秦山核電320 MW機組實測棒位指示系統(tǒng)光點指示異常分析與改進

李 藝，張 瑞，馬一鳴，任 潔

（中核核電運行管理有限公司, 浙江 嘉興 314300）

1 反應(yīng)堆棒位指示系統(tǒng)簡介

棒位指示系統(tǒng)信號不僅作為堆芯停閉余量極限保護信息，還參與棒位偏差與失步報警。其指示光點作為控制棒位置指示系統(tǒng)的顯示界面，可呈現(xiàn)出控制棒實際位置。使主控室的操作人員能直接實時了解到控制棒實際位置。

由圖1可以看出，控制棒位置指示系統(tǒng)分別由棒位探測器（共37組）、棒位測量柜（恒流源組件及電源）、棒位處理柜（格雷碼整流器、光點顯示器及電源等）、棒位計算機組成。

2 故障出現(xiàn)及分析

圖1 控制棒位置指示系統(tǒng)框圖Fig.1 Control rod position indicator diagram of the system

雖然反應(yīng)堆棒位指示系統(tǒng)經(jīng)過中核運行一廠第10次換料大修期間的改造，但在經(jīng)過幾個循環(huán)的運行后，實測棒位指示系統(tǒng)仍會出現(xiàn)一些問題缺陷，且以棒位光點亂跳、不同步、未點亮為主。影響正常的機組運行及大修主線計劃。

2.1 原因分析

2.1.1 恒流源組件對光點顯示的影響

圖2 恒流源組件原理圖Fig. 2 Constant-current source component diagram

如圖2所示為棒位測量中的恒流源組件原理圖， 可計算出恒流源電路設(shè)計的輸出電流可在625～730 mA進行調(diào)節(jié)。現(xiàn)37組恒流源的輸出電流均設(shè)置為700 mA。

在棒位系統(tǒng)維護中對恒流源組件進行參數(shù)檢查時發(fā)現(xiàn)37組繼電器中的(6,10)、（5,9）觸點有部分接觸電阻偏大，最大可達(dá)2 Ω（正常時約1 Ω）。如圖2所示，該繼電器的另一對觸點（1,9）、（2,10）則是供給棒位探測器初級線圈電源的重要組成部分。

設(shè)棒位探測器初級線圈匝數(shù)N1，初級電流I1，次級匝數(shù)N2，次級感應(yīng)電流I2，則IO=I1?？捎嬎愠跫壌磐▌轂椋?/p>

棒位探測器次級線圈感應(yīng)電動勢為：

若該副觸點的接觸電阻異常（一般阻值會變大，初級電流I1變?。?，就直接影響恒流源的輸出即影響了棒位探測器次級線圈感應(yīng)電動勢，棒位測量信號會趨于減弱，抗干擾能力減弱，極易造成實測棒位光點指示異常。

根據(jù)已有的電氣理論，可知影響繼電器接觸電阻有諸多因素，如：觸點表面材料的電阻率、觸點面積、光潔度及觸點電流等。而在棒位測量柜中的恒流源組件所提供的恰恰是一個大電流（AC 700 mA），當(dāng)繼電器觸點間通過較大電流時，由于接觸電阻的存在，必然產(chǎn)生一定的能量損耗，并在觸點間產(chǎn)生熱量。當(dāng)觸點間電阻過大時，在電路中不僅產(chǎn)生額外的電勢降，同時會產(chǎn)生較大的熱量，加速觸點導(dǎo)電性能的劣化，并使接觸電阻進一步增大，形成惡性循環(huán)，嚴(yán)重會使繼電器觸點失效。圖2中圖片為更換下來的恒流源組件繼電器，圖中所圈部分可以看出其觸點有明顯的氧化（顏色發(fā)黑變暗），并伴隨有輕微形變。

因此，恒流源組件內(nèi)所使用的大電流而產(chǎn)生的熱量過大，造成機箱溫度長時間高溫會對電路及其元器件造成不可逆的影響，是危害棒位指示系統(tǒng)異常的潛在隱患。

2.1.2 格雷碼整形器的分析

格雷碼整形器的原理如圖3所示。它有37組相同組件一一與棒位探測器相對應(yīng)。每組整形器中又有6組通道，分別對應(yīng)棒位探測器中次級線圈所輸出的6種電平信號（A～F）；該圖為單組整形器中的一個通道示意圖，其余5組通道與其電路結(jié)構(gòu)完全一致?？蓪D3中的電路切分為幾塊更利于進行分析，即：整流、濾波、閾值比較、顯示輸出。

圖3 格雷碼整形器單通道示意圖Fig.3 Gray code dresser single channel

從棒位探測器所反饋的棒位信號，即其次級線圈輸出信號送至格雷碼整形器的輸入端經(jīng)過由二極管2CZ83、運放LM741組成的整流電路；以及由電阻、電容組成的三級濾波電路后，將原有交直流混雜信號變成了較為平滑、穩(wěn)定的直流信號。濾波后，還需經(jīng)閾值比較進行處理。如圖3中的閾值比較部分，它是由3個LM224與若干電阻組成的遲滯比較器。

該比較器的特性為：當(dāng)輸入電壓高于參考電壓時，輸出高電平；當(dāng)輸入電壓低于參考電壓時，輸出低電平。即當(dāng)ui＞UR時，uo＝＋Uo(sat)；當(dāng)ui＜UR時，uo＝-Uo(sat)。UR為參考電壓，＋Uo(sat)、-Uo(sat)為運放工作在飽和區(qū)時的輸出電壓。

圖4 格雷碼整形器輸出波形示意圖Fig. 4 Gray code shaper output waveform diagram

由閾值比較等效電路可知：

圖5 電路回差的抗干擾作用Fig. 5 Circuit back to the poor anti-interference function

其中uR為門限電壓。

從其電壓傳輸特性可以看出，改變參考電壓UR，可使傳輸特性沿橫軸移動。其中為下門限電壓，為上門限電壓。那么就可以計算定義回差：

即上下門限電壓之差。

由此可以得出，調(diào)節(jié)RF或R2可以改變回差電壓的大小 ；改變UR可以改變上、下門限電壓,但不影回差電壓ΔU。閾值比較電路正是利用了上述原理，當(dāng)輸入信號逐漸變大，超過上門限電壓時，其對應(yīng)輸出高電平＋Uo(sat)；當(dāng)輸入信號逐漸變小時，低于下門限電壓時，輸出信號會發(fā)生躍變，輸出低電平-Uo(sat)。對應(yīng)于圖3中，電位器RP7可改變參考電壓UR，電位器RP13可改變回差大小。且根據(jù)系統(tǒng)運行經(jīng)驗，以及在實測棒位指示系統(tǒng)正常運行時，為使主控室操作員有足夠的反應(yīng)時間，棒位光點會在原有控制棒每走7步翻轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)下，提前至每走約5步翻轉(zhuǎn)。為滿足此項要求，統(tǒng)一將電位器RP7所對應(yīng)的參考電壓UR（其允許變化范圍為：0.5 V～6 V）定位在圖3中濾波后輸出信號幅值的約70%。

分析可知，該比較電路提高了其對信號變化的響應(yīng)速度；確保輸出電壓的躍變不是發(fā)生在同一門限電壓上，改善了輸出波形在躍變時的陡度；同時回差提高了電路的抗干擾能力，越大，抗干擾能力越強，見圖5。

如果37組格雷碼整形器內(nèi)有任意一組中的RP7或是RP13的阻值發(fā)生變化，在棒位光點上變現(xiàn)為“走棒時光點不同步”。同樣如果當(dāng)棒位探測器的次級線圈阻值偏大或是初級感應(yīng)電動勢偏低。就會造成輸出信號偏小，經(jīng)過格雷碼整形器后，相較于正常情況下，就會使棒位光點“滅的早”或“光點無響應(yīng)”，也會造成“走棒時光點不同步”。

3 異常指示問題確認(rèn)及改進

根據(jù)上一節(jié)的分析，將導(dǎo)致實測棒位光點異常顯示的原因?qū)嵤┫嚓P(guān)改進措施，主要是對棒位探測器、恒流源參數(shù)、格雷碼整形器進行了相應(yīng)的調(diào)整與改進。

3.1 系統(tǒng)設(shè)備的改進

3.1.1 棒位探測器的解體檢查

30萬機組第10次換料大修期間對影響棒位探測器輸出信號的兩個要素：初、次級線圈電阻與線圈絕緣性作了優(yōu)化。為了進一步驗證該設(shè)備改造后的實際效果及可靠性，在第14次換料大修期間，對37組中狀態(tài)最差的兩組進行了更換，并對其中一組進行整體解體檢查?，F(xiàn)從噪聲干擾方面進行論證：

由上一節(jié)分析，可推算出改造前后信噪比的變化。根據(jù)棒位探測器的內(nèi)部構(gòu)造，可將其噪聲干擾看成電阻熱噪聲干擾,那么可以得出：

設(shè)信號源內(nèi)阻為RS，信號源電壓為E1（有效值）即次級線圈感應(yīng)電動勢，負(fù)載RO即次級線圈電阻，在負(fù)載電阻R 上的信噪比為：

至此可知棒位探測器改造后的其輸出信號信噪比是改造前的1.26倍，較大改善了之前棒位探測器輸出信號品質(zhì)差，絕緣性不高的缺點,改造后的棒位實測波形平滑度較改造前有明顯好轉(zhuǎn)，如圖6所示。

表1 棒位探測器內(nèi)部參數(shù)改造前后對比Table 1 Rod position detector parameter comparison before and after the modification

圖6 棒位探測器改造后的輸出波形Fig. 6 A detector after transforming the output waveform

表2 棒位探測器解體檢查的參數(shù)Table 2 Rod detector disintegration check parameters

表2中所反映的是解體檢查的參數(shù)測量結(jié)果，與正常狀態(tài)下的內(nèi)部參數(shù)相比較，無異常狀況，排除棒位探測器引發(fā)棒位異常指示的可能。

3.1.2 恒流源組件參數(shù)的調(diào)整

依據(jù)上一節(jié)的分析，著手將棒位測量柜中的溫度降低至可接受范圍內(nèi)，同時考慮緩解繼電器觸點電阻升高的狀況，以及降低機柜內(nèi)電子元件發(fā)生性能大幅降低或損壞的概率。通過分析，將恒流源電流相應(yīng)減小，既能降低機柜溫度又可改善繼電器觸點電阻升高的缺陷，是較為方便、可行的方案?，F(xiàn)有恒流源組件中的電流調(diào)節(jié)范圍為：AC625～730 mA，考慮到系統(tǒng)所能承受的噪聲干擾程度，將原先AC 700 mA降至AC 650 mA，符合技術(shù)規(guī)格書中技術(shù)參數(shù)的要求。表3所反映的是利用紅外熱成像儀對機柜內(nèi)各機箱表面的溫度測量，在恒流源電流改變前后的效果對比情況。

表3 恒流源電流改變前后的溫度變化Table 3 Constant-current source current temperature changes before and after the change

此外將之前維護過程中發(fā)現(xiàn)觸點電阻偏大的繼電器，進行整體更換。經(jīng)過2個循環(huán)的運行，恒流源組件中的繼電器都處于正常工作狀態(tài)。

3.1.3 格雷碼整形器的改進

鑒于恒流源電流參數(shù)發(fā)生變化，將格雷碼整形器中的整定值進行調(diào)整，回差不變，以滿足系統(tǒng)要求,具體變化見表4。

表4 格雷碼整形器整定值的調(diào)整Table 4 Gray code adjustment of dresser setting value（整定值：V；回差：mV）

同時由于在中核運行一廠第12次大修期間發(fā)現(xiàn)部分格雷碼整形器中的整定值電位器有漂移現(xiàn)象，因此將原有棒位指示系統(tǒng)葛萊碼整形器內(nèi)整定值電位器共492個、回差電位器共246個進行更換。

3.2 卡件接觸不良問題的解決

通過如上的一系列措施，使得反應(yīng)堆實測棒位指示系統(tǒng)出現(xiàn)異常指示的頻率大為降低，但并沒有徹底根除。尤其是在對反應(yīng)堆控制棒位置指示系統(tǒng)進行預(yù)防性維修之后，電廠機組起堆期間，該系統(tǒng)出現(xiàn)實測棒位光點指示異?，F(xiàn)象，通過核查，測量格雷碼整形器送至棒位光點顯示器的輸出電壓時，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)問題的對應(yīng)卡件輸出電壓偏小，且電壓不穩(wěn)定。將相關(guān)格雷碼整形器卡件重新插入機架，并進行緊固措施，光點異常現(xiàn)象消失。

在對棒位格雷碼卡件進行檢查時，發(fā)現(xiàn)部分整形器插頭與插座沒有處于正常位置，當(dāng)格萊碼整形器的插頭進入插座后，插頭向下傾斜約2 mm，這直接影響了插頭與對應(yīng)插座的有效接觸。見圖7所示。

從格雷碼整形器插頭線路分布圖（見圖8）可以看出，在上述情況下，對于格雷碼整形器重要的卡件電源（±15V,24 V）很容易發(fā)生異常，直接影響整形器送至棒位光電顯示器的輸出電壓。同時也會影響整形器的部分輸入端信號（如圖8中的1#～4#插針）。

這種影響格雷碼整形器有效接觸的接觸不良現(xiàn)象，很容易對檢修人員帶來較大的迷惑性，為了消除這種異常狀況，綜合之前的分析及現(xiàn)場的實際狀況，將原有固定在卡件插座處的上部墊片的厚度由1 mm變?yōu)? mm,以此抵消整形器插頭進入插座向下傾斜帶來的影響（見圖7）。

通過上述改進措施，格雷碼整形器的輸出電壓恢復(fù)正常。以秦一廠320 MW機組中核運行一廠第14、15次大修起堆至并網(wǎng)期間的冷、熱態(tài)試驗以及之后功率運行、動棒試驗的效果來看，反應(yīng)堆實測棒位指示光點未出現(xiàn)異常。

圖7 格雷碼整形器插頭與插座截面示意圖Fig.7 Gray code dresser plug and socket section schematic diagram

圖8 格雷碼整形器插頭線路分布圖Fig. 8 Gray code dresser plug line map

4 結(jié)論

通過對反應(yīng)堆實測棒位指示系統(tǒng)的光點指示異常故障的收集，在原有系統(tǒng)中的棒位探測器、恒流源組件、格雷碼整形器的原理分析的基礎(chǔ)上，對相關(guān)的設(shè)備進行有效地改進與完善，從實際效果上看，使得反應(yīng)堆實測棒位指示系統(tǒng)在秦一廠320 MW機組中核運行一廠第14、15次大修中的冷、熱態(tài)試驗及機組并網(wǎng)的配合工作，和之后的功率運行及動棒試驗期間未出現(xiàn)異常指示現(xiàn)象，節(jié)省了因異常指示所耗費的檢修時間，其所體現(xiàn)出的經(jīng)濟價值相當(dāng)明顯。值得一提的是，從此次實測棒位指示系統(tǒng)的改進過程中，所反應(yīng)出由于有相應(yīng)的維修規(guī)程，單一設(shè)備或組件的維護可靠或出現(xiàn)問題的概率極小的。但是對類似于格雷碼整形器這樣，在停堆檢修期間反復(fù)插拔而使設(shè)備變形，進而出現(xiàn)卡件接觸不良現(xiàn)象，是需要在今后的檢修過程中值得關(guān)注的。

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