中科華核電技術(shù)研究院  羅傳杰

    大亞灣核電運營(yíng)管理有限公司 文 華

    北京廣利核系統工程有限公司 左 新
                       
    羅傳杰（1972-）男，湖南人，高級工程師，研究生，畢業(yè)于武漢水利電力大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現就職于中科華核電技術(shù)研究院，主要研究方向為核電站儀控領(lǐng)域的工程改造以及產(chǎn)品研發(fā)。

    摘要：保護系統是核電站最重要的安全系統之一。為了保證系統的可用性，根據核安全法規的要求，必須對系統的功能進(jìn)行定期試驗以便及時(shí)發(fā)現系統內部潛在的故障。大亞灣核電站的試驗臺由于老化，可靠性降低，影響了核電站的安全。遵循相關(guān)設計標準，充分考慮現場(chǎng)實(shí)際使用需求、技術(shù)可靠性等因素，研制了新型的試驗臺。大亞灣核電站一年多的現場(chǎng)運行表明，新研制的試驗臺完全達到了預定的設計要求。

    關(guān)鍵詞：核電站；保護系統；試驗臺；研制

    Abstract: Protection system is one of the most important systems in nuclear power station. According to the requirement of nuclear regulation, and in order to ensure the system availability, periodic test must be done to test system function to find potential fault. The reliability of tester in Daya Bay nuclear power station decreased because of aging, which affects nuclear safety. A new tester was developed by considering the related design standards, requirement from site operation and technique reliability. The more than one year operation in Daya Bay nuclear power station demonstrated that this new tester meets the expected requirement.

    Key words: Nuclear power station; Protection system; Tester; Development

    1前言

    根據核安全法規的要求，核電站的保護系統必須執行定期試驗，以確保保護系統的準確性和可用性。如果試驗臺故障，無(wú)法進(jìn)行有關(guān)試驗，核電站將被迫停堆，因此試驗臺是核電站安全運行必須的設備。

    國內包括大亞灣核電站在內的百萬(wàn)千瓦大型核電機組的保護測量系統試驗臺（T1試驗臺）均由國外核島設備供應商設計和供貨。長(cháng)期以來(lái)，技術(shù)由國外公司壟斷。由于國內廠(chǎng)家不掌握核心技術(shù)，無(wú)法對原系統進(jìn)行維護和更新。經(jīng)過(guò)十多年的運行，大亞灣核電站的T1試驗臺已經(jīng)老化，經(jīng)常出現問(wèn)題，嚴重影響了機組的安全運行，因此大亞灣核電站決定對其進(jìn)行升級改造。為了打破國外的技術(shù)壟斷，大亞灣核電站與北京廣利核公司聯(lián)合研制了新的試驗臺，以滿(mǎn)足核電站安全和運行的要求。

    2 T1試驗臺的工作原理

    百萬(wàn)千瓦壓水堆核電機組保護測量系統（KRG系統）是核電站儀控系統的重要組成部分，對于核電站的安全運行起著(zhù)重要的作用。KRG系統接收來(lái)自現場(chǎng)過(guò)程測量?jì)x表的模擬信號（包括4~20mA信號、熱電阻信號、熱電偶信號、頻率信號等），同時(shí)給現場(chǎng)二線(xiàn)制變送器配電，然后系統根據設計要求對現場(chǎng)模擬信號進(jìn)行處理，再送到相關(guān)系統和設備進(jìn)行顯示、記錄、處理。根據安全和功能要求，KRG系統分為保護測量機柜（1E級，又稱(chēng)為SIP系統）和控制測量機柜（非核級）。KRG系統的總結構圖見(jiàn)圖1。
          
                     
                                         圖1  KRG系統總結構圖

    SIP系統保護測量通道完成安全信號的處理，因此該系統的工作正常與否直接影響到核電站的安全，這就要求SIP系統保護測量通道在核電站運行期間，要絕對可靠地工作，所以根據核安全法規和國家標準的要求，必須有手段在核電站運行期間對保護測量機柜內的組件進(jìn)行定期試驗，此類(lèi)定期試驗稱(chēng)為“T1試驗”。

    試驗可在停堆和功率運行工況下進(jìn)行。如果因故無(wú)法進(jìn)行試驗，反應堆必須停堆檢修。保護測量通道的典型回路圖見(jiàn)圖2。
               
                   
                                  圖2   保護測量通道典型回路圖

    SIP系統使用BAILEY公司的FE9H12組件作為T(mén)1試驗的信號接口卡，與保護測量回路的BAILEY 9020組件安裝在一起。保護系統正常工作時(shí)，FE9H12組件中的信號繼電器（CC）將現場(chǎng)信號接至保護測量回路；FE9H12組件中的輸出繼電器（XX）將保護測量回路的報警組件輸出接至保護系統，從而完成保護測量回路的正常功能。

    當保護測量回路需要進(jìn)行T1試驗檢測時(shí)，將電纜插頭插入需要測試的回路端口上，這時(shí)FE9H12組件接收來(lái)自T1試驗臺的啟動(dòng)信號。首先是FE9H12組件中的XX繼電器動(dòng)作，將原來(lái)接至保護系統的報警組件輸出轉接至試驗臺進(jìn)行監視；一定延時(shí)后FE9H12組件中的CC繼電器動(dòng)作，送入保護回路的輸入信號從原來(lái)的現場(chǎng)信號轉接至T1試驗臺送出的標準測試信號。T1試驗臺根據預先編制的測試程序，對保護測量回路中的信號轉換組件、運算組件、報警組件等進(jìn)行測試。當試驗完成后，FE9H12組件中的CC、XX繼電器恢復順序與啟動(dòng)順序相反。送入保護回路的輸入信號又重新接至原來(lái)的現場(chǎng)信號。T1試驗完成。

    3 T1試驗臺技術(shù)方案及參數

    3.1 系統方案

    雖然T1試驗臺的實(shí)驗對象SIP系統執行安全功能，屬于安全相關(guān)系統，但T1試驗臺本身并不執行安全功能，不屬于核級設備，不需要按照核級設備的設計準則進(jìn)行設計。因此在T1試驗臺的設計中需要考慮的重點(diǎn)是防止試驗臺內部的故障（如短路，過(guò)電壓等）影響SIP保護通道，具體的措施包括采取可靠的設計進(jìn)行電源和輸入輸出信號的隔離。

    新研制的T1試驗臺的核心部分是配有兩塊NI公司的M系列數據采集卡的高性能GE工控機和信號調理板。工控機上運行由LABVIEW 專(zhuān)家版生成的T1試驗臺上位機監控程序，并通過(guò)人機接口設備實(shí)現對整個(gè)T1試驗臺的操控；NI公司的M 系列數據采集卡實(shí)現模擬量信號和開(kāi)關(guān)量信號的采集和輸出功能；信號調理板和NI卡之間通過(guò)標準電纜連接，信號調理板通過(guò)55芯電纜（帶航空連接器）和被測試對象（SIP機柜）連接。

    自檢、年檢航空連接器插座均和自檢、年檢接口板相連接，完成系統的自檢和年檢功能。

    人機接口部分包括兩個(gè)設備：一臺打印機，用于生成紙質(zhì)的測試結果，便于定期試驗過(guò)程中的簽字確認及存檔；一體化IO設備（鍵盤(pán)+顯示器+鼠標），作為定期試驗過(guò)程中的人機交互手段。
           
                 
                                    圖3  T1實(shí)驗臺結構示意圖

    對于新研制的T1試驗臺，還增加了以下功能：

    將T1試驗臺送往測試回路的信號讀回到試驗臺，以檢查I/O模塊的精確度。

    當對某個(gè)回路進(jìn)行T1試驗時(shí)，需把試驗電纜插頭插入待測試回路的插座上，如果不小心把電纜錯插到別的回路插座上，則沒(méi)法對該回路進(jìn)行測試。為了有效避免維修人員的誤操作，根據SIP機柜接線(xiàn)情況，自動(dòng)實(shí)現此判斷功能。

    T1試驗臺具備通道自檢和定期檢驗功能，將55芯電纜插到相應的自檢（定期檢驗）航空連接器插座上，即可實(shí)現自檢（定期檢驗）功能。

    自檢航空連接器插座和自檢、年檢接口板連接。自檢接口板將來(lái)自55芯電纜的輸入和輸出信號相互連接在一起（模擬量輸入對應模擬量輸出，開(kāi)關(guān)量輸入對應開(kāi)關(guān)量輸出）。從輸出通道注入一個(gè)信號，再從對應的輸入通道讀取數據，通過(guò)兩者比對，即可得到這兩個(gè)通道的狀態(tài)，完成自檢。

    試驗臺的通道信號一共有4種類(lèi)型，開(kāi)關(guān)量輸入，開(kāi)關(guān)量輸出，模擬量輸入，模擬量輸出（均相對于試驗臺而言）。每種信號的定期檢驗方法如下：

    開(kāi)關(guān)量輸入：通過(guò)定期檢驗接口板輸入0、1變位信號。

    觀(guān)察試驗臺的測量結果，判斷通道質(zhì)量。

    開(kāi)關(guān)量輸出：通過(guò)實(shí)驗臺輸出0、1變位信號，觀(guān)察定期檢驗接口板的狀態(tài)指示電路，判斷通道質(zhì)量。

    模擬量輸入：通過(guò)定期檢驗接口板的信號輸入端子，使用標準表輸入模擬量信號。觀(guān)察試驗臺的測量結果，判斷通道質(zhì)量。

    模擬量輸出：通過(guò)實(shí)驗臺輸出模擬量信號，使用標準表測量定期檢驗接口板相應的測量端子上的信號精度，判斷通道質(zhì)量。

    模擬量輸出處理及回讀（AO）：由于M 系列數據采集卡的模擬量輸出通道為電壓型輸出，而待測試通道需要4～20mA電流型或-10V~10V電壓型激勵信號，因此，進(jìn)行通道試驗過(guò)程中，必要時(shí)需將采集卡輸出的電壓型信號轉換為T(mén)1試驗需要的電流信號（4～20mA）。同時(shí)，提供模擬量輸出信號回讀功能，以便確認測試信號已經(jīng)施加到待測試通道。

    開(kāi)關(guān)量輸出處理（DO）：定期試驗需要向待測試通道發(fā)送控制指令將通道切換到試驗狀態(tài)，這些指令是由開(kāi)關(guān)量輸出實(shí)現的，例如控制FE9H12的“CC”的節點(diǎn)轉換；采集卡的開(kāi)關(guān)量輸出不能直接驅動(dòng)這些設備，因此需要設計開(kāi)關(guān)量輸出處理電路實(shí)現信號轉換。

    開(kāi)關(guān)量輸入處理（DI）：待測試通道的閾值繼電器在越限時(shí)會(huì )發(fā)生動(dòng)作，T1試驗臺需要采集并記錄這些開(kāi)關(guān)量輸入動(dòng)作；待測試通道的特征信息（如機組、SIP組、系統和通道標識等）作為判定試驗電纜連接正確與否的依據，以開(kāi)關(guān)量輸入形式提供給試驗臺，這些開(kāi)關(guān)量動(dòng)作經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送給采集卡進(jìn)行采集。

    模擬量輸入處理（AI）：待測試通道中的模擬量信號（如中間運算結果等），經(jīng)過(guò)模擬量輸入處理電路處理成DAQ模塊可以處理的信號后，送到工控機平臺進(jìn)行采集、顯示、記錄。
在研制過(guò)程中，先后進(jìn)行了軟件仿真測試和硬件模擬回路測試，驗證了SIP保護通道數學(xué)模型和試驗臺設計原理的正確性。

    3.2 總體技術(shù)指標

    新T1試驗臺的總體技術(shù)指標如下：

    一般工況條件下（指溫度25±10℃，相對濕度60±15%，大氣壓力96±10kPa，振動(dòng)和電磁干擾小到可忽略不計的環(huán)境條件，下同），各類(lèi)信號的誤差。

    AI：0～10V；通道數量13個(gè)；優(yōu)于模塊量程的0.1%。

    AO：-5V～5V，0～10V和0～20mA；通道數量：電壓型和電流型的信號各4個(gè)；優(yōu)于模塊量程的0.08%。

    D I ： 通道數量1 0 個(gè)； 現場(chǎng)接點(diǎn)的查詢(xún)電壓。18V~32VDC；

    48VDC電壓型開(kāi)關(guān)量輸入：通道數量10個(gè)；邏輯0對應的電壓范圍：0～12V，邏輯1對應的電壓范圍：18V～55V。

    DO：通道數量4個(gè)；每個(gè)通道的最大開(kāi)關(guān)容量（電阻性負載）為48VDC/200mA。
    
                    
                                   圖4  硬件原理框圖

    響應時(shí)間：

    模擬量輸出響應時(shí)間：25ms/全通道。

    模擬量輸入采集時(shí)間：25ms/全通道。

    開(kāi)關(guān)量輸入/輸出通道掃描時(shí)間：10ms/所有通道。

    鼠標鍵盤(pán)響應時(shí)間：不大于1秒。

    顯示終端動(dòng)態(tài)元素更新時(shí)間：不大于1秒。

    4 現場(chǎng)應用情況

    目前，新研制的T1 試驗臺已經(jīng)在大亞灣核電站正式投入使用，取代了原試驗臺，用于執行現場(chǎng)的T1試驗。一年多的運行經(jīng)驗表明，新研制的試驗臺功能完善，操作簡(jiǎn)便，質(zhì)量可靠，完全達到了預定的設計要求。

    與原試驗臺相比，新的T1試驗臺具有以下特點(diǎn)：

    設計時(shí)充分考慮了人工因素，界面友好，操作簡(jiǎn)便。

    從使用者的角度出發(fā)，從硬件和軟件上考慮了防止誤操作的各種措施和提示，最大程度上降低了人為因素導致保護系統誤動(dòng)的可能。

    數據庫功能強大，可以在此基礎上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，如數據處理，趨勢分析，故障診斷等。

    5 結束語(yǔ)

    百萬(wàn)千瓦壓水堆核電機組保護系統試驗臺(T1試驗臺)的自主研制，標志著(zhù)國內已經(jīng)掌握相關(guān)設備的核心設計技術(shù)，打破了國外廠(chǎng)家在這一技術(shù)上的壟斷，是核電設備國產(chǎn)化的成功嘗試。該技術(shù)可以應用于其它同系列百萬(wàn)千瓦核電機組保護系統試驗臺的設計制造。這一國產(chǎn)化項目的成功，不僅為核電站節省了數百萬(wàn)元的成本，而且提升了企業(yè)的技術(shù)水平與核心競爭力，具有極大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

    其他作者：文華（1973-），男，山西人，工程師，本科，畢業(yè)于清華大學(xué)物理系，現就職于大亞灣核電運營(yíng)管理有限公司，主要研究方向為核電站儀控領(lǐng)域的工程改造。

    左新（1976-），男，河北人，工程師，本科，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要研究方向為核電站儀控系統的研發(fā)。

    參考文獻：

    [1] 陳濟東. 大亞灣核電站系統及運行[M]. 北京: 原子能出版社, 1994.

    [2] GB/T 5204-2008, 核電廠(chǎng)安全系統定期試驗與監測[S].

    [3] GB/T13284.1-2008, 核電廠(chǎng)安全系統第1部分: 設計準則[S].

     摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第九期