反应堆保护系统响应时间的测量

张建平，张建兵，祝伟健，唐 龙

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

反应堆保护系统是核电厂重要的安全系统，它对于限制核电厂事故的发展，减轻事故后果，保证反应堆及核电厂设备和人员的安全，防止放射性物质向周围环境的释放具有十分重要的作用[1]。

反应堆保护系统是关系到核电厂安全与否的重要系统之一，因此必须验证保护系统从传感器响应至执行机构完成动作之间的时间不大于最终安全分析报告中所允许的最大值。在系统调试后期进行响应时间测量，是为了及时发现问题并予以解决，保证保护系统动作的快速性，确保核电厂的安全运行。

1 反应堆保护系统的功能与组成

反应堆保护系统是反应堆安全系统的一部分，功能主要是保护三大核安全屏障（燃料包壳、一回路压力边界和安全壳）的完整性。当运行参数达到危及三大屏障完整性的阈值时，反应堆保护系统动作触发反应堆紧急停堆和启动专设安全设施[2]。

反应堆保护逻辑设备包括两个冗余的逻辑系列（系列A和B），A系列逻辑和B系列逻辑分别放在实体分隔的机柜中，连接电缆分隔敷设，紧急停堆逻辑独立于专设安全系统逻辑，另外逻辑柜与信号柜之间、逻辑柜与输出柜之间在电气上也是相互隔离的，以保证最大限度的实体分隔与电气隔离[3]。每个系列包括7个紧急停堆系统机柜、8个专设安全设施驱动系统机柜和4个隔离柜，此外A列还有1个ATWT系统机柜。每个系列的紧急停堆系统和专设安全设施驱动系统包括逻辑柜、信号柜、输出柜、T3试验柜和继电器及电源分配柜。逻辑柜处理来自隔离柜和主控室的信号，包括完全相同的两个半逻辑机柜，分别是X半逻辑柜和Y半逻辑柜。信号柜处理来自逻辑柜的信号，产生指示灯信号、报警信号和计算机输入信号。输出柜处理来自逻辑柜的信号，当X半逻辑和Y半逻辑同时动作时，产生安全驱动器的控制信号。

从广义上讲，反应堆保护系统应包括KRG（过程仪表系统，通常称为SIP）、RPN（核仪表系统）、RPR（反应堆保护系统），以及所有专设安全系统（如RIS安全注入系统、EAS安全壳喷淋系统等）。KRG和RPN系统有4个相互独立的通道，分别对现场传感器送出的数据进行处理，模拟信号达到设定值后转换成开关量信号送至RPR系统的A、B两个系列，作为保护系统的输入信号。输入信号首先进入保护系统的隔离卡件，每个输入信号通过隔离卡件产生与输入信号隔离且相互独立的两个开关量输出信号，分别送去X半逻辑柜和Y半逻辑柜。隔离卡件的输出信号分别在X半逻辑柜和Y半逻辑柜中进行同样的逻辑运算，当X半逻辑和Y半逻辑同时给出保护动作信号时，形成保护指令，最终送至执行机构执行保护动作。反应堆保护系统的基本组成如图1所示。

图1 反应堆保护系统组成及响应时间区间划分Fig.1 Composition of reactor protection system and division of response time interval

2 反应堆保护系统响应时间测量

保护系统响应时间，是指该系统的每一个输入变量从超越保护整定值起，到触发保护系统执行机构完成相应保护命令所需要的时间。系统对每一个保护变量的响应时间有不同的要求。本文主要描述保护系统逻辑部分响应时间的测量，传感器的响应时间由厂家提供；模拟部分的响应时间（T’）由制造厂测量，测量方法是先把动态环节的时间常数调为零，然后测量从输入阶跃信号（幅值是整定值的95%～105%）起，到阈值继电器动作为止的响应时间；停堆断路器断开时间（T3）由调试电气组提供；如图2所示，保持钩爪释放时间（T4），是保持线圈小电流下降到额定值的33%开始到棒位探测器原边线圈感应电压出现拐点为止；控制棒下落的时间（T5），是棒位探测器原边线圈电压波形上升开始直到其出现下降拐点为止；控制棒插入时间（T6），是棒位探测器原边线圈电压波形出现下降拐点起，到第一次降为零为止；驱动机构的动作时间由各相关系统提供。

图2 落棒时间测量波形Fig.2 Measuring wave opening of falling rod time

图3列出了响应时间的组成。下面解释各部分响应时间的定义，同时列出了安全准则所要求的时间范围。

图3 保护通道响应时间分解图Fig.3 Decomposition diagram of response time of protection channel

TRT紧急停堆通道响应时间为：

式（1）中，T0——流体传输时间（参数为温度时，T0=1s，其余参数为T0=0s）。

T1——传感器响应时间（由厂家提供）。

T2——模拟通道和逻辑通道响应时间（T2'≤0.10s，T2"≤ 0.20s）。

T3——反应堆紧急停堆断路器打开时间（T3≤0.15s）。

图4 响应时间测试原理图Fig.4 Schematic diagram of response time test

T4——棒控系统保持钩爪的释放时间（T4≤0.15s）。

T5——落棒时间（从开始下落到缓冲段）：T5≤2.15s。

T6——从缓冲段到堆芯底部的时间（T5+T6≤3.0s）。

紧急停堆系统的保护动作响应时间≤30ms（从隔离柜的输入到输出柜中输出继电器的接点）。

专设安全设施驱动系统的保护动作响应时间≤50ms（从隔离柜的输入到输出柜中输出继电器的接点）。

ATWT系统的保护动作响应时间≤80ms（从系统的输入接点到输出接点）。

TESF专设安全设施通道响应时间为：

其中，T10 = T11+T12+T13；T11：柴油发电机启动时间；T12：重新加载时间，对于非应急供电的驱动器T11 =T12 = 0；T13：在电厂系统试验中测量的驱动器动作时间。

对于一个给定的保护动作，TESF应根据具有最长响应时间的驱动器来计算；只对那些在保护动作中实际动作的驱动器进行试验，对那些通常处于安全位置的驱动器（只接受来自反应堆保护系统的真实信号），在计算TESF时不予考虑。

2.1 测试条件

RPR系统功能试验已经完成，且处于试验状态（与下游系统隔离）。系统没有紧急停堆和专设安全设施动作信号，保护系统220V交流电源LNA/LNB/LNC/LND/LNE及48V直流电源LCA/LCB/LCC可用。

2.2 安全措施

利用RPR模拟输入装置，将RPR置于非动作的状态，由继电器的开触点输出的信号应在端子排上断开，由继电器的闭合触点输出的信号应由短接片在端子排上短接，紧急停堆主断路器和旁通断路器应抽出。

表1 响应时间测试记录Table 1 Response time test record

3 测试方法及结果

3.1 测试方法

在T2响应时间的测试中，主要测量逻辑通道的响应时间。测试时，从保护系统隔离柜的输入端注入模拟的输入信号来代替模拟通道输出信号，同时用响应时间测试仪（4通道记录仪），记录从注入模拟的输入信号到RPR机柜输出保护动作命令所占用的时间，具体步骤如下：

1）检查测试条件（如2.1所述）。

2）预置相关逻辑状态（由于保护系统中符合逻辑和逻辑运算的不同，需要设置一些相关的逻辑状态，使被测信号能产生动作信号输出）。

3）注入模拟的输入信号：在调试台上，将隔离柜的信号输入接到反应堆保护系统的模拟装置上，利用试验按钮产生触发信号，用响应时间测试仪记录响应时间。

下面以超温ΔT的响应时间测试为例，说明测试方法。

如图4所示，把电源、试验按钮、记录仪连接完毕，且再预置一路超温ΔT信号。此时，输入Ⅰ有24V电压信号，输入Ⅱ有48V电压信号。当按下试验按钮时，输入Ⅰ立即为0，而输入Ⅱ要经过逻辑处理后驱动输出柜的继电器动作，才变为0。这里的延时时间T，就是保护系统逻辑处理部分的响应时间。当然，不同类型的信号有不同的连接方式，特别是隔离卡件的输入电压有24V和48V，需要引起重视，否则容易损坏隔离卡件。

3.2 测试结果

在核电厂调试期间，反应堆保护系统响应时间测定试验数据，不但是系统验收所必须的，而且对今后核电站安全运行和必要的检修工作，都是必不可少的原始资料。表1列出了3号反应堆保护系统的响应时间，当然，如果是四取二通道，必须每个通道都要测量，并取其最大值。

4 结束语

根据所测数据与保护系统安全准则比较，完全满足要求。近期的运行也表明，响应时间在规定的范围内。这就证明，保护系统是安全可靠的，能够确保反应堆具有很高的安全性。