□王 鐳

一、重水堆核電站反應(yīng)性控制裝置概述

(一)整體概述。秦山重水堆核電廠是基于CANDU-6型成熟設(shè)計(jì)[1]，滿足國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)則。反應(yīng)性控制裝置構(gòu)成反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和兩套停堆系統(tǒng)，每一個(gè)反應(yīng)性控制裝置執(zhí)行下列三個(gè)功能之一，測(cè)量裂變功率水平，調(diào)節(jié)功率水平，停堆。此外有兩套獨(dú)立和冗余的停堆系統(tǒng)。

當(dāng)滿足停堆信號(hào)時(shí)，切斷離合器的直流電源，停堆裝置的吸收元件釋放，吸收元件在導(dǎo)向管內(nèi)穿過(guò)燃料通道區(qū)域，進(jìn)入慢化劑區(qū)域。停堆棒裝置由以下幾部分組成：裝有不銹鋼套筒的鎘吸收棒、一個(gè)垂直的導(dǎo)向管及其延伸段、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加速?gòu)椈?、套管、屏蔽塞、反?yīng)性控制平臺(tái)的貫穿部件和棒就位指示器。每個(gè)停堆棒是用纏繞在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)滑輪上的不銹鋼絲繩懸掛起來(lái)的。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的絞盤，絞盤的一頭是一個(gè)電磁離合器，將滑輪軸和齒輪盤耦合在一起。在重水反應(yīng)堆中有21個(gè)垂直安裝的調(diào)節(jié)棒。每個(gè)調(diào)節(jié)棒懸掛在其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的不銹鋼繩上，軸向位置是用耦合在滑輪軸上的電位計(jì)傳感器來(lái)指示的。

核電站的反應(yīng)堆調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要在達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震(DBE)強(qiáng)度的地震期間切斷調(diào)節(jié)棒電機(jī)的電源，保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)的安全性。因此，需要設(shè)計(jì)電機(jī)切斷單元，用于在此類地震期間自動(dòng)切斷調(diào)節(jié)棒電機(jī)的電源[2]。

如圖1所示，電機(jī)切斷單元由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、電機(jī)切斷邏輯控制單元、電機(jī)切斷邏輯模塊和電機(jī)四個(gè)部分組成。達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震(DBE)強(qiáng)度的地震期間，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)向電機(jī)切斷邏輯控制單元發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)。電機(jī)切斷邏輯控制模塊接收到驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，通過(guò)控制電機(jī)切斷邏輯模塊中的繼電器來(lái)切斷調(diào)節(jié)棒電機(jī)。從而保護(hù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

圖1 調(diào)節(jié)棒切斷系統(tǒng)框圖

(二)調(diào)節(jié)棒電機(jī)禁止單元工作原理及系統(tǒng)組成。如果計(jì)算機(jī)試圖同時(shí)從堆芯拔出超過(guò)6個(gè)重要的調(diào)節(jié)棒，TMADO電路將禁止所有調(diào)節(jié)棒的拔出，并給出“TMADO”警報(bào)。其控制棒電機(jī)禁止單元電路原理圖如圖2所示。

圖2 調(diào)節(jié)棒電機(jī)禁止單元電路原理圖

重水反應(yīng)堆21根調(diào)節(jié)棒中有15根作為反應(yīng)性來(lái)說(shuō)十分重要，這15根調(diào)節(jié)棒被TMADO(Too Many Adjusters Driving Out)電路監(jiān)控，當(dāng)調(diào)節(jié)棒收到抽出指令時(shí)，C1-C15其中相關(guān)的電機(jī)會(huì)被打開(kāi)，電壓E2將減小。如果同時(shí)有超過(guò)6個(gè)電機(jī)被打開(kāi)(7個(gè)或更多的電機(jī)動(dòng)作)，電壓E2將小于參考電壓E1，并且限制所有調(diào)節(jié)棒被抽出，同時(shí)給出“TMADO”警報(bào)。為了恢復(fù)輸出，必須啟動(dòng)RESET按鈕PB3。該電路還配有TEST按鈕PB4。當(dāng)被壓下時(shí)，PB4將模擬E2≤E1的情況。這將導(dǎo)致抽出調(diào)節(jié)棒被禁止，并且點(diǎn)亮LED1以指示電路正常。

該單元的輸入電壓為48Vdc,和15Vdc，由電源模塊提供；輸出電壓為輸出電壓：0.500V～4.500Vdc，提供給電機(jī)啟動(dòng)電路和主控計(jì)算機(jī)。該模塊主要包括一塊面板及PCB板，如圖3所示。

圖3 調(diào)節(jié)棒電機(jī)禁止單元

二、調(diào)節(jié)棒電機(jī)禁止單元設(shè)計(jì)概述

(一)調(diào)節(jié)棒電機(jī)禁止單元電氣設(shè)計(jì)。調(diào)節(jié)棒電機(jī)禁止單元電氣部分主要是PCB板。各電器元件設(shè)計(jì)如下：一是將選用符合要求的飛利浦公司的高精度金屬膜電阻。二是電位器設(shè)計(jì)用于調(diào)節(jié)電壓比較器基準(zhǔn)電壓。電位器將選用MEXICO公司型號(hào)為78PR500的500歐姆10轉(zhuǎn)的電位器。三是IC放大器作用為電壓比較器，將選用TI公司的LM101AJ。四是三極管起信號(hào)放大的作用，將選用摩托羅拉公司生產(chǎn)的型號(hào)為2N1711三極管。五是繼電器線圈斷電時(shí)，其中殘余能量須以合適途徑釋放。給繼電器并聯(lián)二極管可以解決這個(gè)問(wèn)題。繼電器線圈并聯(lián)二極管后，二極管負(fù)極接直流電源正極，繼電器線圈斷電時(shí)，二極管因勢(shì)利導(dǎo)，為線圈電流繼續(xù)流動(dòng)提供途徑，殘余能量在線圈與二極管組成的回路中較為平緩地自我消耗掉，開(kāi)關(guān)得到有效保護(hù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用TELESKY公司生產(chǎn)的抑制二極管IN4004。六是繼電器線圈連接至三極管集電極，三極管導(dǎo)通后，線圈通電。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，每個(gè)繼電器觸點(diǎn)同時(shí)控制連接于兩個(gè)回路中，因此需要選用兩通道繼電器。本方案選用和泉公司生產(chǎn)的IDEC繼電器RJ2S-CL-24V。七是電源模塊，由于放大器需要正負(fù)15V供電，且電路其他節(jié)點(diǎn)需要正負(fù)15V。因此需要電源模塊，由于該模塊較特殊，將選用原清單中的電源模塊CALEX公司的120VAC轉(zhuǎn)正負(fù)15V電源模塊2.15.100-115.該模塊額定電流為100mA。

(二)PCB布線及防干擾措施。

1.工藝布線。工藝應(yīng)符慣例和設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T16261-2017，確保操作方便和使用壽命。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T16261-2017，PCB板選型，板材質(zhì)量、厚度、畫(huà)板、焊板及組裝應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。PCB應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)厚度1.6毫米的優(yōu)質(zhì)玻璃環(huán)氧樹(shù)脂，雙面印制，帶有鍍通孔，配備邊緣安裝的測(cè)試點(diǎn)。印刷電路板應(yīng)采用鍵控和標(biāo)記，以便不可能與任何其他類型的類似印刷電路板意外互換。

2.前后面板。前面板的標(biāo)簽應(yīng)采用光蝕刻。每個(gè)單元應(yīng)帶有由買方或其代表提供的單元的標(biāo)識(shí)或名稱。前面板應(yīng)按住標(biāo)有“RESET”的按鈕PB1。

3.線纜。布線材料符合MIL-W-22759/18A。端子接線位于模塊內(nèi)部，并應(yīng)符合相關(guān)適用圖紙。組件之間的接線應(yīng)整潔，并符合慣例。接線應(yīng)沿垂直或水平方向布線，并得到適當(dāng)支撐。電線應(yīng)有序布線和應(yīng)變消除，并應(yīng)通過(guò)扎帶或其等效物捆扎成束。所有接線應(yīng)使用絞合線制成。

4.抗干擾。一是電源線、地線線條的設(shè)計(jì)要盡量粗而短,尤其是地線,這樣可減少環(huán)路電阻,同時(shí)使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致,這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。二是正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。三是數(shù)字地與模擬地設(shè)計(jì)要分開(kāi)。四是接地線應(yīng)盡量加粗,地線寬度應(yīng)是信號(hào)、控制線的1～3倍。五是接地線構(gòu)成閉環(huán)路。

(三)調(diào)節(jié)棒電機(jī)禁止單元機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。該單元機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括一個(gè)面板及面板件和PCB。

1.面板。面板上主要放置2個(gè)按鈕和1個(gè)LED。按鈕：兩個(gè)按鈕分別是復(fù)位按鈕和測(cè)試按鈕，復(fù)位按鈕起電路復(fù)位作用。測(cè)試按鈕將模擬6路調(diào)節(jié)棒拔出情況。因此按鈕只需選用一開(kāi)一閉式的。按鈕帶藍(lán)燈指示。按鈕將選用施耐德公司的XB6-EAA6JB1。LED燈指示該單元工作情況，三極管導(dǎo)通時(shí)，該燈點(diǎn)亮。LED將選用HEWLETT公司生產(chǎn)的HLMP-3301紅色LED燈。面板尺寸要求能夠容納以上器件，及與PCB板尺寸匹配。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將采用35mm*262mm*3mm的面板。面板帶有兩個(gè)把手，方便模塊插拔。

2.PCB。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，PCB尺寸將設(shè)計(jì)為233.4mm*160mm歐卡尺寸。PCB將采用優(yōu)質(zhì)玻璃環(huán)氧樹(shù)脂，具有較高絕緣強(qiáng)度。PCB邊緣將安裝測(cè)試點(diǎn)，以檢查繼電器觸點(diǎn)的正常功能。雙層PCB電路板的優(yōu)點(diǎn)是線路可以分布在多層里面布線，從而可以設(shè)計(jì)較為精密的產(chǎn)品。另外多層可以加大設(shè)計(jì)的靈活性，可以更好地控制差分阻抗以及單端阻抗，以及一些信號(hào)頻率更好的輸出等。本方案PCB將使用雙面板，帶有鍍通孔。為了防止與類似PCB意外互換，將采用鍵控和標(biāo)記。

該模塊輸入輸出信號(hào)主要通過(guò)64針連接器實(shí)現(xiàn)。該連接器將焊接于PCB板上。該模塊將選用德國(guó)哈丁公司的型號(hào)為09-03-164-6921的64針公座。各個(gè)元器件清單見(jiàn)表1所示。

表1 元器件清單

(四)環(huán)境適應(yīng)性及標(biāo)識(shí)。一是工作及存儲(chǔ)溫度，本模塊主要電氣模塊為繼電器、接線端子、電阻及電容。繼電器模塊最高工作溫度為80℃，接線端子最高工作溫度為120℃，電阻電容最高工作溫度為125℃，可滿足10℃～50℃的要求。二是為了防止設(shè)備與其他相似單元意外互換，前面板的標(biāo)簽應(yīng)采用光蝕刻。每個(gè)單元應(yīng)帶有由買方提供的單元的標(biāo)識(shí)或名稱。

(五)使用要求。一是該模塊應(yīng)安裝于反應(yīng)性控制邏輯單元機(jī)柜內(nèi)。二是布線材料符合MIL-W-22759/18A。三是接線時(shí)應(yīng)沿垂直或水平方向布線并得到適當(dāng)支撐。四是多根電線應(yīng)通過(guò)電纜扎帶捆扎成束。五是外殼接地。

(六)斷電情況。一是若調(diào)節(jié)棒硬件控制邏輯的48V直流電源斷開(kāi)，則調(diào)節(jié)棒的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源斷開(kāi)，調(diào)節(jié)棒停止運(yùn)動(dòng)。二是RL-46和47斷電，RL-48斷電，但不會(huì)斷開(kāi)調(diào)節(jié)棒驅(qū)動(dòng)進(jìn)入或拔出電路。三是手動(dòng)復(fù)位TMADO電路及調(diào)節(jié)棒電機(jī)切斷邏輯控制單元。

三、板卡測(cè)試實(shí)驗(yàn)

(一)抗振測(cè)試實(shí)驗(yàn)。印制板組裝件在實(shí)際運(yùn)輸和使用的振動(dòng)環(huán)境條件下應(yīng)盡量避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象，影響其性能參數(shù)，應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)GJB 360B-2009電子及電氣元件試驗(yàn)方法中的條件進(jìn)行抗振實(shí)驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前和結(jié)束后應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行外觀檢查和電性能、機(jī)械性能等的檢測(cè)。將試驗(yàn)樣品放在振動(dòng)臺(tái)上固定好，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GJB 360B-2009規(guī)定的試驗(yàn)等級(jí)A,調(diào)整振動(dòng)臺(tái)的頻率范圍為10-500HZ，位移幅值/加速度為0.75/100mm/m/s2，使其以15min的一次掃頻時(shí)間在每個(gè)振動(dòng)方向X,Y,Z各掃描12次。振動(dòng)結(jié)束后，檢查試驗(yàn)樣品的外觀，功能是否正常，將實(shí)驗(yàn)鑒定結(jié)果應(yīng)記錄在報(bào)告中，證明符合設(shè)備技術(shù)規(guī)范中標(biāo)準(zhǔn)GJB 360B-2009規(guī)定的試驗(yàn)等級(jí)A的要求。

在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，就認(rèn)為試驗(yàn)樣品不合格：一是結(jié)構(gòu)出現(xiàn)殘余變形、裂紋和其他機(jī)械損傷。二是機(jī)構(gòu)性能〈抗剝強(qiáng)度、抗脫強(qiáng)度、翹曲度等〉不能滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。三是在試驗(yàn)過(guò)程中或在試驗(yàn)結(jié)束后由性能不正常、性能參數(shù)超出有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許極限。四是在試驗(yàn)結(jié)束后有下列功能不正常：電機(jī)切斷邏輯模塊板卡工作模式下能否切斷調(diào)節(jié)棒電機(jī)電源；電機(jī)切斷邏輯控制單元能否接收驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并產(chǎn)生切斷信號(hào)給電機(jī)切斷邏輯控制模塊；調(diào)節(jié)棒電機(jī)禁止單元能否禁止同時(shí)從堆芯拔出超過(guò)6個(gè)重要的調(diào)節(jié)棒。

(二)電磁抗干擾實(shí)驗(yàn)。電磁兼容性是指設(shè)備或系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。系統(tǒng)功能測(cè)試,滿足現(xiàn)場(chǎng)功能需要后,進(jìn)行電磁兼容測(cè)試,電磁兼容測(cè)試容易出問(wèn)題是靜電、輻射、傳導(dǎo)、脈沖等。電磁兼容性試驗(yàn)包括以下試驗(yàn)：

1.靜電抗擾度檢測(cè)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GBT-17626.2，在空氣放電試驗(yàn)的情況下，氣候條件應(yīng)在下述范圍內(nèi)：環(huán)境溫度：15℃～35℃，相對(duì)濕度：30%～60%，大氣壓力：86kPa～106kPa。將試驗(yàn)樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安裝后，確定受試設(shè)備的工作條件和施加放電點(diǎn)，選擇2KV的試驗(yàn)電壓，對(duì)受試設(shè)備每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行接觸放電，用1次/秒的放電速率放電20次。根據(jù)GBT-17626.9規(guī)定的試驗(yàn)等級(jí)1，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和記錄，進(jìn)行下述幾項(xiàng)測(cè)試：一是調(diào)節(jié)棒電機(jī)禁止單元能否禁止同時(shí)從堆芯拔出超過(guò)6個(gè)重要的調(diào)節(jié)棒。二是繼電器通斷是否正常，會(huì)不會(huì)誤觸發(fā)。

2.電快速瞬變脈沖群抗擾度檢測(cè)。電快速瞬變脈沖群抗擾度檢測(cè)抗擾度是一種將由許多快速瞬變脈沖組成的脈沖群耦合到電氣和電子設(shè)備的電源端口、信號(hào)和控制端口并觀察被測(cè)設(shè)備在遭受這些脈沖干擾時(shí)對(duì)原有性能保持程度的一種測(cè)試。試驗(yàn)的目的就是為了檢驗(yàn)電子、電氣設(shè)備在遭受這類暫態(tài)騷擾影響時(shí)的性能。

因?yàn)檎{(diào)節(jié)棒電機(jī)禁止單元中的放大器需要15V的電源供電，所以需要對(duì)其進(jìn)行電快速瞬變脈沖群抗擾度檢測(cè)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GBT-17626.4，將試驗(yàn)樣品正確組裝到受試設(shè)備上，使測(cè)試樣品處于正常工作狀態(tài)，對(duì)其電源端口和接地端口施加0.5KV的電壓峰值和5KHZ的重復(fù)頻率，對(duì)其信號(hào)端口和控制端口施加0.25KV的電壓峰值和5KHZ的重復(fù)頻率，測(cè)試狀態(tài)持續(xù)時(shí)間不少于1min，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)GBT-17626.2規(guī)定的試驗(yàn)等級(jí)1。

對(duì)其輸出和繼電器通斷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，進(jìn)行以下幾項(xiàng)測(cè)試：一是調(diào)節(jié)棒電機(jī)禁止單元能否禁止同時(shí)從堆芯拔出超過(guò)6個(gè)重要的調(diào)節(jié)棒。二是繼電器通斷是否正常，會(huì)不會(huì)誤觸發(fā)。

3.脈沖磁場(chǎng)抗干擾度實(shí)驗(yàn)。脈沖磁場(chǎng)是由雷擊建筑物和其他金屬框架以及由在低壓、中壓和高壓電力系統(tǒng)中初始的事故瞬態(tài)產(chǎn)生的。設(shè)備所遭受到的脈沖磁場(chǎng)可能影響設(shè)備和系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。當(dāng)設(shè)備遭受到與其特定位置和安裝條件相關(guān)的脈沖磁場(chǎng)時(shí)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GBT-17626.9中的描述，可以檢測(cè)設(shè)備的抗干擾程度。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GBT-17626.9，在施加實(shí)驗(yàn)磁場(chǎng)之前先對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)備性能預(yù)校驗(yàn)，采用浸入法對(duì)受試設(shè)備施加磁場(chǎng)強(qiáng)度為100A/m的實(shí)驗(yàn)磁場(chǎng)，脈沖之間的時(shí)間間隔不應(yīng)小于10s，進(jìn)行脈沖實(shí)驗(yàn)，根據(jù)GBT-17626.9規(guī)定的試驗(yàn)等級(jí)1，對(duì)試驗(yàn)板卡的輸出參數(shù)進(jìn)行以下幾項(xiàng)測(cè)試：一是調(diào)節(jié)棒電機(jī)禁止單元能否禁止同時(shí)從堆芯拔出超過(guò)6個(gè)重要的調(diào)節(jié)棒。二是繼電器通斷是否正常，會(huì)不會(huì)誤觸發(fā)。

四、結(jié)語(yǔ)

重水堆功率調(diào)節(jié)控制棒電機(jī)禁止單元國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)執(zhí)行了中國(guó)的核安全設(shè)計(jì)法規(guī)要求和核電儀控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)法規(guī)要求，同時(shí)遵守了加拿大重水堆有關(guān)設(shè)計(jì)要求。性能滿足原板卡性能要求。針對(duì)重水堆功率調(diào)節(jié)控制棒電機(jī)禁止單元的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)，可以彌補(bǔ)重水堆核電站控制板卡設(shè)計(jì)方面的設(shè)計(jì)空白，為控制板卡國(guó)產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和上機(jī)實(shí)驗(yàn)控制檢驗(yàn)，控制棒電機(jī)禁止單元設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)和功能指標(biāo)與原板卡一致，滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)。