方家山核電廠棒位探測(cè)器的故障分析及改進(jìn)措施

樓蘊(yùn)昊，馬一鳴，周 宇

(1.中核海洋核動(dòng)力發(fā)展有限公司,上海 200233； 2.中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 海鹽 314300)

1 概述

方家山核電廠棒控棒位(RGL)系統(tǒng)是反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)與控制的重要裝置，通過(guò)提升、插入和保持控制棒束來(lái)調(diào)節(jié)堆芯的反應(yīng)性，從而達(dá)到控制反應(yīng)堆功率的目的，并提供控制棒位置的各種指示和報(bào)警信息。棒位探測(cè)器作為棒位測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)源頭，是控制棒位置指示系統(tǒng)的核心部分，對(duì)核電廠反應(yīng)堆的運(yùn)行控制起著至關(guān)重要的意義。

1.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

方家山核電廠控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)式磁力提升系統(tǒng),主要由驅(qū)動(dòng)軸組件、鉤爪組件、隔熱套組件、耐壓殼、線圈組件等部件組成。其中，耐壓殼安裝在壓力容器頂蓋上，是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的的承壓部件，由上段的驅(qū)動(dòng)軸行程套管組件和下端的密封殼組件組成。驅(qū)動(dòng)軸組件安裝在耐壓殼里面，穿過(guò)鉤爪組件和隔熱套組件，下端通過(guò)可拆接頭與控制棒組件相連。驅(qū)動(dòng)軸行程套管為驅(qū)動(dòng)軸組件提供了上、下運(yùn)動(dòng)空間。鉤爪組件安裝在密封殼內(nèi)，線圈組件套裝于密封殼外面，它的3個(gè)線圈與鉤爪組件構(gòu)成了3個(gè)“電磁鐵”，分別為提升、保持、傳遞“電磁鐵”。棒位探測(cè)器組件安裝在驅(qū)動(dòng)桿行程套管外面，當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿移動(dòng)時(shí)，通過(guò)電磁感應(yīng)機(jī)理可以測(cè)出控制棒的實(shí)際位置信號(hào)。

1.2 棒位探測(cè)器機(jī)構(gòu)

棒位探測(cè)器的機(jī)構(gòu)由線圈、屏蔽套、插座、頂板組成，由圖1所示。其中線圈主要包括初級(jí)線圈、多個(gè)次級(jí)線圈以及兩個(gè)輔助線圈。初級(jí)線圈貫穿整個(gè)驅(qū)動(dòng)桿行程，次級(jí)線圈以8 個(gè)機(jī)械步間隔放置。在探測(cè)器頂端有一個(gè)連接器并引線到探測(cè)器初級(jí)線圈、輔助線圈、按葛萊碼編組的次級(jí)線圈。

圖1 棒位探測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1.插座 2.線圈引線 3.彈簧 4.線圈骨架 5.初級(jí)線圈 6.次級(jí)線圈 7.屏蔽套管組件Fig.1 The structure of the rod position detector

驅(qū)動(dòng)桿頂端的位置用電磁耦合的方法進(jìn)行測(cè)量。因此驅(qū)動(dòng)桿由磁性材料做成，探測(cè)器內(nèi)套管采用非磁性材料，探測(cè)器外套管也采用非磁性材料。

探測(cè)器頂部裝有一個(gè)夾緊裝置，以便夾住探測(cè)器內(nèi)套管，從而把探測(cè)器固定在應(yīng)有的位置，并形成上部行程限位器。另外用螺釘擰緊探測(cè)器上面的防震板，該板開(kāi)了一個(gè)槽并有一個(gè)孔，以便讓兩個(gè)連接器通過(guò)(用于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和棒位探測(cè)器)。

通過(guò)控制棒的移動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)堆芯反應(yīng)性從而控制反應(yīng)堆功率，而控制棒的移動(dòng)無(wú)法絕對(duì)保證與期望值相符。此時(shí)，就需要棒位探測(cè)器來(lái)對(duì)棒位進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證。但是控制棒組件位于高溫高壓的壓力容器內(nèi)，出于對(duì)壓力邊界的完整性的考慮，難以直接測(cè)量得到，于是就需要采用其他方式進(jìn)行間接測(cè)量。依靠電磁感應(yīng)原理，將棒的機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電量是目前常用的一種間接測(cè)量棒位的方式。

1.3 棒位探測(cè)器原理

方家山的探測(cè)器利用差動(dòng)變壓器的原理，棒位探測(cè)器安裝在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)承壓外罩的外邊并與之同心，探測(cè)器的原邊線圈沿整個(gè)行程繞制，次級(jí)線圈與原邊線圈共軸。原邊線圈用于產(chǎn)生交變磁場(chǎng), 次級(jí)線圈用于形成棒位編碼。原邊線圈通以恒定的交流電源, 隨著控制棒驅(qū)動(dòng)桿上下行走在探測(cè)器內(nèi)部產(chǎn)生交變磁場(chǎng),磁場(chǎng)使次級(jí)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。通過(guò)監(jiān)測(cè)次級(jí)線圈的感應(yīng)電壓就可以確定驅(qū)動(dòng)軸的位置，即控制棒的實(shí)際位置。

如圖2所示，棒位探測(cè)器次級(jí)線圈的棒位編碼方式基本上由線圈分組方式確定。31個(gè)次級(jí)線圈分成五組，分別標(biāo)識(shí)為A、B、C、D、E，其中A組：1、3、5、7、…、31；B組：2、6、10、14、…、30；C組：4、12、20、28；D組：8、24；E組：16。每組線圈中的各個(gè)線圈依次反向連接。當(dāng)導(dǎo)磁驅(qū)動(dòng)桿上端進(jìn)入一對(duì)線圈的中間位置時(shí)，該組線圈輸出的感應(yīng)電壓最高；當(dāng)導(dǎo)磁驅(qū)動(dòng)桿離開(kāi)該位置，繼續(xù)提升進(jìn)入第二對(duì)線圈的中間位置時(shí)，感應(yīng)電壓逐漸降至最低。如此往復(fù)，繼續(xù)行進(jìn)，該組線圈就相繼輸出交流電壓。該感應(yīng)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、整流和整形處理后，再通過(guò)數(shù)字化梳理可得到對(duì)應(yīng)的五位數(shù)碼值：a、b、c、d、e，令e、d、c、b、a分別為g4、g3、g2、g1、g0，組成編碼g=g4g3g2g1g0，當(dāng)棒束插入各次級(jí)線圈的位移逐漸增大，對(duì)應(yīng)的每一位移值都會(huì)輸出唯一對(duì)應(yīng)的編碼g， 即為得到的葛萊碼，作為對(duì)棒位的一種編碼。由于從一個(gè)區(qū)間移到相鄰區(qū)間只有一組線圈輸出電壓發(fā)生變化，所以相鄰編碼之間只有一位不同，這種循環(huán)、單步特性消除了隨即取數(shù)時(shí)出現(xiàn)重大誤差的可能。

圖2 探測(cè)器次級(jí)線圈排列及葛萊碼波形圖Fig.2 The arrangement and Gray code waveform of the detector secondary coil

2 故障查找及問(wèn)題分析

方家山1號(hào)機(jī)組棒控棒位系統(tǒng)臨界前熱態(tài)試驗(yàn)時(shí)，在做棒位顯示線性度試驗(yàn)靜態(tài)檢查過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)SB2子組第二束棒棒位光點(diǎn)理應(yīng)在24步時(shí)，反而突跳至88步，直至棒提升至56步時(shí)，該束棒光點(diǎn)恢復(fù)正常。重新檢查和調(diào)整棒位整定值，此現(xiàn)象均無(wú)法消除。

針對(duì)該棒位光點(diǎn)跳變的現(xiàn)象，分析可能造成此故障的原因有以下幾個(gè)方面。

(1)機(jī)柜接線因素分析

棒位系統(tǒng)的測(cè)量柜(PME)向探測(cè)器的原邊線圈供電,并把探測(cè)器的次級(jí)線圈信號(hào)編碼輸出,如果測(cè)量柜內(nèi)部的接線出現(xiàn)錯(cuò)誤，或者接線出現(xiàn)松脫，可能導(dǎo)致探測(cè)器次級(jí)線圈的信號(hào)編碼出現(xiàn)錯(cuò)誤。但是接線導(dǎo)致的編碼錯(cuò)誤會(huì)使SU計(jì)算機(jī)上的棒位光點(diǎn)顯示無(wú)規(guī)則隨機(jī)跳轉(zhuǎn)，而非此次試驗(yàn)過(guò)程中的僅在特定步數(shù)出現(xiàn)和消失。并且對(duì)照棒位測(cè)量柜RGL009AR的測(cè)量電纜接線圖，對(duì)機(jī)柜內(nèi)SB2棒束對(duì)應(yīng)的J03、C07、G13、N09電纜的接線進(jìn)行逐一核對(duì)，確認(rèn)接線與圖紙相符，并且也沒(méi)有出現(xiàn)線纜松脫現(xiàn)象，故機(jī)柜接線缺陷的影響排除。

(2)電纜絕緣因素分析

棒位測(cè)量柜通過(guò)電纜及電氣貫穿件與堆內(nèi)棒位探測(cè)器相連，將測(cè)量棒位的模擬信號(hào)通過(guò)測(cè)量柜轉(zhuǎn)變成二進(jìn)制編碼送入棒位處理柜，如果測(cè)量柜柜內(nèi)至棒位探測(cè)器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的絕緣、初級(jí)線圈和補(bǔ)償線圈的絕緣、次級(jí)線圈和補(bǔ)償線圈的絕緣以及初級(jí)、次級(jí)和補(bǔ)償線圈分別對(duì)地的絕緣不好，即絕緣小于標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸不正常，顯示在SU計(jì)算機(jī)上的棒位光點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)跳變。但是由于絕緣導(dǎo)致的傳輸異常所呈現(xiàn)棒位光點(diǎn)跳變通常是隨機(jī)出現(xiàn)的，而非此次試驗(yàn)中，僅在棒位提升到特定的24步時(shí)跳到88步，直至棒位提升到56步時(shí)才恢復(fù)正常，并且用絕緣表測(cè)得回路各絕緣電阻大于100 MΩ，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)值(10 MΩ)，所以排除電纜等測(cè)量回路絕緣低產(chǎn)生跳變的影響。

(3)系統(tǒng)卡件因素分析

棒位測(cè)量柜的系統(tǒng)卡件由MCP10和MCP23組成，MCP10卡件為探測(cè)器初級(jí)線圈的供電模塊，而MCP23卡件則是編碼模塊，探測(cè)器次級(jí)線圈的A到E位的數(shù)據(jù)均送至該卡件內(nèi)進(jìn)行集成處理，再將各束棒的測(cè)量位置信號(hào)送至棒位處理柜。如果MCP23卡件內(nèi)部A至E位的定值和額定數(shù)值相差較大，則SU上的棒位光點(diǎn)翻轉(zhuǎn)將呈現(xiàn)異常。

用萬(wàn)用表電壓檔測(cè)量SB2對(duì)應(yīng)的4塊MCP卡件J03、C07、G13和N09內(nèi)部A到E位的電壓，再將測(cè)量數(shù)值與其他棒束的A到E位電壓定值進(jìn)行比對(duì)。根據(jù)探測(cè)器的返回電壓，檢查發(fā)現(xiàn)整定值的設(shè)置合理，并無(wú)異常，排除系統(tǒng)卡件定值錯(cuò)誤導(dǎo)致的影響。

此外，如果MCP卡件內(nèi)部其他元器件出現(xiàn)損壞，如元器件的擊穿損壞，影響卡件電路的穩(wěn)定性和可靠性，也會(huì)導(dǎo)致棒位光點(diǎn)顯示異常，但是這樣的損壞并不會(huì)在棒位特定步數(shù)時(shí)出現(xiàn)，而是隨機(jī)跳變，所以排除卡件內(nèi)部損壞的影響。

(4)棒位探測(cè)器內(nèi)部因素分析

將8841數(shù)字存儲(chǔ)記錄儀接入棒位測(cè)量柜對(duì)探測(cè)器次級(jí)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)?841數(shù)字存儲(chǔ)記錄儀可以通過(guò)輸入模塊對(duì)邏輯信號(hào)和模擬信號(hào)進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)記錄，監(jiān)測(cè)出來(lái)的波形可以作為判定的依據(jù)。在正常情況下，通過(guò)8841記錄的棒位全行程往復(fù)運(yùn)動(dòng)的葫蘆波應(yīng)該和圖2葛萊碼波形圖一致。但是，在重新移動(dòng)控制棒后，8841記錄的SB2棒束在24步的波形圖與理想中的葛萊碼波形圖不一致，見(jiàn)圖3，C位波形在未達(dá)到B位第4個(gè)上升沿時(shí)就提前下降為0，而D位波形在C位下降為0后，仍然為1。

圖3 因線圈接反導(dǎo)致的錯(cuò)誤的探測(cè)器波形Fig.3 The wrong detector waveform caused by reverse coil connection

結(jié)合葛萊碼轉(zhuǎn)換表(見(jiàn)表1)可以看出，正常情況下跳至24步時(shí)，A到E位的葛萊碼值分別為：0、1、1、0、0；而圖3中所示波形對(duì)應(yīng)的葛萊碼值卻為：0、1、0、1、0，即C位和D位值互換。這在葛萊碼表中轉(zhuǎn)換所得步數(shù)為88步。這一錯(cuò)誤波形初步解釋了棒位光點(diǎn)在24步時(shí)突跳轉(zhuǎn)至88步的原因可能是由棒位探測(cè)器中次級(jí)線圈的C位和D位接反所致。如果只是C位、D位接反，那么只有當(dāng)C、D位葛萊碼數(shù)值一致時(shí)，即同為0或者同為1，棒位光點(diǎn)能恢復(fù)正常指示。

表1 棒位葛萊碼轉(zhuǎn)換表Table 1 The Gray code conversion table of rod position

接著查圖4轉(zhuǎn)換表，在棒位處于56步時(shí)，葛萊碼值為：0、0、1、1、0，葛萊碼的C位、D位同時(shí)為1，這與調(diào)試過(guò)程中棒位光點(diǎn)的異常跳轉(zhuǎn)在棒位行進(jìn)到56步時(shí)恢復(fù)正常相吻合，符合之前的假設(shè)。

綜上，機(jī)柜的接線錯(cuò)誤、電纜絕緣的不好和系統(tǒng)卡件的損壞均可能導(dǎo)致棒位光點(diǎn)的異常跳變，但通過(guò)以上分析得知機(jī)柜接線、回路絕緣和系統(tǒng)卡件均正常，而導(dǎo)致棒位光點(diǎn)在特定步數(shù)異常跳轉(zhuǎn)的根本原因是由于棒位探測(cè)器內(nèi)部的次級(jí)線圈C位和D位相互接反所致。

3 探測(cè)器改進(jìn)措施與后續(xù)建議

為防止探測(cè)器因其中任一線圈的制造廠缺陷導(dǎo)致步數(shù)無(wú)法正常指示，失去棒位探測(cè)能力，出廠前需加強(qiáng)把關(guān)或建立試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，以減免同類事件的發(fā)生。

此外，棒位探測(cè)器之所以出現(xiàn)這樣的情況也與其內(nèi)部的制造工藝相關(guān)聯(lián)的。由于方家山棒位探測(cè)器先在線圈骨架槽內(nèi)繞制次級(jí)線圈及補(bǔ)償線圈，然后再在骨架上密集繞制一層初級(jí)線圈，線圈接長(zhǎng)引接線互相連接，再加上段與段之間的連接以及插頭與線圈接長(zhǎng)引接線的連接，導(dǎo)致連接點(diǎn)眾多。這種分段繞制方法容易導(dǎo)致線圈接反這樣的人因失誤。除此之外，隨著機(jī)組使用年限的增長(zhǎng)，連接點(diǎn)容易出現(xiàn)氧化變脆等情況，各處引接線也易出現(xiàn)絕緣下降和斷線現(xiàn)象。針對(duì)上述問(wèn)題，解決方案如下：

1)采用整體繞制法，使整個(gè)棒位探測(cè)器線圈內(nèi)漆包線不允許有連接點(diǎn)，這樣可徹底避免線圈接錯(cuò)和連接點(diǎn)的斷線問(wèn)題。

線圈繞制時(shí)，在繞完初級(jí)及每繞完一相，對(duì)線圈與骨架、初級(jí)與次級(jí)進(jìn)行絕緣電阻檢查，且檢測(cè)相應(yīng)繞組的電阻，繞組的直流電阻偏差滿足：

其中，Rcp為繞組電阻實(shí)測(cè)值(Ω)，R為繞組電阻理論值(Ω)。

2)由于棒位探測(cè)器所處環(huán)境是在壓力容器上，正常工作條件下，內(nèi)部探測(cè)器原、副邊繞組的處于平均溫度是200 ℃，且輻射強(qiáng)度大，線圈內(nèi)部接點(diǎn)的可靠性得不到長(zhǎng)期保證，秦山30萬(wàn)機(jī)組曾出現(xiàn)過(guò)由于高溫高輻射情況下，插頭的引線壓接處使用的熱縮套管收縮變薄，致使探測(cè)器絕緣下降、設(shè)備不可用的情況，使電站并網(wǎng)發(fā)電推后了三天，對(duì)電站造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此建議使用更高等級(jí)的熱縮套管產(chǎn)品用在插頭引接線與線圈引出線的連接處，如已通過(guò)LOCA試驗(yàn)、耐高強(qiáng)度輻照的德國(guó)TYCO公司的熱縮套管，以使絕緣耐輻射性增強(qiáng)，密封性好，具有長(zhǎng)久性,同時(shí)也提高了設(shè)備的可靠性。

3)堆頂電纜作為棒位探測(cè)器回路的一部分，一直處于高溫高輻照的環(huán)境下，且在反應(yīng)堆每年開(kāi)蓋進(jìn)行檢修和維護(hù)時(shí)，容易造成連接部位的損壞。因此，除電纜本身需選用包含耐高溫和輻照的材料外，電纜接頭需考慮采用耐高溫、耐高輻照，耐濕的性能可靠的熱縮套管，使其密封性好、強(qiáng)度高。

在此次試驗(yàn)過(guò)程中，由于棒位探測(cè)器線圈處于密閉環(huán)境中，無(wú)法當(dāng)場(chǎng)解體檢查調(diào)整內(nèi)部接線，因此先將探測(cè)器備件替換上，將換下的探測(cè)器送至原廠家檢修。在返廠對(duì)該探測(cè)器進(jìn)行解體后,發(fā)現(xiàn)探測(cè)器線圈確實(shí)存在線圈接反問(wèn)題,驗(yàn)證了上述分析的結(jié)果。更換后波形恢復(fù)正常，見(jiàn)圖4。

圖4 正確順序的棒位探測(cè)器波形Fig.4 The waveform of the rod position detector in the correct order

4 結(jié)束語(yǔ)

棒位探測(cè)器是反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能對(duì)棒控棒位系統(tǒng)設(shè)備的可靠性和電廠運(yùn)行穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。本文對(duì)方家山棒位探測(cè)器在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)性探討，通過(guò)對(duì)棒位探測(cè)器原理、應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方案以及潛在問(wèn)題及風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究分析，為后續(xù)避免類似問(wèn)題發(fā)生提出了建議和改進(jìn)措施。