料符合MIL-W-22759/18A。三是接線時應沿垂直或水平方向布線并得到適當支撐。四是多根電線應通過電纜扎帶捆扎成束。五是外殼接地。

(六)斷電情況。一是若調節棒硬件控制邏輯的48V直流電源斷開，則調節棒的驅動電機的電源斷開，調節棒停止運動。二是RL-46和47斷電，RL-48斷電，但不會斷開調節棒驅動進入或拔出電路。三是手動復位TMADO電路及調節棒電機切斷邏輯控制單元。

三、板卡測試實驗

(一)抗振測試實驗。印制板組裝件在實際運輸和使用的振動環境條件下應盡量避免出現共振現象，影響其性能參數，應按標準GJB 360B-2009電子及電氣元件試驗方法中的條件進行抗振實驗和沖擊試驗。

在實驗開始前和結束后應按照標準規定對試驗樣品進行外觀檢查和電性能、機械性能等的檢測。將試驗樣品放在振動臺上固定好，根據標準GJB 360B-2009規定的試驗等級A,調整振動臺的頻率范圍為10-500HZ，位移幅值/加速度為0.75/100mm/m/s2，使其以15min的一次掃頻時間在每個振動方向X,Y,Z各掃描12次。振動結束后，檢查試驗樣品的外觀，功能是否正常，將實驗鑒定結果應記錄在報告中，證明符合設備技術規范中標準GJB 360B-2009規定的試驗等級A的要求。

在實驗中，當出現下列情況之一時，就認為試驗樣品不合格：一是結構出現殘余變形、裂紋和其他機械損傷。二是機構性能〈抗剝強度、抗脫強度、翹曲度等〉不能滿足有關標準要求。三是在試驗過程中或在試驗結束后由性能不正常、性能參數超出有關標準規定的允許極限。四是在試驗結束后有下列功能不正常：電機切斷邏輯模塊板卡工作模式下能否切斷調節棒電機電源；電機切斷邏輯控制單元能否接收驅動信號，并產生切斷信號給電機切斷邏輯控制模塊；調節棒電機禁止單元能否禁止同時從堆芯拔出超過6個重要的調節棒。

(二)電磁抗干擾實驗。電磁兼容性是指設備或系統在共同的電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁干擾的能力。系統功能測試,滿足現場功能需要后,進行電磁兼容測試,電磁兼容測試容易出問題是靜電、輻射、傳導、脈沖等。電磁兼容性試驗包括以下試驗：

1.靜電抗擾度檢測。依據標準GBT-17626.2，在空氣放電試驗的情況下，氣候條件應在下述范圍內：環境溫度：15℃～35℃，相對濕度：30%～60%，大氣壓力：86kPa～106kPa。將試驗樣品在實驗室內安裝后，確定受試設備的工作條件和施加放電點，選擇2KV的試驗電壓，對受試設備每個試驗點進行接觸放電，用1次/秒的放電速率放電20次。根據GBT-17626.9規定的試驗等級1，對實驗結果進行評價和記錄，進行下述幾項測試：一是調節棒電機禁止單元能否禁止同時從堆芯拔出超過6個重要的調節棒。二是繼電器通斷是否正常，會不會誤觸發。

2.電快速瞬變脈沖群抗擾度檢測。電快速瞬變脈沖群抗擾度檢測抗擾度是一種將由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群耦合到電氣和電子設備的電源端口、信號和控制端口并觀察被測設備在遭受這些脈沖干擾時對原有性能保持程度的一種測試。試驗的目的就是為了檢驗電子、電氣設備在遭受這類暫態騷擾影響時的性能。

因為調節棒電機禁止單元中的放大器需要15V的電源供電，所以需要對其進行電快速瞬變脈沖群抗擾度檢測。依據標準GBT-17626.4，將試驗樣品正確組裝到受試設備上，使測試樣品處于正常工作狀態，對其電源端口和接地端口施加0.5KV的電壓峰值和5KHZ的重復頻率，對其信號端口和控制端口施加0.25KV的電壓峰值和5KHZ的重復頻率，測試狀態持續時間不少于1min，以達到標準GBT-17626.2規定的試驗等級1。

對其輸出和繼電器通斷進行實驗分析，進行以下幾項測試：一是調節棒電機禁止單元能否禁止同時從堆芯拔出超過6個重要的調節棒。二是繼電器通斷是否正常，會不會誤觸發。

3.脈沖磁場抗干擾度實驗。脈沖磁場是由雷擊建筑物和其他金屬框架以及由在低壓、中壓和高壓電力系統中初始的事故瞬態產生的。設備所遭受到的脈沖磁場可能影響設備和系統的可靠運行。當設備遭受到與其特定位置和安裝條件相關的脈沖磁場時，依據標準GBT-17626.9中的描述，可以檢測設備的抗干擾程度。依據標準GBT-17626.9，在施加實驗磁場之前先對設備進行設備性能預校驗，采用浸入法對受試設備施加磁場強度為100A/m的實驗磁場，脈沖之間的時間間隔不應小于10s，進行脈沖實驗，根據GBT-17626.9規定的試驗等級1，對試驗板卡的輸出參數進行以下幾項測試：一是調節棒電機禁止單元能否禁止同時從堆芯拔出超過6個重要的調節棒。二是繼電器通斷是否正常，會不會誤觸發。

四、結語

重水堆功率調節控制棒電機禁止單元國產化設計執行了中國的核安全設計法規要求和核電儀控系統的設計法規要求，同時遵守了加拿大重水堆有關設計要求。性能滿足原板卡性能要求。針對重水堆功率調節控制棒電機禁止單元的國產化設計，可以彌補重水堆核電站控制板卡設計方面的設計空白，為控制板卡國產化奠定基礎。經過基礎實驗驗證和上機實驗控制檢驗，控制棒電機禁止單元設計技術參數和功能指標與原板卡一致，滿足各項性能指標。