摘要：控制棒是核反應堆堆芯反應性控制的關(guān)鍵設備，核電廠(chǎng)控制棒驅 動(dòng)采用鉤爪步進(jìn)式磁力提升方式，棒控系統電源柜MDP模塊提供驅動(dòng)機 構線(xiàn)圈的激勵電流。為確保兩個(gè)鉤爪按照既定時(shí)序正確動(dòng)作，當靜態(tài)電 流超限、動(dòng)態(tài)過(guò)程電流或調節時(shí)間超限，MDP均發(fā)出電流故障報警。 以鉤爪嚙合滯后、晶閘管擊穿、控制電路故障、霍爾傳感回路異常四種 典型案例，結合CRDM運行原理和MDP電流監測機制，分析電流故障原 因，提供維修建議方案。

關(guān)鍵詞：控制棒驅動(dòng)機構；電源柜；MDP模塊；電流故障

Abstract: Rod clusters control assemblies (RCCAs) are the pivotal  equipment for controlling the reactivity of the core of nuclear reactor.  The control rod drive of the nuclear power plant adopts the hook and  claw stepping magnetic lifting mode, and the MDP module of the power  cabinet of the rod control system provides the excitation current of  the drive mechanism coil. To verify grippers operating normally as the  requested sequences, MDP monitors the measured current in the coils.  MDP produces current fault in case that the measured current exceeds  standard in static or dynamic condition, and that the transition time  exceeds the threshold. In this paper, four typical cases, i.e. hook claw  engagement delay, thyristor breakdown, control circuit fault and Hall  sensor circuit abnormality, are taken as examples. Combined with  CRDM operation principle and MDP current monitoring mechanism, the  causes of current fault are analyzed, and maintenance suggestions are  provided.

Key words: CRDM; Power equipment; MDP module; Current fault 

1　控制棒系統概述

核電廠(chǎng)通過(guò)能夠吸收中子的控制棒與可溶硼實(shí)現可控的鏈式核裂變反應，其中控制棒由Ag-In-Cd合金組成，其吸收中子能力強、響應快，因而是核反應堆堆芯反應性控制的關(guān)鍵設備。

棒控與棒位系統（RGL）用于驅動(dòng)控制棒束的運 動(dòng)，并監測每一棒束在堆芯的高度，分為控制棒驅動(dòng) （以下簡(jiǎn)稱(chēng)：棒控）和控制棒位置監測兩部分。M310 堆型反應堆芯裝配9組（細分16子組）共61束控制棒， 福清核電一廠(chǎng)采用法國RRCN公司生產(chǎn)的RGL設備，系統對應控制棒的16個(gè)子組設置16個(gè)電源柜。電源柜主要由控制器PLC和保持、傳遞、提升三個(gè)機箱組成， 對應控制棒驅動(dòng)機構（CRDM）的保持、傳遞、提升線(xiàn)圈與鉤爪。每個(gè)機箱包含1個(gè)電源與相位參考模塊 ALSYN、4個(gè)整流與電流監測模塊MDP，MDP選用可控硅作為整流器件，將三相交流動(dòng)力供電整流為直流電，為子組4束棒CRDM線(xiàn)圈提供激勵電流。

核電廠(chǎng)控制棒驅動(dòng)采用鉤爪步進(jìn)式磁力提升方式，CRDM線(xiàn)圈接收MDP模塊的激勵電流，通過(guò)既定電流時(shí)序的電磁感應控制鉤爪的嚙合和脫開(kāi)、提升和下落，從而帶動(dòng)驅動(dòng)桿及與其相連的控制棒組件運動(dòng)，實(shí)現控制棒的提升、插入、保持與釋放。[1]

2　整流與電流監測原理

控制棒驅動(dòng)機構電源系統（RAM）產(chǎn)生三相交流 260V，經(jīng)反應堆停堆斷路器送往RGL系統，作為電源柜動(dòng)力電源。電源柜PLC根據動(dòng)棒命令信號，按照既定電流時(shí)序發(fā)送大、小或零電流指令，ALSYN提供三相電相位參考信號，MDP控制電路根據電流指令和參考相位計算晶閘管門(mén)極觸發(fā)角，3個(gè)晶閘管組成的可控整流橋對三相260VAC進(jìn)行整流，產(chǎn)生大電流、小電流、 零電流，晶閘管呈共陰極連接，公共端輸出到CRDM 線(xiàn)圈一端，另一端接三相電中線(xiàn)形成回路。

MDP不僅產(chǎn)生線(xiàn)圈激勵電流，也實(shí)時(shí)監測線(xiàn)圈電流大小水平，以確保驅動(dòng)機構保持、傳遞鉤爪按照既定序列配合動(dòng)作。由于CRDM線(xiàn)圈為感性負載，其電流變化存在一個(gè)暫態(tài)的調節過(guò)程，不僅靜態(tài)電流超限， 動(dòng)態(tài)過(guò)程電流超限或調節時(shí)間超限，MDP均發(fā)出電流故障報警；為減小滑棒、落棒風(fēng)險，線(xiàn)圈電流異常偏低時(shí)，報警的同時(shí)MDP還會(huì )發(fā)出雙保持命令，觸發(fā)保 持、傳遞兩個(gè)鉤爪同時(shí)夾持驅動(dòng)桿。

主電路、晶閘管及其控制電路異常，均可能導致電流故障。MDP兩個(gè)霍爾電流傳感器分別用于整流閉環(huán)控制的負反饋、線(xiàn)圈電流監測并供外部測量，霍爾傳 感器異常也可能引起電流故障。

3　四種典型電流故障

3.1　執行機構動(dòng)作滯后導致的電流故障

3.1.1　報警現象

1號機組第一燃料循環(huán)，R1-4棒束保持MDP模塊數次在動(dòng)棒期間發(fā)生“大電流低于閾值”電流故障，R1 子組進(jìn)入雙保持狀態(tài)閉鎖R棒組動(dòng)作，影響反應堆一回路冷卻劑溫度的自動(dòng)調節。

穩態(tài)測試大、小、零電流符合預期，表明該MDP 模塊電流輸出正常。結合電流監測原理，分析整個(gè)動(dòng)棒 過(guò)程CRDM線(xiàn)圈電流波形，確定報警點(diǎn)處于傳遞鉤爪帶動(dòng)驅動(dòng)桿動(dòng)棒完成后，保持鉤爪重新夾持驅動(dòng)桿階段， 保持線(xiàn)圈由零電流到大電流調節過(guò)程，大電流指令發(fā)出后160ms時(shí)刻，保持線(xiàn)圈電流低于大電流下限閾值7A。

3.1.2　原因分析

保持鉤爪嚙合過(guò)程，線(xiàn)圈電流由零開(kāi)始增大，達到動(dòng)作電流后銜鐵向上運行與保持磁極吸合，從而帶動(dòng)鉤爪迅速擺入驅動(dòng)桿環(huán)形槽。保持銜鐵動(dòng)作造成鉤爪組件磁路變化，負感應電動(dòng)勢產(chǎn)生使保持線(xiàn)圈電流波形出現凹坑， 凹坑底部出現時(shí)間點(diǎn)與保持銜鐵吸合時(shí)間點(diǎn)相吻合。[2]

如圖1所示，R1-4棒束保持鉤爪的嚙合動(dòng)作相對滯后。測量R1-3棒束保持鉤爪嚙合時(shí)間約105ms，而 R1-4棒束約142ms，導致保持線(xiàn)圈由零到大電流的調節時(shí)間長(cháng)于閾值，引發(fā)MDP模塊電流故障報警。 

圖1 R1-4棒束保持線(xiàn)圈電流故障步序波

即使是故障步序電流波形，保持鉤爪嚙合完成依然早于傳遞鉤爪脫開(kāi)，且有足夠時(shí)間裕量，判定當前 CRDM提插性能正常，適度放寬MDP模塊監測單元對保持線(xiàn)圈電流動(dòng)態(tài)性能的限制并不影響CRDM正常運 行。為減少頻繁報警對反應堆操作員的干擾，將零電流到大電流的時(shí)間限值由160ms調整到175ms，實(shí)際效果顯著(zhù)。但對鉤爪嚙合滯后仍需保持高度關(guān)注，若動(dòng)作滯后再次引發(fā)電流故障，需重新評估CRDM動(dòng)作性能。

3.2　晶閘管擊穿導致的電流故障

3.2.1　報警現象

2號機組第一燃料循環(huán)，SB1子組全部4塊保持 MDP模塊在棒靜止狀態(tài)發(fā)出“小電流高于閾值”電流故障，ALSYN同時(shí)發(fā)出“260V相位故障”報警，子組進(jìn)入雙保持狀態(tài)。測量結果顯示保持機箱4塊MDP模塊 輸出電流為零，且保持機箱三相260VAC進(jìn)線(xiàn)中有兩相動(dòng)力電熔斷器熔斷。

3.2.2　原因分析

假設單相動(dòng)力電保險燒毀，該相電流負反饋迅速 減小，MDP模塊通過(guò)調整其余兩相晶閘管門(mén)極觸發(fā)脈沖導通角，能夠實(shí)現小電流正常輸出，瞬態(tài)調節過(guò)程可能出現“小電流偏小”而非“小電流偏大”，更不會(huì )引發(fā)第二相動(dòng)力保險燒毀。從而判定始發(fā)故障位于主電路內部，動(dòng)力電保險燒毀符合電路保護設計。

理想狀態(tài)晶閘管陰/陽(yáng)極電阻為無(wú)窮大，測量發(fā)現機箱第3塊MDP模塊中有2個(gè)晶閘管陰/陽(yáng)間電阻僅 0.4Ω、0.3Ω。晶閘管因反向擊穿故障無(wú)法截止，下一相晶閘管導通后，整流橋在這兩相發(fā)生相間短路，PN 結電流急劇增大，第二相晶閘管亦被反向擊穿，對應的兩相動(dòng)力電保險燒毀，MDP模塊監測到“小電流偏 大”符合故障分析。

3.3　控制電路導致的電流故障

3.3.1　報警現象

201大修后控制棒初始提升至5步過(guò)程，G1子組提升機箱第1塊MDP模塊發(fā)出“小電流低于閾值”電流故 障，G1子組進(jìn)入雙保持狀態(tài)。測量證實(shí)線(xiàn)圈穩態(tài)電流輸出真實(shí)偏低：穩態(tài)輸出測試狀態(tài)下，MDP模塊復現 “小電流偏小”。

3.3.2　原因分析

電流波形顯示，提升線(xiàn)圈由大電流到小電流調節過(guò)程劇烈波動(dòng)，電流瞬時(shí)小于提升線(xiàn)圈小電流下限閾值 12A，從而引起MDP模塊電流故障。如圖2所示，提升線(xiàn)圈紅色曲線(xiàn)明顯異常，某相電流較其余兩相導通時(shí)間更長(cháng)，換流前線(xiàn)圈承受反相電壓時(shí)間更長(cháng)，使線(xiàn)圈穩態(tài)輸出有效值降低，導致動(dòng)態(tài)調節過(guò)程電流負向超調過(guò)大超過(guò)閾值。

晶閘管為半控型器件，導通后僅在流經(jīng)陽(yáng)極的電流下降到接近零才會(huì )關(guān)斷，于MDP模塊而言需要整流橋 的下一相晶閘管導通。前一相晶閘管導通時(shí)間過(guò)長(cháng)，說(shuō)明此相晶閘管門(mén)極觸發(fā)脈沖滯后，意味著(zhù)此相晶閘管門(mén)極控制電路存在異常.

圖2 G1-1棒束提升線(xiàn)圈電流故障報警步序波形

提升線(xiàn)圈大電流使傳遞鉤爪帶動(dòng)驅動(dòng)桿向上提升一個(gè)機械步后，為避免線(xiàn)圈過(guò)熱燒毀，電流時(shí)序中設置小 電流來(lái)維持傳遞鉤爪的位置，等待保持鉤爪再次夾持驅動(dòng)桿環(huán)形槽。提升線(xiàn)圈電流偏小，提升力矩不足以維持載荷，可能造成傳遞鉤爪提前下落致使提升失敗。

3.4　霍爾回路導致的電流故障

3.4.1　報警現象

2號機組第一燃料循環(huán)，R2-2棒束保持MDP模塊在棒靜止狀態(tài)發(fā)出“小電流低于閾值”電流故障，R2 子組進(jìn)入雙保持狀態(tài)閉鎖R棒組動(dòng)作。從MDP模塊監測單元霍爾回路測量到0V，而后跳變到2.337V（霍爾電 壓：線(xiàn)圈電流=1：2）。

3.4.2　原因分析

霍爾回路測量結果跳變，有兩種可能原因：線(xiàn)圈實(shí)際電流異常；MDP模塊霍爾回路異常。通過(guò)CRDM 線(xiàn)圈實(shí)際電壓能夠快速判定，R2子組小電流狀態(tài)保持 線(xiàn)圈電壓與霍爾回路電壓如表1所示。

表1 R2子組小電流狀態(tài)保持線(xiàn)圈電壓與霍爾回路電壓

由于不同CRDM線(xiàn)圈阻抗稍有不同，線(xiàn)圈電壓間存在個(gè)體差異為正?，F象。線(xiàn)圈電壓保持穩定未出現跳變且與其他線(xiàn)圈接近，說(shuō)明線(xiàn)圈實(shí)際電流正常，即 MDP模塊整流部分正常，而霍爾回路存在異常，導致 MDP模塊監測單元接收到的反饋為零，超過(guò)規定范圍下限3.7A，產(chǎn)生電流故障。

4　綜述

最初幾個(gè)燃料循環(huán)，電力電子設備處于“浴盆效 應”早期故障期，設計、材料和制造過(guò)程中的缺陷逐步顯現。具體到棒控系統，CRDM保持鉤爪嚙合滯后、 晶閘管擊穿及動(dòng)力保險絲燒毀、晶閘管門(mén)極觸發(fā)脈沖控制電路異常、霍爾傳感反饋回路故障，均以MDP模塊電流故障形式集中出現，嚴重影響控制棒對堆芯反應性的自動(dòng)調節，甚至引發(fā)非計劃停堆事件。

通過(guò)線(xiàn)圈電流波形表征的CRDM鉤爪動(dòng)作點(diǎn)，分析判定缺陷原因。針對不同始發(fā)因素引起的電流故障，作為插 拔式模塊化設備，有多種用戶(hù)級緊急故障處理方案：參數調整、拔插/電子復位、模塊更換，本文總結相關(guān)維修經(jīng) 驗，對于棒控系統的調試、維修工作具備參考意義。AP

作者簡(jiǎn)介：

姚　偉（1981-），男，浙江嘉興人，高級工程師，學(xué)士，現就職于福建福清核電有限公司，從事核電廠(chǎng)維修管理工作。

 參考文獻：

[1] 李國勇, 張英. 棒控棒位系統手冊(RGL) [Z]. 中國核動(dòng)力研究設計院，2010. 

[2] 唐向東, 等. 福清1RGL系統CRDM保持鉤爪閉合動(dòng)作點(diǎn)滯后問(wèn)題分析報告[Z]. 中國核動(dòng)力研究設計院. 2015.

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年5月刊