核電廠控制棒失步的判斷方法(共6頁)

1、核電廠控制棒失步的判斷方法作者：孫波來源：中小企業(yè)管理與科技·下旬刊2016年第02期        摘 要：本文介紹了控制棒驅(qū)動原理，從控制棒棒位測量指示、控制棒驅(qū)動電流、控制棒動作麥克風(fēng)噪聲三個(gè)方面提出了控制棒失步的判斷方法。        關(guān)鍵詞：控制棒；失步；驅(qū)動機(jī)構(gòu)；棒位測量系統(tǒng)；驅(qū)動電流；噪聲        在核電廠，控制棒和硼濃度是反

2、應(yīng)性控制的兩大最重要手段。其中，硼濃度主要用于長期、起效慢的反應(yīng)性控制；控制棒則用于短期、起效快的反應(yīng)性控制。由于控制棒控制系統(tǒng)是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，因此在出現(xiàn)故障后如何判斷控制棒是否存在失步（不在指令要求的棒位）對于反應(yīng)堆的控制有著極為重要的意義。        1 控制棒控制原理        控制棒控制系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷的變化，相應(yīng)提升或插入控制棒調(diào)節(jié)堆芯的反應(yīng)性，從而控制堆芯溫度和核功率。一般來說，除了運(yùn)行時(shí)為調(diào)節(jié)堆芯溫

3、度和功率以外，在反應(yīng)堆啟動試驗(yàn)階段需要較多的提插控制棒。另外，為了驗(yàn)證控制棒的可用性，需要每月對近一個(gè)月內(nèi)沒有動過的控制棒進(jìn)行手動提插棒驗(yàn)證。        控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)是一種步進(jìn)式的提升機(jī)構(gòu)，用來使控制棒組件在堆芯內(nèi)提起、插入或保持在適當(dāng)?shù)奈恢?，以?shí)現(xiàn)反應(yīng)性的控制。每個(gè)控制棒組件都由單獨(dú)的控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)來驅(qū)動?？刂瓢趄?qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由銷爪組件、驅(qū)動桿、壓力外殼、驅(qū)動線圈等部分組成，其中三個(gè)驅(qū)動線圈分別為夾持線圈、移動線圈和提升線圈，兩個(gè)銷爪分別為夾持銷爪和移動銷爪?？刂瓢襞c驅(qū)動桿相連，銷爪通過鉤入

4、驅(qū)動桿上的齒槽抓住驅(qū)動桿，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制棒的提升、下插和保持。        三個(gè)線圈套在壓力外殼外面，線圈通電則壓力外殼內(nèi)的相應(yīng)銷爪鉤入控制棒驅(qū)動桿上的齒槽中，夾住驅(qū)動桿，線圈斷電則對應(yīng)的銷爪靠彈簧力松開驅(qū)動桿。夾持銷爪位置是固定的，移動銷爪則可由提升線圈通電產(chǎn)生的電磁力帶動提升一步的距離。靜態(tài)時(shí)，僅夾持線圈通電，夾持銷爪保持控制棒的位置不下落?？刂瓢籼嵘龝r(shí)，移動線圈先通電，移動銷爪鉤入驅(qū)動桿中，然后夾持線圈斷電，夾持銷爪松開驅(qū)動桿，提升線圈再通電，帶動移動銷爪連同驅(qū)動桿上升一步，此后再轉(zhuǎn)換為夾持線圈通電移動線圈斷

5、電，恢復(fù)到靜態(tài)。控制棒下插也是類似的過程，只是每個(gè)線圈通斷電的時(shí)序不同?？刂瓢艨刂葡到y(tǒng)接收來自主控的提升或下插的命令，產(chǎn)生送往三個(gè)線圈的電流，通過不同的電流時(shí)序組合，實(shí)現(xiàn)控制棒的提升和下插。        2 控制棒失步的后果        由于控制棒的位置與堆芯反應(yīng)性緊密相關(guān)，因此核電廠技術(shù)規(guī)范中對控制棒的位置有嚴(yán)格的要求。當(dāng)任意一束控制棒不在所要求的棒位時(shí)（通常稱之為控制棒失步），反應(yīng)堆必須在1小時(shí)內(nèi)向次臨界的蒸發(fā)器冷卻停堆模式后撤

6、。        如果失步步數(shù)較多，可能會觸發(fā)反應(yīng)堆中子通量保護(hù)，造成意外停堆。如果失步步數(shù)較少，也需要在1小時(shí)內(nèi)判斷出失步的控制棒并將其校正到要求的位置。        3 控制棒失步的判斷方法        由于控制棒控制系統(tǒng)是一個(gè)開環(huán)的系統(tǒng)，僅對輸出到三個(gè)線圈的電流有必要的監(jiān)測，對控制棒是否按照命令完成提升或下插是無法準(zhǔn)確判斷的。因此當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，需要

7、一些方法來判斷控制棒是否失步及準(zhǔn)確的失步步數(shù)。        3.1 根據(jù)棒位指示判斷        控制棒棒位測量系統(tǒng)可以最直觀的指示控制棒所處的位置。每一束控制棒驅(qū)動桿外都安裝有一個(gè)棒位探測器，探測器內(nèi)有一個(gè)通電的初級線圈及若干組不通電的次級線圈。棒位測量是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)驅(qū)動桿位于不同的高度時(shí)，由于變壓器的鐵芯效應(yīng)，在每組次級線圈中產(chǎn)生不同的感應(yīng)電壓，采集板件收集這些感應(yīng)電壓，編碼后轉(zhuǎn)換為控制棒的棒位指示。 

8、0;      控制棒的額定行程為225步，每步距離為15.875mm。由于棒位測量系統(tǒng)原理所限，其測量精度不高，每個(gè)棒位探測器包含5組次級線圈，因此可以產(chǎn)生個(gè)組合。225/32=7.03125，考慮上下端部擴(kuò)展，因此每個(gè)組合代表的棒位變化為8步，即棒位指示系統(tǒng)的最小分辨率為8步。        如果發(fā)生較多步數(shù)的失步，可以直接從棒位指示上看出來。如果僅僅發(fā)生一兩步的失步，可能無法直接從棒位指示上發(fā)現(xiàn)，此時(shí)就需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷。首先觀察懷疑失步的棒束與同組控

9、制棒的棒位指示是否一致（同組控制棒接受到的提插棒信號是相同的），然后可以小范圍的操作該組控制棒提升或下插幾步，觀察該組控制棒的測量棒位是否同步變化。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，同組控制棒的測量棒位變化應(yīng)該是同步的或者最多相差一步。如果當(dāng)時(shí)條件不允許提插棒，則可以直接測量棒位信號采集板件采集到的棒位探測器次級線圈感應(yīng)電壓，通過對比同組控制棒的信號電壓來判斷該組控制棒位置是否一致。一般來說，如果一組控制棒在同一位置，信號電壓相差應(yīng)該很小。圖2為控制棒的一個(gè)次級線圈感應(yīng)電壓對應(yīng)不同棒位的變化關(guān)系。        3.2 根據(jù)控制棒驅(qū)動電流

10、波形判斷        前面提到過，控制棒控制系統(tǒng)通過送往三個(gè)線圈的不同的電流時(shí)序組合，實(shí)現(xiàn)控制棒的提升和下插。因此，可以通過該電流正常與否來判斷控制棒是否存在失步。        如圖3是一束控制棒提升過程中發(fā)生電流異常，因而中斷時(shí)序，最終檢查發(fā)現(xiàn)滑落一步的電流波形。左半部分是前一個(gè)時(shí)序，完成正常提升一步，右半部分是故障波形。兩者對比可以看出，在故障時(shí)序中，移動線圈電流在由零上升過程中沒有出現(xiàn)正常應(yīng)該出現(xiàn)的小凹槽，而這個(gè)凹槽代表移動銷

11、爪鉤入驅(qū)動桿。在延遲一段時(shí)間（約180ms）后，出現(xiàn)了不該出現(xiàn)的凹槽，代表此時(shí)移動銷爪才鉤入驅(qū)動桿。由于電流波形畸變較大，觸發(fā)了控制系統(tǒng)的報(bào)警，該提棒時(shí)序被中斷，造成該束控制棒相比同組其他控制棒實(shí)際少提了一步。        進(jìn)一步分析表明，移動銷爪延遲鉤入驅(qū)動桿的時(shí)間點(diǎn)與夾持線圈電流開始下降的時(shí)間點(diǎn)相差約120ms，這個(gè)時(shí)間與夾持銷爪釋放的時(shí)間基本吻合。因此可以推斷，夾持銷爪釋放后，控制棒由于重力下落，而先前由于某種原因未能鉤入驅(qū)動桿的移動銷爪在此時(shí)意外鉤入驅(qū)動桿，阻止了控制棒下落過程。  &

12、#160;     3.3 根據(jù)控制棒動作麥克風(fēng)噪聲判斷        在調(diào)試及每個(gè)大修啟動階段，維修人員會在反應(yīng)堆頂部控制棒導(dǎo)向筒頂端安裝麥克風(fēng)，用來采集控制棒動作期間因振動而產(chǎn)生的噪聲信號。        如圖4，以提升一步為例，典型的麥克風(fēng)噪聲會出現(xiàn)7個(gè)波峰，分別代表移動銷爪鉤入驅(qū)動桿、夾持銷爪松開驅(qū)動桿、負(fù)荷從夾持銷爪傳遞到移動銷爪、提升磁極閉合（移動銷爪帶著驅(qū)動桿上升到位）、夾

13、持銷爪鉤入驅(qū)動桿、移動銷爪松開驅(qū)動桿、提升磁極打開（移動銷爪回落到位）。若其中任何一個(gè)波峰沒有出現(xiàn)則可能意味著相應(yīng)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)沒有動作，可能帶來控制棒提升的失敗，進(jìn)而引起銷爪無法鉤入驅(qū)動桿而失步。        比如在圖3中移動線圈電流在上升過程中沒有小凹槽，代表移動銷爪沒有鉤入驅(qū)動桿，自然無法完成提棒。此外，還出現(xiàn)過最后一個(gè)波峰出現(xiàn)時(shí)間過晚，導(dǎo)致提棒失敗。最后一個(gè)波峰時(shí)間過晚表示提升線圈斷電后移動銷爪回落到位過晚，如果還沒有回落到位而下一個(gè)提棒時(shí)序已經(jīng)開始，就無法完成提棒。   

14、60;    通過麥克風(fēng)噪聲判斷控制棒提插棒情況是最直觀的方法，不過該方法需要兩個(gè)條件：控制棒導(dǎo)向筒頂端安裝麥克風(fēng)；將麥克風(fēng)噪聲信號連同驅(qū)動線圈電流信號接入錄波裝置。但是設(shè)計(jì)上系統(tǒng)并未預(yù)留這些配置，因此僅在每輪大修啟動試驗(yàn)階段對部分控制棒組采集并分析這些信號。        4 控制棒失步的原因分析        每一次控制棒失步的故障表現(xiàn)均不一定相同，通過分析多起控制棒失步事件，可以歸納出以下幾

15、個(gè)原因：        控制系統(tǒng)故障，造成驅(qū)動線圈電流異常。        銷爪動作異常，夾持或移動銷爪沒有鉤入或延遲鉤入驅(qū)動桿。        移動銷爪回落時(shí)間過長，與后一步造成干擾。        其中，僅第一個(gè)原因是源自于控制系統(tǒng)自身故障，也易于驗(yàn)證和排除。其余兩個(gè)原因均屬

16、于驅(qū)動機(jī)構(gòu)機(jī)械方面的異常，往往是偶然出現(xiàn)一次后又消失，很難得到直接證據(jù)，只有通過驅(qū)動線圈電流錄波和麥克風(fēng)噪聲錄波等手段推斷得到。根據(jù)國內(nèi)外核電廠相關(guān)故障檢查的反饋，這種偶然發(fā)生的驅(qū)動機(jī)構(gòu)動作異常往往與異物卡澀、溫度等因素相關(guān)。        5 結(jié)束語        通過棒位測量指示系統(tǒng)、驅(qū)動線圈電流錄波、麥克風(fēng)噪聲錄波等手段均可以明確判斷出控制棒是否發(fā)生失步，但在實(shí)際故障處理時(shí)的難點(diǎn)在于如何快速判斷失步并定位故障點(diǎn)，此時(shí)就需要結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮。一般是通過對比棒位測量指示快速判斷并消除故障，再分析錄波波形定位故障原因。        參考文獻(xiàn)：        1大亞灣核電站控制棒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊（SDM）.