核電站堆芯中子注量率測量系統試驗平臺的設計與應用

黎宏塊，李崇劍，張繼付，吳 昊，柴生正，溫都蘇

（中廣核研究院有限公司 北京分公司，北京 100086）

0 引言

核電站堆芯中子注量率測量系統（以下簡稱RIC系統）屬于堆芯測量系統的一部分，用于測量反應堆中子通量，提供堆芯中子通量分布圖，是重要的核電站儀表控制系統。CPR1000堆型核電站RIC系統采用移動式探測器測量的方式。系統共有50個測量通道，每個通道主要由指套管、導向管、手動閥、密封段、電動閥等組成，由計算機控制驅動機構、組選擇器、路選擇器、電動閥等機電設備將5個移動式微型裂變室穿過反應堆壓力容器底部，送入堆芯測量中子注量率[1]。

堆芯中子注量率測量系統作為核電站核心技術，在自主化研發方面一直是制約國內核電自主化發展的瓶頸。國內的CPR1000堆型核電站RIC系統均由法國AREVA公司供貨，單機調試、系統聯調、平臺測試、培訓及現場服務之前，一直被國外廠商壟斷。國內有相關平臺建設單位為中核（北京）核儀器廠，但其平臺是依據30萬千瓦級電站需求進行建設的。

RIC系統的自主化研發過程中，需要掌握RIC系統設備單機調試、系統聯調和平臺測試等一系列的測試技術，才能對自主化研發的設備進行驗證。這就迫切需要建立一套試驗平臺來對自主化的RIC系統和設備進行功能和性能的試驗，使其符合RIC系統技術規范書的要求。

1 試驗平臺總體設計

RIC系統試驗平臺的設計以滿足RIC系統自主化研發的試驗要求為出發點，在考慮上述系統涉及原則的前提下進行設計工作。設計平臺的總體設計如圖1所示。該平臺設計具有以下特點：

圖1 試驗平臺總體設計圖Fig.1 The overall design of the test platform

1）堆芯儀表間的布置與實際電站一致，便于故障模擬和測量。

2）滿足5個通道的RIC系統試驗需求。

3）采用模擬器保證系統功能測試的完整。

4）平臺設備布置緊湊，特別是測控柜、分配柜與堆芯儀表間距離很近，堆芯儀表間機電設備狀態可直接觀測到。

1.1 平臺電源設計

RIC系統與外部的電源接口有3種分別是：380V三相交流電源系統（LKC）的接口，用于為驅動機構電機供電；220V交流不間斷電源系統（LNE），用于為測控柜RIC001AR和分配柜RIC002AR供電；48V直流不間斷電源系統（LCA），用于為電動閥、選擇器、驅動纜卷盤等供電。該系統正常運行期間的功率和電路中熔斷器保險大小設置見表1。根據表1的電源及功率要求，本文設計了電源控制箱用于RIC系統電源供給與控制，如圖2所示。由圖2可知，該電路主要通過接觸器控制輸出3種電源：380VAC交流電，最大電流6A；220VAC交流電，最大電流20A；48VDC直流電，最大電流32A。該設計滿足RIC系統供電要求。

圖2 平臺電源原理圖Fig.2 Schematic diagram of platform power supply

表1 RIC系統電源及功率要求Table 1 RIC System power supply and power requirements

1.2 平臺手動控制測試裝置開發

手動控制測試裝置主要是用于RIC機電設備的手動測試，主要是對驅動機構、組選擇器、路選擇器和電動閥進行單機功能和性能的測試。該裝置主要由選擇器模塊、驅動機構模塊等組成。

1.2.1 選擇器模塊根據RIC系統組選擇器和路選擇器的工作原理設計了選擇器控制模塊。選擇器控制模塊設計原理圖如圖3所示，由圖可知撥動選擇開關SW5SW7上電后，電機轉動，當轉到選擇開關SW6選定的那路凸輪開關動作，繼電器K1吸合電機斷電停止，這樣就選通對應的通道。該設計的關鍵點在于與選擇器電機離合器相連的二極管D26和D27，用于阻斷電機類電感器件的感應電流，從而使電機和離合器快速脫開，達到精確定位的目的。

圖3 選擇器模塊原理圖Fig.3 Schematic diagram of the selector module

1.2.2 驅動機構模塊

根據RIC系統驅動機構的工作原理設計了驅動機構控制模塊。該模塊主要是自整角機位置譯碼顯示電路設計。

在驅動機構的驅動軸上有一個自整角機Synchro，它是利用自整步特性將轉角變為交流電壓的感應式微型電機，在RIC系統中被用作測量探測器位移的傳感器。要進行驅動機構運動步數測量，就需要設計位置譯碼顯示電路。本文設計采用51單片機設計了驅動機構位置譯碼顯示電路如圖4所示。

圖4 位置譯碼顯示原理圖Fig.4 Schematic diagram of position decoding display

該設計采用自整角機數字轉換器（又稱同步機數字轉換 器，Synchro Digital Converter，SDC） 進 行 自整角機信號模數轉換，即把自整角機看作將沿著軸向旋轉的角度位置轉換成一種電信號的傳感器，SDC用于將這些傳感器信號轉換成對應于旋轉角度的數字輸出。這樣采用SDC專用芯片，只需要一臺自整角機就可以實現譯碼。以自整角機作為軸角傳感器，采用自整角機的專用軸角轉換模塊SDC與單片機接口，就可以組成對受控對象進行檢測與顯示的系統。這種檢測與顯示系統具有集成化程度高、全數字處理技術、傳輸誤差小、顯示精度高、功能多、簡單方便等特點。

圖4的設計采用了SDC1740芯片作為自整角機數字轉換器。SDC1740芯片接收自整角機勵磁繞組和整步繞組S1，S2，S3的交流輸入信號，在芯片內部經變壓器轉變為正弦信號和余弦信號：

S1S2=KE0sinωtsinθ (SIN)

S2S3=KE0sinωtcosθ (COS)

θ為自整角機的軸角，假定計數器現時值是ψ，S1S2和S2S3經過正余弦乘法器放大后得到：

S1S2=KE0sinωtsinθcosψ

S2S3=KE0sinωtcosθsinψ

兩信號再經誤差放大器相減得到：

KE0sinωtsinθcosψ- KE0sinωtcosθsinψ

=KE0sinωt（sinθcosψ-cosθsinψ）

=KE0sinωtsin(θ-ψ)

經過相敏解調、積分、電壓控制（VCO）和計數器形成一個閉環回路使sin(θ-ψ)趨近于零，即可逆計數器ψ等于自整角機的軸角θ。經過數字轉換器后，送入輸出三態鎖存器，進而送到輸出管腳上。SDC的輸入端直接與自整角機的勵磁信號和3路整步繞組輸出信號相連接，SDC的輸出端為與自整角機軸角相對應的數字量，直接與單片機接口。

SDC1740的主要性能如下：

◇分辨率為14位，最小可以分辨的角度為0.022°，約合1.3′（1°[度]= 60′[角分]）。

◇誤差：最大值±5.3′。

◇跟蹤速度：大于27r/min。

◇輸入信號電平：90V，26V，11.8V。

◇電源電平：±15V/35mA，邏輯電平5V/56mA。

◇數字輸出電平：高電平1最低2.4V，低電平0最高為0.4 V，可以驅動最多6個TTL負載。高電平1時，最大拉電流達240μA；低電平0時，最大灌電流高達9.6mA。

SDC1740模塊的工作原理如下：上電后SDC內部模塊處于工作狀態，模塊輸出的14位數碼隨著自整角機旋轉的變化而變化。當數字轉換完成后，BUSY端送出低電平，此時允許單片機將數字碼取走。SDC模塊的數字碼輸出權位：最高位數字BIT1的權重為180°，最低位數字BIT14的權重為0.022°。

數碼顯示控制電路采用Philips P89V51型號的單片機來驅動5個8段LED數碼管來顯示位移步數。P1口和P3.0～P3.5接收14位數字信號，經過單片機處理（角速度轉化為位移），送到LED數碼管顯示。根據驅動機構的驅動輪周長為1000mm，即1000步，轉一圈就前進1000步，也就是說360°對應1000步，單片機負責將轉角信號轉化成位移信號并送顯示。LED數碼管采用掃描方式來顯示。5個LED數碼管共用數據信號，由單片機P2口輸出。單片機的P0.0～P0.4口可分別控制5個LED數碼管的共陽端引腳，輪流掃描5個LED數碼管，在間隔時間小于0.05s情況下，就可以看到LED數碼管顯示的數據[2]。

1.3 試驗平臺模擬器設計

為了保證RIC系統功能測試的完整，需要建立一系列的模擬器進行仿真。主要模擬器有：泄漏探測器模擬器、報警信息模擬器、中子探測器模擬器。

1.3.1 泄漏探測器模擬器

RIC系統的泄漏探測包含指套管泄漏探測和密封組件泄漏探測。指套管泄漏探測器安裝在密封組件和電動隔離閥之間的球閥上，共50個指套管探測器。密封組件泄漏探測器安裝于密封組件，共50個密封段探測器。系統運行時，通過監控器對連接泄漏探測器的繼電器板的狀態進行定期掃描，可以判斷是否發生泄漏，并確定泄漏通道號。指套管泄漏探測和密封組件泄漏探測的探測器都是一樣的。泄漏探測器由48VDC供電，當探測器的阻值低于閾值時，系統就會產生泄漏報警。根據泄漏探測器的原理，本文設計了泄漏探測器模擬器，可以實現10個通道的泄漏探測模擬。

1.3.2 報警信息模擬器

根據RIC系統的設計要求，該系統的報警信息需要傳送到主控室，通過硬接線連接，用于傳輸指套管泄漏、密封組件泄漏和系統故障報警信號。本文設計的報警信息模擬器主要是通過220VAC轉5VDC的開關電源和LED等組成，當報警信號送過來的時候，5VDC電源就會加到LED燈上，對應的LED指示燈就被點亮。

1.3.3 中子探測器模擬器

RIC系統進行通量圖的繪制，需要有中子探測器才能完成。中子通量測量探頭為U235微型裂變電離室，裂變室是用中心涂有豐度為90%的鈾的氧化物涂層中心電極，外層為兩個密封的外殼，外電極和中心電極間的電勢差即為極化電壓。在腔室中充入99.88%的氬氣（Ar）作為裂變室的工作氣體。當熱中子通過裂變室時，與裂變室中的U235發生裂變反應（n,f），U235裂變產生的碎片FQ將氬氣電離：Ar+FQ → Ar+e，由于兩電極間存在電勢差，則正負離子分別向兩電極漂移，在回路中形成感應電流。探測器的極化電壓由穩定的電源提供，電壓范圍50VDC～200VDC[1]。

根據以上的原理本文采用電阻對探測器進行模擬，極化電壓加在電阻上，得到一個恒定的電流值，來模擬RIC系統數據的采集功能。根據堆芯中子注量率系統平臺設備測試程序的要求，本文選用5種不同阻值的電阻來模擬見表2。表2還計算了當極化電壓為128VDC時，采集的電流值。該電阻模擬器直接與RIC測控機柜進行連接使用。

表2 RIC系統中子探測器模擬電阻Table 2 RIC system neutron detector analog resistance

1.4 試驗平臺支架及連接設計

1.4.1 平臺支架連接管系

平臺支架用于RIC系統機電設備的安裝。本文設計的支架和電站實際機架相同，主要有驅動機構安裝支架、組選擇器安裝支架、可移動支架、存儲通道、貫穿件等，并設計和彎制了連接管系，用于機電設備間的連接。

1.4.2 平臺電氣連接

平臺的電氣連接是搭建RIC系統的基礎，通過連接電纜將各設備連接成一個系統。本文根據RIC系統布線圖和RIC系統連接圖進行平臺電纜布置。電纜選用國產化的電纜，電纜規格與原設計一致，連接器選用SOCAPEX，電纜通過電纜橋架進行敷設，確保電氣連接的可靠。

設備接地采用設備單點接地的方式，電子檢測設備裝置中有幾種接地：①保護接地，將電子檢測設備的外殼接公用的地線；②信號接地，輸入輸出的零信號電位公共線，可分為模擬信號地線和數字線號地線；③交流電源地線，它是噪聲的來源，設備使用交流電源供電時，有電源地線。在接口電路板的設計中，基本原則是低頻電路（f<1MHz）單點接地，高頻電路（f>1MHz）就近多點接地。通常，在電子檢測裝置中至少有3種分開的地線，它們分別通過單點接地[3]。

2 試驗平臺的應用情況

完成了平臺的設計后，將國產化的測控柜、分配柜、驅動機構、組選擇器、路選擇器等設備安裝在試驗平臺上。首先，對驅動機構、組選擇器、路選擇器和電動閥用手動控制測試裝置進行測試，確保設備的功能符合技術規范的要求；然后，將進行系統電氣連接，組成一個5通道堆芯中子注量率系統。這樣就可以進行RIC系統的集成調試了。圖5為RIC系統平臺功能試驗報告，該報告對RIC系統進行37項全面功能測試，各項測試結果均符合RIC系統技術規范要求，證明了本文設計的RIC系統試驗平臺通過驗證，符合RIC系統試驗要求。

圖5 RIC平臺試驗報告Fig.5 RIC Platform test report

3 結論

本文根據RIC系統自主化研發的測試要求，開發了核電站RIC系統試驗平臺。該平臺可以實現對RIC系統主要機電設備的單機測試和系統聯調，通過該平臺已實現RIC系統自主化測試供貨，該試驗平臺滿足RIC系統自主化研發測試的要求。

該試驗平臺的設計和實現集電氣控制、電子技術和測量技術于一體，具有功能豐富、性能穩定和測試效率高等特點。本試驗平臺的開發基于模塊化的設計理念，各個模塊功能獨立，有利于試驗平臺的擴展和維護。