CANDU-6重水堆停堆棒电源模块问题分析及改进

2019-12-06王晓峰丁林朴祁陆凯

仪器仪表用户 2019年1期

王晓峰，丁林朴，林熙，祁陆凯

（中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300）

0 引言

一号停堆系统是CANDU-6型重水堆的两个应急停堆系统之一，它通过向反应堆中插入停堆棒来终止反应堆的自持链式裂变反应，减少核燃料中产生的能量，保护反应堆的安全。因此，作为一号停堆系统的执行机构，停堆棒及其棒控回路对机组的稳定运行起着重要作用。

本文将介绍近年来发生在一号停堆系统棒控回路上的电源切换造成奇系列停堆棒落入堆芯这一故障。通过对这些问题的分析，处理与改进落实，期望能够对今后的检修工作提供有意义的参考。

1 停堆棒棒控回路介绍[1]

1.1 停堆棒

停堆棒是一个空心的镉圆柱体，外包不锈钢。每台机组共有28根停堆棒，分成奇偶两组，每组各14根。停堆棒布置在反应堆厂房501房间反应性机构平台上。

1.2 棒控回路

每组停堆棒有2个电源模块，1主1备。主电源模块由III级电源供电，整流后输出95VDC的电压，备用电源模块由II级电源供电，整流后输出92.5VDC的电压。主、备电源模块的输出由二极管进行选择，正常运行时主电源模块输出的95VDC送到现场，备用电源模块作为热备用。一旦主电源模块故障失去输出，输出自动切换到备用电源模块，输出92.5VDC的电源。

每个主电源模块的正、负输出端经过公用的一号停堆系统3取2逻辑模块后，分别送到14个停堆棒的单独离合器线圈逻辑模块及线圈供电回路。每个单独的停堆棒供电回路包括一块停堆棒离合器线圈逻辑模块，一个离合器线圈、连接电路及接头等组成。如果任一通道的两副触点打开，离合器的电流可通过另两个通道的闭合触点继续维持。然而，如果打开任意两个通道的触点，则停堆棒离合器线圈电流被切断，停堆棒下落。控制原理图见图1。

图1 停堆棒控制逻辑图[2]Fig.1 Stopping the stack rod control logic diagram[2]

2 停堆棒电源模块问题分析及改进

2.1 背景介绍

奇系列离合器主电源模块由III级电源开关供电、备用电源模块由II级电源供电。正常情况下，奇系列离合器通过主备中任何一个电源模块带电，都能够将停堆棒保持在反应堆顶部。

2.2 问题描述

某重水堆核电站1号机组处于保证停堆状态，奇系列停堆棒离合器的95VDC电源模块因为上级电源停役检修断电，停堆棒的电源自动切换到备用的92.5VDC电源模块。在此期间发生了备用电源模块的上级开关跳闸，奇系列停堆棒离合器因为同时失去主电源模块和备用电源模块而自动脱开，导致14根停堆棒落入堆芯。

2.3 问题分析

2.3.1 电源模块输入电流值的测量

92.5 VDC备用电源模块的II级电源开关型号为cutlerhammer公司的QCR1030，额定容量为30AAC。经电气专业人员检查该开关为热跳，重新送电后，使用HIOKI3283测量电源模块的120VAC供电电流为34.5AAC，超出了30AAC的设定值。

仪控人员测量的结果却不相同，使用LH41测量的结果是22.24AAC，低于开关的设定值。两者同时测量的结果见图2。为了确认哪一个数据更准确，使用了另外了一种型号的钳形电流表HIOKI3288进行测量，测量的结果是36AAC。

图2 钳形电流表现场测量Fig.2 Field measurement of clamp ammeter

为排除个体差异，均使用多个同样型号的电流表进行测量，结果表明型号相同的不同电流表的读数都是一致的，不同的读数仅存于不同型号的电流表之间。而这些电流表都是经过计量院鉴定合格的，并在有效期内。为了确认电流的真实值，采取如下的行动：

在车间用标准信号发生源对LH41和HIOKI3288、HIOKI3283进行了检查，在交流50Hz 的10A～30A不同输入信号下，3块表的指示基本一致，绝对偏差小于0.5A。

在20AAC和5ADC信号同时存在的情况，3块表的指示也基本一致，为交流信号＋直流信号的值，绝对偏差小于0.5A。

直接用120VAC带约6.5Ω的滑线变阻器，3块表的指示也基本一致约为18A，绝对偏差小于0.5A。

在MCC开关下测量95VDC电源模块的供电电流，HIOKI3288（29A）和HIOKI3283（28A），LH41（20A），与在95VDC电源模块上测量的结果类似，存在明显的绝对偏差。

在MCC开关下给某个风机的供电电流测量，HIOKI3288（17A）和HIOKI3283（16A），LH41（11A），电流值之间同样也有明显的差距。

根据以上结果，判断可能是由于电源模块的输入电流不规则，导致不同型号的钳形电流表测量时产生了系统性的偏差。为了验证这个猜想，并确认真实的电流值读数是多少，在车间搭设了与现场类似的模拟回路，见图3。

在回路中串入指针式电流表与3种钳形电流表（LH41型、HIOKI3283型、HIOKI3288型）的测量结果进行对比，同时记录仪采集电压数据。从图4中可以明显看出，95VDC电源模块的输入电压的波形是不规则的。同时，根据公式I=U/R，将通道3的电压转换成电流，结果见图5。

图3 电源模块检测示意图Fig.3 Power Module detection diagram

图4 部分通道电压数据Fig.4 Partial channel voltage data

从表1可以看出，HIOKI3283与记录仪和指针表最接近。因此，在现场用HIOKI3283型钳形电流表测得的数据最为可信。根据HIOKI3283的测量结果，可以断定现场掉棒的直接原因是95VDC电源模块的效率降低，消耗的输入电流增加，超过了II级电源开关的设定值而引起开关跳闸。

同时，这也确认了钳形电流表的特性，当测量对象为交流重叠直流的波形、半波整流、全波整流时，都会有一定误差。因此，不能进行非常精确的测量，但从车间的实际测试结果来看，HIOKI3283型比LH41型和HIOKI3288型都要准确，测量数据最为可信。

2.3.2 备用电源模块效率降低的原因分析

电源模块主要由电源开关、输出开关、变压器线圈、指示表、电解电容和控制电路板组成，见图6。

95V电源由可控整流主回路和晶体管触发控制电路组成。95V电源在电源开关闭合的情况下，通过电源变压器将交流电网电压变成整流电路要求的120VAC交流电压，控制电路板通过控制回路中的晶体管的通断，将交流工作电压经4个电解电容滤波转换成直流工作电压，然后经输出开关送负载[3]。并利用两个整流二极管和可控硅晶体管构成单相桥式半控整流电路。电源模块的电路原理图见图7。

图5 通道3电流图Fig.5 Channel 3 current diagram

图6 电源模块结构图Fig.6 Power Module structure diagram

表1 测量数据对照表Table 1 Comparison of measurement data

通过检查发现备用电源模块中的电解电容失效，从而导致电源模块的直流工作电压下降。

当前，在机组的运行周期内，主电源模块的输出电压95VDC，输出电流10A；而备用电源模块的输出电压92.5VDC，输出电流0A。平常的大修期间也没有进行主、备电源互换。因此，主电源模块一直处于带载工作状态，而备用电源模块则一直处于空载备用状态。由于电解电容中的电解液因长时间处于断电状态，品质下降更为明显，这应该是备用电源模块比主电源模块性能下降更快的原因。

图7 电源模块电路图Fig.7 Power module circuit diagram

对II级电源原供电开关的设定值进行检查，也没有发现漂移。因此，也从另一方面验证了备用电源模块故障是造成本次故障的根本原因。

根据这一推测，检查了两台机组其它的主、备电源模块大修时的测量记录，发现带载时备用电源模块的输入电流都明显高于主电源模块，说明这是一个普遍的现象。

2.4 改进措施

2.4.1 增加主备电源的定期切换

根据一般电源的使用寿命，当前的预防性维修计划是每9年整体更换电源模块。对于正常带载使用中的电源模块，该更换周期没有问题。但是从两台机组停堆棒离合器电源模块当前的状态对比来看，停堆棒离合器主、备两个电源模块在带同样负荷的前提下，主电源模块所需的输入电流均小于备用电源模块，说明主电源模块的转换效率均高于备用电源模块。升版预防性维修大纲（PMP），增加定期互换主电源模块和备用电源模块的工作内容。

2.4.2 钳形电流表的使用

虽然对电源模块的预防性维修中包含了对输入电流的测量，但是由于对钳形电流表的特性了解不够，使用LH41测量的结果一直偏低，所以得出了错误的结论，没有及时发现电源降级的风险。后续测量工作中要明确使用HIOKI3283的钳形电流表。对于其它的风机等类似设备也建议使用HIOKI3283测量电流。