停堆斷路器T3響應(yīng)時間超差問題分析與處理

黃正東，張 軍，楊文清，羅 昊

（中廣核工程有限公司 核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國家重點實驗室，廣東 深圳 518172）

0 引言

停堆斷路器的主要功能是接收來自反應(yīng)堆保護系統(tǒng)（RPS）的自動停堆信號和來自主控室的手動緊急停堆信號，觸發(fā)斷路器跳閘，從而切斷控制棒驅(qū)動機構(gòu)（CRDM）動力電源。失去電源后，控制棒組件在重力的作用下迅速落至堆芯底部，使反應(yīng)堆停堆[1]。作為實現(xiàn)緊急停堆的關(guān)鍵敏感設(shè)備，為滿足停堆響應(yīng)時間的安全要求，停堆斷路器的響應(yīng)時間（T3）應(yīng)在規(guī)定限值內(nèi)[2]。在工程建設(shè)期間，一般在機組調(diào)試啟動熱態(tài)功能試驗階段對停堆斷路器響應(yīng)時間進行測量。

與以往CPR1000 技術(shù)路線采用260V 交流電作為CRDM 電源不同，某三代核電機組CRDM 驅(qū)動電源改為220V 直流供電，控制CRDM 動作的棒控和棒位系統(tǒng)（RGL）電源柜在部分硬件設(shè)計上也進行了適應(yīng)性變化。這些設(shè)計與設(shè)備上的變化帶來的影響并不局限于所屬系統(tǒng)本身，還會涉及到關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，如反應(yīng)堆保護系統(tǒng)，可能造成相關(guān)試驗結(jié)果超差，影響設(shè)備的可靠性和安全性[3]，應(yīng)盡早發(fā)現(xiàn)并及時消除缺陷。

1 T3響應(yīng)時間超差問題

在該機組熱態(tài)功能試驗期間執(zhí)行裝料前，保護通道響應(yīng)時間檢查試驗（TP-RPS-14）中進行停堆斷路器響應(yīng)時間T3 的測量，試驗實測值約為350ms，超出試驗程序要求的T3 ≤150ms 的期望值要求。

T3 時間測量方法為：

1）將高速記錄儀連接至緊急停堆信號入口及RGL 一個電源柜固定夾持線圈（SG）回路測試接口。

2）觸發(fā)緊急停堆信號，并測量失電跳閘線圈失電至RGL 固定夾持線圈（SG）電流值從額定值降低到30%的時間。

多次試驗發(fā)現(xiàn)，停堆信號觸發(fā)后，RGL 電源柜的SG動力插件輸出電流在停堆信號觸發(fā)后不會立即降低，而是繼續(xù)維持300ms 左右的穩(wěn)定輸出再逐漸減小，如圖1 所示。

圖1 T3響應(yīng)時間測量波形圖Fig.1 Waveform of T3 response time measurement

反應(yīng)堆緊急停堆信號的允許時間延遲（Trt=T1+T2+T3+T4）需要小于等于核電廠最終安全分析報告事故分析中假設(shè)的數(shù)值，如源量程高中子注量率停堆Trt ≤700ms，汽機跳閘與冷凝器不可用，觸發(fā)停堆Trt ≤600ms。

T3 時間過長超差將導(dǎo)致Trt 時間裕度大幅減少甚至超差，導(dǎo)致事故分析假設(shè)條件失效，影響反應(yīng)堆安全運行[4]，對于此類非設(shè)計預(yù)期且影響最終安全分析報告結(jié)論的事件，必須查明原因并設(shè)法消除。

2 原因分析

2.1 緊急停堆響應(yīng)時間定義

緊急停堆過程中各環(huán)節(jié)響應(yīng)時間定義如下：

T1：傳感器/變送器響應(yīng)時間。

T2：模擬通道和邏輯電路的響應(yīng)時間，即從變送器輸出至停堆斷路器失壓線圈輸入端子之間的時間。

T3：停堆斷路器打開的時間，即失壓線圈去激勵至SG線圈電流開始減小之間的時間，T3 的結(jié)束對應(yīng)著保持勾爪線圈開始失電[5]。

T4：固定夾持鉤爪釋放時間（SG 線圈電流開始減小至控制棒組件開始下落的時間）。

T5：控制棒從開始下落到進入緩沖段的時間。

T6：控制棒從緩沖段到完全插入的時間。

緊急停堆的響應(yīng)時間（T），指從緊急停堆工況的發(fā)生到控制棒組件完全落入堆芯，引入最大負反應(yīng)性使反應(yīng)堆停閉所經(jīng)歷的時間，T=T1+T2+T3+T4+T5+T6。

2.2 控制棒驅(qū)動機構(gòu)動力電供電分析

T3 響應(yīng)時間測量采集的信號是送至停堆斷路器的RPS停堆信號和輸出至CRDM SG 線圈的電流信號，如圖2 CRDM 動力電供電示意簡圖所示。

圖2 CRDM動力電供電示意簡圖Fig.2 Schematic diagram of CRDM power supply

220VDC 動力電經(jīng)停堆斷路器、RGL 電源分配盤柜RGL3006TB 到每個RGL 電源柜，在電源柜中要經(jīng)過主電源插件、動力插件等部件，最終由動力插件輸出一定時序的電流至CRDM 的線圈驅(qū)動磁力機構(gòu)，使控制棒完成提升、下插或保持動作。

動力插件的輸出還受到電源柜內(nèi)其他控制信號的影響，其中電流通斷插件的控制信號與T3 響應(yīng)時間測量試驗密切相關(guān)。如圖3 所示，當(dāng)電源柜接收到RPS/多樣性驅(qū)動系統(tǒng)（KDS）停堆信號時，或RGL 電源柜內(nèi)電壓監(jiān)測板卡監(jiān)測到220V 動力電丟失時，電流通斷插件的控制信號會切斷動力插件的電流輸出以實現(xiàn)冗余保護。

圖3 電流通斷插件控制信號示意圖Fig.3 Schematic diagram of current on/off plug-in control signal

2.3 影響T3響應(yīng)時間的因素分析

根據(jù)T3 時間定義及CRDM SG 線圈供電回路，T3 時間涉及了停堆斷路器、RGL 電源分配盤柜、主電源插件、電壓監(jiān)測板卡、電流通斷插件、動力插件等主要部件的響應(yīng)。

2.3.1 停堆斷路器

手動觸發(fā)停堆信號后，RPS 停堆信號作用于停堆斷路器的失電跳閘線圈和得電跳閘線圈，使停堆斷路器打開，切斷CRDM 動力電源。

同時，RPS 停堆信號經(jīng)2s 的前延時后通過電流通斷插件作用于動力插件切斷其電流輸出，作為冗余停堆保護。

另外，當(dāng)停堆斷路器切斷動力電后，“220V 動力電丟失”信號也將通過電流通斷插件作用于動力插件切斷其電流輸出。

從圖1 的試驗曲線看，停堆斷路器本身的動作時間在90ms 以內(nèi)，這個數(shù)值與采用同類型斷路器的CPR1000 機組調(diào)試啟動期間的T3 時間接近。結(jié)合T3 定義及試驗采集信號的位置，造成T3 超差的因素在停堆斷路器下游設(shè)備環(huán)節(jié)。

2.3.2 電流通斷插件和動力插件

電流通斷插件主要功能是接收RPS/KDS 停堆信號、220V 動力電丟失信號以及插件上的鑰匙開關(guān)信號，通過邏輯判斷使繼電器動作來控制動力插件的IGBT 驅(qū)動電路，實現(xiàn)CRDM 電流“通”和“斷”。

動力插件主要實現(xiàn)輸出滿足要求的CRDM 電流的功能，此外還可實現(xiàn)電流定值設(shè)定和定值信號檢測報警、電流調(diào)節(jié)與波形測量和輸出等功能。

停堆斷路器不接收KDS 停堆信號，因此KDS 停堆信號觸發(fā)時，停堆斷路器并不打開，CRDM 動力電不丟失，監(jiān)測板卡“220V 動力電丟失”信號不觸發(fā)。

根據(jù)圖3 示意圖的原理，為驗證停堆斷路器下游RGL電流通斷插件和動力插件對T3 時間的影響，可以通過觸發(fā)KDS 停堆信號來進行測試。通過接入KDS 停堆信號、SG 線圈電流到記錄儀，測量KDS 停堆信號觸發(fā)到SG 從半電流下降至額定夾持電流30%的時長，經(jīng)測量該時長為13ms。測試結(jié)果說明，動力插件和電流通斷插件在切斷SG電流時響應(yīng)時間足夠短，不是導(dǎo)致T3 超差的主要因素。

2.3.3 電壓監(jiān)測板卡

電源柜XR 電壓監(jiān)測板卡結(jié)構(gòu)簡圖如圖4 所示，輸入端連接RGL 電源分配盤柜輸出的220VDC 動力電及監(jiān)測回路的24V 查詢電壓，輸出端為代表“220V 動力電丟失”的24V 信號，送至SG/MG/LC 機箱以及PLC 指示燈。

圖4 XR電壓監(jiān)測板卡結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Structure diagram of XR voltage monitoring board

正常情況下，220V 動力電使監(jiān)測板卡內(nèi)繼電器勵磁，送到各個動力機箱的“220V 動力電丟失”信號不觸發(fā)，2/3/4 端口保持高電平輸出。當(dāng)220V 動力電失電后，“220V動力電丟失”信號生效，送至各個機箱的24V 查詢電壓變?yōu)榈碗娖剑靡郧袛鄤恿Σ寮娏鬏敵觥?/p>

T3 響應(yīng)時間測量中，當(dāng)停堆斷路器打開后，SG 電流仍然在“主電源插件-動力插件”的鏈路上保持了超過200ms 的穩(wěn)定輸出，需要厘清SG 電流異常保持的原因是否為電壓監(jiān)測板卡引起，也需要明確監(jiān)測板卡本身的響應(yīng)時間是否超標。

通過接入XR 監(jiān)測板卡輸入端的220V 動力電、XR 監(jiān)測板卡輸出端的24V 查詢電壓、SG 線圈電流、RPS 停堆信號、停堆斷路器打開反饋信號到記錄儀，在電源分配盤柜所有開關(guān)閉合情況下觸發(fā)RPS 停堆信號進行T3 響應(yīng)時間測量。結(jié)果顯示，停堆斷路器打開后，XR 監(jiān)測板卡輸入端的220V 動力電開始下降，直到電壓下降到約16V 時，XR監(jiān)測板卡才判斷“失電”，輸出端24V 查詢電壓變?yōu)榈碗娖剑撨^程耗時約246ms。XR 監(jiān)測板卡輸出表征“失電”的低電平信號后，SG 線圈電流才開始下降，導(dǎo)致了T3 超差。

由于220V 動力電既參與SG 線圈供電，又是XR 電壓檢測板塊的輸入信號，兩者都與SG 電流輸出異常存在因果關(guān)系。實際測試過程中，停堆斷路器打開后，220V 動力電下降導(dǎo)致XR 監(jiān)測板卡24V 查詢電壓轉(zhuǎn)低電平，即“220V動力電丟失”信號生效，與此同時SG 線圈電流開始下降，需進一步分析導(dǎo)致輸入端電壓“緩慢下降”的原因是“失電”信號延遲觸發(fā)還是SG 上游220V 供電下降緩慢。

在工廠使用測試電源220VDC，及外接繼電器（用以監(jiān)測失電時刻），通過外接繼電器切斷電源柜樣機220VDC供電模擬斷路器打開。測試結(jié)果顯示，在外接繼電器動作（等效現(xiàn)場停堆斷路器打開）后49ms，監(jiān)測板“220VDC 丟失”信號觸發(fā)，SG 線圈電流開始下降，比現(xiàn)場試驗時間短約200ms，即電壓監(jiān)測板卡響應(yīng)時間約為50ms，符合部件的性能要求。

2.3.4 電源分配盤柜

每個電源柜在RGL 電源分配盤柜RGL3006TB 內(nèi)對應(yīng)一個分配開關(guān)，這些開關(guān)連接到盤柜內(nèi)同一供電母排。由于試驗過程中觸點開關(guān)保持閉合且不動作，而開關(guān)本身和盤柜內(nèi)動力電回路不含電容、電感等元件，也無自動控制信號，即分配盤柜本身不存在響應(yīng)遲滯問題，但存在如下可能性：試驗電源柜在失電時，接收到其他電源柜通過母排“倒送”的電壓，或者試驗電源柜內(nèi)包含了動力電失電時能夠讓電壓延遲下降的部件。因此，需要進一步排查電源分配柜下游設(shè)備即電源柜相關(guān)供電模塊。

2.3.5 主電源插件

電源柜內(nèi)主電源插件的功能是接收220VDC 動力電輸入，經(jīng)由電抗器、濾波電容、尖峰抑制電路后，輸出220VDC 直流動力電源提供給動力插件。

如圖5 主電源插件原理框圖所示，該部件設(shè)計中存在的“濾波網(wǎng)絡(luò)”部分，可能在動力電失電時對上下游進行放電，充當(dāng)了“電源”，延緩了電壓的下降。

圖5 主電源插件原理框圖Fig.5 Schematic diagram of the main power supply plug-in

為驗證該設(shè)想，并排除其他電源柜可能通過電源分配盤柜“倒送電”的影響，將電源分配柜RGL3006TB 內(nèi)其他電源柜對應(yīng)的開關(guān)全部斷開，僅保留試驗電源柜的開關(guān)合閘，試驗電源柜內(nèi)的主電源插件也完全拔出。再次觸發(fā)RPS 停堆信號以查看動力電的下降情況（此工況因SG 線圈電流一直為零電流而無需納入測量），結(jié)果顯示，監(jiān)測板卡上的220V 動力電在停堆信號觸發(fā)84ms 后速降至0V，其電壓下降過程幾乎無延遲。

將試驗電源柜內(nèi)的主電源插件恢復(fù)插入，其他電源柜在分配盤柜內(nèi)的開關(guān)仍保持斷開，將RPS 停堆信號、停堆斷路器打開反饋、XR 監(jiān)測板卡220V 動力電輸入信號、XR監(jiān)測板卡24V 查詢電壓（輸出端）、SG 線圈電流接入記錄儀，再次觸發(fā)RPS 停堆信號，結(jié)果顯示監(jiān)測板卡上220V動力電下降時間超過250ms。

由此可見，在觸發(fā)RPS 停堆信號后，CRDM 動力電失電時其電壓的延遲下降由主電源插件引起，且某一電源柜的SG 失電延遲時間與其他電源柜220V 分配開關(guān)是否閉合無關(guān)，主電源插件的異常“放電”是造成T3 響應(yīng)時間超差的根本原因。

2.4 設(shè)計原因分析

該三代機組對T3 響應(yīng)時間定義、試驗方法及驗收準則均與CPR1000 機組一致。其RGL 系統(tǒng)在設(shè)計上也如CPR機組文件未單獨對T3 進行定義和要求，僅對各個線圈電流動作時間有要求，其中SG 電流要求見表1。因此，RGL 供應(yīng)商在設(shè)備的設(shè)計和制造時未將主電源插件、電壓監(jiān)測板卡等部件的響應(yīng)時間與T3 響應(yīng)時間的需求耦合。

表1 RGL SG線圈電流動作時間要求Table 1 RGL SG coil current action time requirements

由于該機組將CRDM 動力電源在設(shè)計上由CPR1000 機組三相260V AC 變更為單相220V DC，導(dǎo)致RGL 電源柜主電源插件電路設(shè)計時，相比CPR1000 機組也發(fā)生變化。CPR1000 機組主電源插件內(nèi)上游電源的輸入端使用了3 個二極管對交流電進行斬波得到直流電，由于二極管的反向截止特性，在260V AC 失電過程中C1/C2/C7/C8 等電容的放電不會影響外部供電回路。

由于該機組的主電源插件采用直流供電，因而插件內(nèi)電源輸入端不再設(shè)置斬波二極管。在220V DC 失電后，C7/C8 的反向放電無法與外部供電隔離，電容的反向放電導(dǎo)致供電電壓下降緩慢，表現(xiàn)為SG 電流輸出異常保持，造成T3 響應(yīng)時間超差。

3 改進方案

考慮上游動力電供電的變化及主電源插件中“濾波網(wǎng)絡(luò)、電壓檢測”環(huán)節(jié)的電氣特性，擬在主電源插件中增加二極管模塊，作為失電過程中避免電容反向放電的截止手段，避免電壓延遲下降對T3 響應(yīng)時間的影響，改造方案以“上游電源斷開到SG 半電流降至30%不超過60ms”作為驗收要求。改造后主電源插件原理框圖如圖6 所示。

圖6 主電源插件的改造方案Fig.6 Transformation plan for the main power plug in

使用改造后的主電源插件，在現(xiàn)場重新進行T3 響應(yīng)時間測量，A 列和B 列結(jié)果均為96ms，滿足期望值要求，該方案作為最終解決方案。

4 結(jié)論

針對某核電機組熱態(tài)功能試驗階段停堆斷路器T3 響應(yīng)時間測量結(jié)果超差問題進行分析研究，通過原因分析與分段定位排查，確定了T3 響應(yīng)時間超差的根本原因是CRDM動力電失電過程中主電源插件電容反向放電導(dǎo)致的供電電壓下降緩慢。

通過對CRDM 供電及監(jiān)測回路研究，提出了在主電源插件供電環(huán)節(jié)增加二極管，消除濾波電容反向放電對設(shè)備失電響應(yīng)造成延遲的改造方案。通過卡件改造與現(xiàn)場測試驗證，使用增加了截止二極管的主電源插件后，T3 響應(yīng)時間測量結(jié)果合格，表明改造方案有效，在保障了設(shè)備的可靠性和安全性的同時，相關(guān)經(jīng)驗反饋也值得后續(xù)同類型機組借鑒。