核電廠停堆斷路器停堆控制接口設(shè)計(jì)

周葉翔 田亞杰 任立永 劉光明 江 輝

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

核電廠總體設(shè)計(jì)要求保護(hù)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)互相分離［1］。目前，壓水堆核電廠緊急停堆系統(tǒng)歸屬保護(hù)系統(tǒng)范疇，棒控系統(tǒng)歸屬控制系統(tǒng)范疇，因此緊急停堆系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)普遍采用停堆斷路器。停堆斷路器通過切斷棒控系統(tǒng)供電，使反應(yīng)堆所有棒組由重力驅(qū)使插入堆芯，從而達(dá)到緊急停堆的目的。

停堆斷路器為核電廠關(guān)鍵電氣設(shè)備，其控制由核級DCS 平臺實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前二代至三代的壓水堆核電廠設(shè)計(jì)中，停堆斷路器設(shè)計(jì)原理相似，停堆斷路器開關(guān)盤控制接口包括合閘控制、分閘控制等，其中分閘控制分為帶電線圈(SHTR)分閘控制及欠壓線圈(UV)分閘控制。DCS 手動控制指令，同時通過帶電線圈和欠壓線圈打開停堆斷路器，而保護(hù)系統(tǒng)自動停堆指令僅通過欠壓線圈實(shí)現(xiàn)分閘。因此，欠壓線圈的控制接口設(shè)計(jì)也是緊急停堆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

通過對在運(yùn)及在建核電廠的典型停堆斷路器帶電線圈和欠壓線圈控制接口方案的對比分析，結(jié)合核電廠調(diào)試運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同的停堆斷路器開關(guān)盤內(nèi)部電器元件特性差異明顯。因此，停堆斷路器控制接口方案應(yīng)用具有局限性，容易出現(xiàn)控制系統(tǒng)與斷路器線圈負(fù)載不匹配問題，甚至在某些工況下，停堆斷路器控制回路之間出現(xiàn)電流耦合現(xiàn)象，將直接導(dǎo)致停堆斷路器的控制出現(xiàn)異常。采用二極管實(shí)現(xiàn)控制回路解耦是一種經(jīng)濟(jì)的改進(jìn)措施，也容易實(shí)現(xiàn)，但是無法解決帶載失配問題。采用繼電器隔離解耦方法，雖改造成本較大，但能夠同時解決帶載失配和控制回路電流耦合問題。

1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

停堆斷路器的控制接口方案設(shè)計(jì)需遵循緊急停堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求［1-4］，主要有如下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)范。

1.1 單一故障準(zhǔn)則

要求:設(shè)計(jì)應(yīng)冗余，任何的單一故障都不會造成停堆功能喪失。

實(shí)現(xiàn):停堆斷路器分為四組，由四個通道獨(dú)立控制，滿足單一故障準(zhǔn)則。

1.2 定期試驗(yàn)?zāi)芰?/h3>

要求:為了檢測內(nèi)部故障和驗(yàn)證系統(tǒng)性能是否滿足功能要求，停堆功能應(yīng)能在反應(yīng)堆運(yùn)行期間開展定期試驗(yàn)。

實(shí)現(xiàn):緊急停堆系統(tǒng)可逐個通道開展定期試驗(yàn)，當(dāng)一個通道旁通后，另外三個通道保持正常工作，且滿足單一故障要求。

1.3 防共模故障

要求:設(shè)計(jì)上應(yīng)采用功能多樣性設(shè)計(jì)，預(yù)防共模故障的影響。

實(shí)現(xiàn):停堆控制通過帶電線圈和失電線圈實(shí)現(xiàn)，兩者的控制接口設(shè)計(jì)保持多樣化;停堆控制接口優(yōu)化方案進(jìn)一步保證UV 線圈的控制回路保持獨(dú)立性［5］。

1.4 手動執(zhí)行停堆功能

要求:停堆動作可以從控制室進(jìn)行手動控制。

實(shí)現(xiàn):手動停堆控制指令同時通過帶電線圈和失電線圈控制實(shí)現(xiàn)。

2 停堆斷路器

2.1 停堆斷路器硬接線邏輯

壓水堆核電廠緊急停堆系統(tǒng)配備八個停堆斷路器，分為四組，并按四取二的硬接線邏輯形成通斷回路。圖1 為停堆斷路器硬接線示意圖，圖中虛線連接的兩個停堆斷路器為一組，四組停堆斷路器分別由保護(hù)系統(tǒng)的四個通道控制。其中:RPA100JA 與RPA101JA 對應(yīng)Ⅰ通道，RPB100JA 與RPB101JA 對應(yīng)Ⅱ通 道，RPA200JA 與 RPA201JA 對 應(yīng)Ⅲ通 道，RPB200JA 與RPB201JA 對應(yīng)Ⅳ通道。

圖1 停堆斷路器硬接線示意圖Fig.1 Hard wiring connections of the reactor trip breakers

2.2 停堆斷路器開關(guān)盤

停堆斷路器開關(guān)盤分為A、B 兩列。每列控制兩組停堆斷路器，其中保護(hù)系統(tǒng)Ⅰ、Ⅲ通道控制指令送至A 列開關(guān)盤，Ⅱ、Ⅳ通道控制指令送至B 列開關(guān)盤。

帶電線圈由110 V 直流電驅(qū)動，通過中間繼電器控制，中間繼電器由保護(hù)組機(jī)柜48 V 直流電控制。欠壓線圈由48 V 直流電直接控制，其控制回路中包含失電監(jiān)測繼電器、計(jì)時繼電器。部分產(chǎn)品中欠壓線圈的供電回路也采用48 V 直流電控制的中間繼電器間接控制。

3 停堆控制接口

核電廠停堆斷路器分閘控制指令包括自動停堆指令、應(yīng)急停堆盤(ECP)手動控制指令以及測試指令?？刂浦噶钔ㄟ^四個保護(hù)組通道分別送出，每個通道與停堆斷路器的控制接口設(shè)計(jì)保持一致。

自動停堆指令驅(qū)動同一通道內(nèi)的兩個欠壓線圈;每個通道針對兩個停堆斷路器分別設(shè)置兩個分閘測試指令，測試指令僅控制帶電線圈。ECP 指令分為A、B兩列，每列控制兩組停堆斷路器。ECP 控制指令同時控制兩種分閘線圈，但是對每種線圈的控制實(shí)現(xiàn)方式存在區(qū)別，詳見章節(jié)3.1 和3.2 的具體分析內(nèi)容。

3.1 帶電線圈控制接口

帶電線圈控制接口設(shè)計(jì)包含ECP 手動控制指令和分閘測試指令的接口設(shè)計(jì)。圖2 以保護(hù)組I 通道RPA100JA 和RPA101JA 為例，給出一種可靠性較高的方案。

圖2 SHTR 控制接口Fig.2 SHTR control interface

圖2 中 Test1與 Test2分 別 為 RPA100JA 和RPA101JA 的測試指令，測試指令與ECP 指令并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)或邏輯。ECP 停堆指令通過繼電器RL10，同時控制SHTR1中間繼電器(對應(yīng)RPA100JA)與SHTR2中間繼電器(對應(yīng)RPA101JA)?？刂苹芈返墓╇娡ǔＳ蒁CS電源分配卡件提供，根據(jù)不同的需求可以分配48 VDC或24 VDC 供電。SHTR 線圈控制回路的供電應(yīng)與UV線圈控制回路的供電保持多樣化設(shè)計(jì)。

3.2 欠壓線圈控制接口方案及分析

欠壓線圈控制接口設(shè)計(jì)包含自動停堆指令和ECP手動停堆指令控制接口設(shè)計(jì)。對于二代改進(jìn)型及三代核電廠，欠壓線圈控制指令還包括遠(yuǎn)程停堆站的手動停堆指令。停堆斷路器的測試信號并不針對欠壓線圈。電站正常運(yùn)行期間，欠壓線圈及其控制回路保持帶電狀態(tài)。根據(jù)核電廠的安全設(shè)計(jì)理念，DCS 失電或停堆斷路器開關(guān)盤失電，停堆斷路器能夠自動分閘實(shí)現(xiàn)緊急停堆。這一安全功能通過欠壓線圈的控制接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

因不同類型停堆斷路器開關(guān)盤中的電器元件特性差異明顯，當(dāng)前欠壓線圈的控制接口設(shè)計(jì)也略有不同。在運(yùn)核電廠中主要有兩種控制接口方案(簡稱A 方案、B 方案)，兩者的主要區(qū)別在于DCS 控制指令是否通過中間繼電器間接控制欠壓線圈供電回路。章節(jié)3.2.1 至3.2.3 同樣以I 通道RPA100JA 和RPA101JA的欠壓線圈為例，闡述接口設(shè)計(jì)方案。

3.2.1 保護(hù)系統(tǒng)欠壓線圈控制邏輯

UV 控制硬邏輯和UV 控制接口如圖3、圖4 所示。緊急停堆系統(tǒng)功能由核級DCS 平臺實(shí)現(xiàn)，圖3 中端子324/329 與圖4 中端子324/329 一致，分別接至停堆斷路器開關(guān)盤中的48 V 直流控制回路中。保護(hù)系統(tǒng)每個通道分為兩個子組(P1C1 與P1C2)，每個子組的停堆指令(RT)都可以單獨(dú)斷開欠壓線圈控制回路。對應(yīng)的兩個子組的旁通指令(BP)全部觸發(fā)，自動停堆指令旁通。而ECP 停堆開關(guān)采用常閉開關(guān)，硬接線直接串聯(lián)在UV 線圈控制回路中。

圖3 UV 控制硬邏輯圖Fig.3 UV hard control logic

3.2.2 A 方案

如圖4 所示，欠壓線圈控制接口方案由DCS 直接控制UV 線圈控制回路，其中012FU 為停堆斷路器開關(guān)盤48 V 控制回路保護(hù)空開，022XR 為48 V 電源失電監(jiān)測繼電器。

圖4 UV 控制接口(A)圖Fig.4 UV control interface(A)

A 方案結(jié)構(gòu)簡單，是一種可靠性較高的設(shè)計(jì)方案。但是A 方案對于欠壓線圈負(fù)載設(shè)計(jì)及DCS 卡件的DO卡件容量有嚴(yán)格的匹配要求。在核電廠建設(shè)中，核級DCS 的卡件一般采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，為特定的設(shè)備開發(fā)特定的DO 卡件可行性較低，而停堆斷路器開關(guān)盤供貨設(shè)計(jì)差異也無法避免。因此，A 方案的推廣應(yīng)用有一定的局限性。目前常見的停堆斷路器欠壓線圈電氣參數(shù)如表1 所示。

表1 欠壓線圈電氣參數(shù)Tab.1 Electric parameters of UV coil

核級DCS 自動停堆指令輸出DO 卡件的負(fù)載參數(shù)上限為6 A(持續(xù)100 ms)、10 A(20 ms)。因一個通道同時控制兩個欠壓線圈，參考表1 所列參數(shù)，DO 卡件實(shí)際承載的沖擊電流將達(dá)到8.34 A(80 ～160 ms)。該沖擊電流已經(jīng)達(dá)到DO 卡件帶載能力上限，在停堆斷路器動作瞬間容易導(dǎo)致DCS 卡件燒毀。同時，A 方案中RPA100JA 與RPA101JA 的控制回路間存在電流耦合問題。

在以下兩種工況中，有可能造成停堆指令發(fā)出時UV 線圈拒動。

①RPA100JA 空開012FU 因人為操作或故障斷開，而RPA101JA 的控制電正常。

②RPS 停堆DO 點(diǎn)打開(停堆工況或者DCS 失電)

在這種工況下，RPA100JA 控制回路中的繼電器022XR 及UV 線圈與RPA101JA 的UV 線圈串聯(lián)在RPA101JA 的控制回路中。即UV 線圈并未失電，分壓計(jì)算如下:

因UV 線圈等效阻抗(RUV)遠(yuǎn)大于022XR 的等效阻抗(R022XR)，考慮到項(xiàng)目48 V 直流源實(shí)際電壓在50 V左右，因此UV 線圈實(shí)際分壓約24.5 V。該分壓大于UV線圈可靠動作電壓，導(dǎo)致UV 線圈存在拒動風(fēng)險。

3.2.3 B 方案

UV 控制接口B 方案如圖5 所示。

圖5 UV 控制接口(B)圖Fig.5 UV control interface(B)

B 方案與A 方案的主要區(qū)別在于DCS 通過中間繼電器012XR 間接控制UV 線圈供電回路［6］。中間繼電器的引入可以有效處理UV 線圈沖擊功率過大而燒毀DO 卡件的問題，但是這一方案沒有根本解決電路耦合問題。同樣以A 方案所示工況為例，電路耦合導(dǎo)致的問題主要有兩點(diǎn)。

①RPA100JA 的失電監(jiān)測繼電器022XR 與RPA101JA 的UV 線圈中間繼電器012XR 串聯(lián)在RPA101JA 的控制回路中，分壓計(jì)算如下:

022XR 與012XR 的等效阻抗在同一數(shù)量級，但是不完全相等，因此不同的停堆斷路器開關(guān)盤設(shè)計(jì)將導(dǎo)致實(shí)際分壓不一致。如R022XR明顯大于R012XR時，有可能出現(xiàn)在RPA100JA 控制回路失電情況下，因022XR 非正常帶電而無法觸發(fā)失電報(bào)警的問題;與此同時012XR 有可能因分壓過少導(dǎo)致RPA101JA 誤打開。

②RPA100JA 的UV 中間繼電器消耗二極管正向?qū)?，有燒毀可能?/p>

4 停堆斷路器控制接口優(yōu)化

針對方案A、B 的缺點(diǎn)，提出兩種欠壓線圈的控制接口優(yōu)化方案。

4.1 改進(jìn)方案一

如圖4、圖5 所示的UV 控制接口示意圖中，在RPA100JA 和RPA101JA 控制回路的端子256 和324之間各增加一個限流二極管，確保同一通道內(nèi)的兩個UV 控制回路不會交叉供電。該方案簡單、經(jīng)濟(jì)、易于實(shí)現(xiàn)，能夠有效解決電路耦合問題。

4.2 改進(jìn)方案二

改進(jìn)方案二如圖6 所示，該方案針對圖5 所示的B方案作了電路設(shè)計(jì)改進(jìn)。DCS 通過獨(dú)立供電的中間繼電器012XR，同時控制同一保護(hù)通道內(nèi)的兩個欠壓線圈。其中，中間繼電器012XR 的供電與UV 控制回路的電源可以保持一致，確保無論是停堆斷路器控制失電還是中間繼電器失電，欠壓線圈都能斷開，進(jìn)而停堆斷路器打開實(shí)現(xiàn)緊急停堆。該方案將同一通道內(nèi)的兩個停堆斷路器的控制回路隔離開，徹底地解決了電路耦合問題;同時該方案能夠避免停堆斷路器各種線圈負(fù)載與DCS 卡件帶載能力失配的問題，具有普遍適用性。

圖6 UV 控制接口(優(yōu)化)圖Fig.6 UV control interface(optimized)

5 結(jié)束語

通過對當(dāng)前二代至三代壓水堆核電廠的停堆斷路器控制接口方案的總結(jié)分析，指出帶電線圈控制接口設(shè)計(jì)相對穩(wěn)定可靠。欠壓線圈控制功能需求較為復(fù)雜，需考慮失電安全等特殊設(shè)計(jì)，且不同的停堆斷路器開關(guān)盤的欠壓線圈電氣參數(shù)差異顯著，導(dǎo)致控制接口設(shè)計(jì)多樣化。針對目前各類控制接口方案中突出的控制回路耦合問題，提出一種簡單經(jīng)濟(jì)的改進(jìn)方案。該方案適用于在運(yùn)核電的快速改造。同時，提出另一種具有普遍適用意義的優(yōu)化方案，該方案徹底解決了帶載失配及欠壓線圈控制回路耦合的問題。但是，應(yīng)用該方案時，需考慮中間繼電器的供電設(shè)計(jì)既要滿足失電安全動作要求，也需滿足欠壓線圈與帶電線圈控制設(shè)計(jì)多樣化的要求。

［1］ RCC - P -2000 Design and construction rules for nuclear power plants-2006［S］.2000.

［2］ IAEA NS-R-1-2006 Safety of nuclear power plants:design［S］.2006.

［3］ IEEE 279 -1971 Criteria for protection systems for nuclear power generating stations［S］.1971.

［4］ IEEE 379 -2000 IEEE Standard Application of the Single -Failure Criterion to Nuclear Power Generating Station Safety Systems［S］.2000.

［5］ GB/T 13286 -2008 核電廠安全級電氣設(shè)備和電路獨(dú)立性準(zhǔn)則［S］.2008.

［6］ 鄭添，陳衛(wèi)華，黃偉軍.核電廠儀表和控制系統(tǒng)的隔離和解耦［J］.核科學(xué)與工程，2013，33(S2):44-48.