吳雄偉張 億*楊 江林 強(qiáng)

(1.中國地震局地震研究所,地震預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430071；2.武漢地震科學(xué)儀器研究院有限公司,湖北 武漢 430071；3.湖北省重大工程地震監(jiān)測(cè)與預(yù)警處置工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430071)

我國《“十二五”期間新建核電廠安全要求》明確要求:核電廠應(yīng)增加地震自動(dòng)停堆功能,在地震工況下,當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度超過設(shè)定閾值時(shí),啟動(dòng)地震報(bào)警,執(zhí)行核電廠的自動(dòng)停堆。目前,國內(nèi)外配備了地震停堆系統(tǒng)的核電廠不多,在美國,部分建設(shè)在強(qiáng)震區(qū)域附近的核電廠配備了停堆保護(hù)系統(tǒng),日本、韓國部分核電廠配備了該系統(tǒng)[1]；我國核電站地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)的國產(chǎn)化進(jìn)程較晚,現(xiàn)階段只有田灣核電站引進(jìn)了俄羅斯的工業(yè)抗震保護(hù)系統(tǒng)(IAPS)[2],這些地震停堆保護(hù)系統(tǒng)無一例外均采用了單軸向峰值地面加速度(Peak Ground Acceleration,PGA)進(jìn)行地震停堆報(bào)警的方式,對(duì)X、Y、Z三軸分別獨(dú)立設(shè)置報(bào)警閾值,任意一個(gè)軸向超過設(shè)定閾值,并觸發(fā)地震報(bào)警,執(zhí)行停堆功能,其他絕大部分核電站配備的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不直接參與核電廠的停堆流程,只提供地震報(bào)警信號(hào),報(bào)警方式多數(shù)依然采用加速度峰值(PGA)閾值超限判別報(bào)警的方式[3-4]。

鑒于地震發(fā)生時(shí),實(shí)際地面的振動(dòng)方向在空間上是三維振動(dòng),安裝在地面的核設(shè)施遭受的最大振動(dòng)沖擊原則上應(yīng)與地震振動(dòng)方向一致,而不是三軸向加速度傳感器安裝時(shí),人為設(shè)定的三個(gè)軸向的中的任意一個(gè)軸向[5],對(duì)于水平方向的地面振動(dòng),實(shí)際上為水平X、Y兩軸向的矢量和,即地震的真實(shí)加速度值會(huì)大于傳感器X、Y軸向?qū)嶋H測(cè)量的值,與二者的夾角越大偏差越大,最大偏差可達(dá)到41.4%(45°夾角時(shí))[6-7]。如果采用單軸向的加速度閾值作為地震停堆報(bào)警閾值,由于無法精確地確定實(shí)際地震振動(dòng)方向與設(shè)定方向的夾角,將會(huì)導(dǎo)致較大概率的停堆誤報(bào)警；為了回避這一問題,目前的地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)均采用相對(duì)保守的報(bào)警閾值,將報(bào)警閾值設(shè)定值設(shè)為核電廠安全停堆地震(Safe Shutdown Earthqllake,SSE)的2/3 或更小的閾值[8],降低地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)超限地震的漏報(bào)問題,但這種設(shè)置方式會(huì)增加因小震或現(xiàn)場(chǎng)噪聲導(dǎo)致的誤觸發(fā)概率,現(xiàn)階段,這一問題還沒有較好的解決辦法。

針對(duì)上述問題,本文提出一種基于地震加速度矢量和報(bào)警的核安全級(jí)自動(dòng)停堆系統(tǒng),采用非智能電子器件實(shí)現(xiàn)地震加速度水平矢量和閾值計(jì)算,使得系統(tǒng)的報(bào)警閾值與地震實(shí)際強(qiáng)度保持一致,通過矢量和閾值報(bào)警方式,可依照核電廠實(shí)際抗震強(qiáng)度設(shè)定較為準(zhǔn)確的報(bào)警閾值,將無需考慮加速度傳感器安裝時(shí)水平方向的定位角度,可解決現(xiàn)有地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)的報(bào)警閾值設(shè)定偏小和傳感器安裝定位精度要求高的難點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)直接執(zhí)行停堆保護(hù)功能,按照核電相關(guān)規(guī)范,直接參與核電廠停堆的設(shè)備應(yīng)歸類為核安全級(jí)設(shè)備,系統(tǒng)性能參數(shù)必須滿足“NB/T20076 核電廠地震儀表準(zhǔn)則”規(guī)定要求,在量程、工作頻帶(頻率響應(yīng)范圍)、報(bào)警閾值誤差限度、抗干擾能力上達(dá)到要求,具體要求為:測(cè)量量程為±1 gn(gn為重力加速度),工作頻帶在1 Hz～10 Hz,系統(tǒng)地震閾值可在0.005 gn～0.300 gn內(nèi)設(shè)定,閾值判別誤差應(yīng)在滿量程的5%以內(nèi),并對(duì)核電廠工業(yè)環(huán)境下的高頻電噪聲、電快脈沖群等電噪聲具有較強(qiáng)的抑制作用；同時(shí),如果系統(tǒng)內(nèi)部采用了智能芯片,有軟件程序參與實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能,必須依照IEC60880 等規(guī)范進(jìn)行軟件可靠性安全性確認(rèn)(V＆V)測(cè)試。

若采用智能化芯片或嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)地震矢量和計(jì)算以及核電廠地震停堆報(bào)警,依照規(guī)范“IEC60880”規(guī)定,系統(tǒng)必須進(jìn)行軟件可靠性安全性確認(rèn)(V＆V)測(cè)試認(rèn)證,測(cè)試流程十分復(fù)雜,系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中將花費(fèi)大量的人力物力來執(zhí)行V＆V 測(cè)試認(rèn)證過程,導(dǎo)致系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)變得及其復(fù)雜[9-10],因此,本系統(tǒng)將采用非智能電子元器件來實(shí)現(xiàn)矢量和計(jì)算,系統(tǒng)信號(hào)轉(zhuǎn)換與邏輯處理均使用純硬件來實(shí)現(xiàn),相比智能芯片與嵌入式軟件構(gòu)建的系統(tǒng),通過純硬件實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠,電氣邏輯清晰等特征,由于未采用嵌入式軟件或可編程邏輯功能模塊,系統(tǒng)無需依照規(guī)范“IEC60880”進(jìn)行核安全級(jí)設(shè)備的軟件驗(yàn)證與確認(rèn)過程(V＆V),降低了系統(tǒng)的邏輯復(fù)雜程度,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性[11]。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示,主要由信號(hào)轉(zhuǎn)換和濾波模塊、絕對(duì)值轉(zhuǎn)換模塊、矢量和計(jì)算模塊以及閾值判別模塊和地震報(bào)警模塊組成。由于破壞性地震信號(hào)的頻帶主要集中在低頻帶1 Hz～10 Hz[12],因此設(shè)置了信號(hào)轉(zhuǎn)換和濾波模塊,對(duì)加速度傳感器的輸入信號(hào)進(jìn)行1 Hz～10 Hz 的帶通濾波。加速度傳感器安裝時(shí),垂直軸向可使用水平儀或水泡進(jìn)行校準(zhǔn),精度較為容易保證,因此垂直軸向無需進(jìn)行矢量和計(jì)算。而根據(jù)本文前言的分析,水平方向的安裝角度的精度很難達(dá)到要求,需要通過水平矢量和計(jì)算的方式可消除安裝角度誤差,因此,對(duì)水平軸向X、Y進(jìn)行矢量和計(jì)算后,再進(jìn)行閾值比較。

圖1 地震自動(dòng)停堆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用純硬件功能模塊實(shí)現(xiàn)地震信號(hào)的轉(zhuǎn)換和邏輯判別,信號(hào)處理流程為:加速度傳感器輸入的電壓信號(hào)經(jīng)差分轉(zhuǎn)單端電路轉(zhuǎn)換、帶通濾波器濾波后,再經(jīng)絕對(duì)值轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后,進(jìn)行矢量和計(jì)算,計(jì)算結(jié)果再進(jìn)行閾值判別,當(dāng)閾值超限時(shí),發(fā)送地震停堆報(bào)警信號(hào)。

2.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換與濾波模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)置了三套信號(hào)轉(zhuǎn)換與濾波電路模塊,分別對(duì)加速度傳感器的X、Y、Z三個(gè)軸向輸入的電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和濾波,根據(jù)設(shè)計(jì)需求,信號(hào)轉(zhuǎn)換應(yīng)能對(duì)±10 V 電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理,濾波電路模塊應(yīng)具有輸入信號(hào)進(jìn)行1 Hz～10 Hz 的帶通濾波功能,設(shè)計(jì)方案如圖2 所示。

圖2 信號(hào)轉(zhuǎn)換與濾波電路

由OP2277 型雙運(yùn)放U1 對(duì)傳感器差分輸入信號(hào)進(jìn)行電壓跟隨轉(zhuǎn)換、運(yùn)放采用雙電源供電,可對(duì)±10 V 電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理,運(yùn)放U2 將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào),傳送到濾波電路中進(jìn)行濾波處理；帶通濾波電路由初級(jí)的二階高通壓控濾波器和次級(jí)的二階低通壓控濾波器組成,低通與高通濾波電路的截止頻率可由式(1)與式(2)進(jìn)行計(jì)算[13]:

高通:

低通:

圖1 中,電容C1、C2、C4、C6采用CBB 電容,容值分別為0.47 μF、0.47 μF、0.47 μF 和0.22 μF,電阻R5、R6、R8、R9均為精密電阻,阻值分別為240 kΩ、480 kΩ、48 kΩ、48 kΩ,代入式(1)和式(2)中,可得高通濾波器的截止頻率為0.99 Hz、低通濾波器的截止頻率為10.2 Hz,滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 絕對(duì)值轉(zhuǎn)換電路

由于本系統(tǒng)通過純硬件來實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能,為了計(jì)算加速度信號(hào)的矢量和,必須使用模擬乘法器芯片執(zhí)行乘法運(yùn)算。由于加速度傳感器的信號(hào)是隨頻率變化的交流信號(hào),信號(hào)幅度也存在正負(fù)變化,為了方便后續(xù)的乘法運(yùn)算,并保障模擬乘法器的運(yùn)算的穩(wěn)定性,采用圖3 所示的絕對(duì)值轉(zhuǎn)換電路,將濾波后的加速度電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為全波整流信號(hào),消除負(fù)電壓信號(hào)。

圖3 絕對(duì)值轉(zhuǎn)換電路

2.3 矢量和計(jì)算

矢量和計(jì)算電路對(duì)水平軸向X、Y的加速度值進(jìn)行矢量和計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)需求,系統(tǒng)矢量和計(jì)算電路模塊應(yīng)能實(shí)現(xiàn)最大加速度閾值為0.3 gn的加速度矢量和閾值判別,閾值大小能修改,設(shè)計(jì)方案如下:

水平軸向的加速度電壓值經(jīng)絕對(duì)值轉(zhuǎn)換后,分別傳送到模擬乘法器進(jìn)行平方運(yùn)算,再由加法器計(jì)算平方和,最后由電壓比較器進(jìn)行閾值超限判別,若信號(hào)超過設(shè)定基準(zhǔn)電壓閾值,將發(fā)送地震停堆報(bào)警信號(hào)。

具體實(shí)現(xiàn)電路參見圖4 所示,采用兩片模擬乘法器AD633JN 芯片對(duì)水平方向X、Y兩個(gè)軸向的信號(hào)電壓值進(jìn)行平方運(yùn)算[14],由于加速度傳感器采集的加速度電信號(hào)是與頻率相關(guān)的電信號(hào),可設(shè)定輸入信號(hào)為Vax＝Vx*sin(ωt),Vay＝Vy*sin(ωt),Vx、Vy分別為輸入信號(hào)的峰值電壓,根據(jù)AD633JN 芯片的傳遞函數(shù)關(guān)系,計(jì)算結(jié)果如下:

圖4 乘法計(jì)算模塊和閾值判別與報(bào)警模塊

設(shè)定水平向X、Y矢量和報(bào)警閾值為Vs(換算成與加速度閾值對(duì)應(yīng)的電壓值),參照?qǐng)D4 電路的信號(hào)運(yùn)算傳遞關(guān)系,代入式(3)、式(4)中可得Vax與Vax的矢量和平方值為:

從式(5)可知,矢量和報(bào)警閾值Vs的平方與輸入信號(hào)Vax與Vay的矢量平方和存在單一的遞增換算關(guān)系,若需要判別比較輸入信號(hào)的矢量和是否超標(biāo),可直接通過運(yùn)放U4 對(duì)矢量和平方電壓值進(jìn)行判別比較,不需再增加開方運(yùn)算電路計(jì)算出報(bào)警閾值Vs,簡(jiǎn)化電路,減少誤差的引入。

為了進(jìn)一步對(duì)電路進(jìn)行簡(jiǎn)化,在設(shè)計(jì)參數(shù)上,取R1＝R2＝R3/5,當(dāng)水平軸方向的矢量和為最大峰值時(shí),式(5)簡(jiǎn)化為Vs2＝(Vax2＋Vay2)/2。因核電站的地震停堆報(bào)警閾值不會(huì)超過電廠安全停堆地震SSE(SSE 對(duì)應(yīng)0.3 gn,gn為重力加速度值),對(duì)于量程為±10 V、1 gn的加速度傳感器,0.3 gn對(duì)應(yīng)的電壓輸出峰值為3 V,則Vx和Vy最大設(shè)定閾值對(duì)應(yīng)電壓為3 V,根據(jù)式(5)計(jì)算,對(duì)應(yīng)的電壓閾值設(shè)定值最大為9 V,滿足運(yùn)放的工作電壓范圍,若需要設(shè)定其他較小的閾值,可根據(jù)式(5)進(jìn)行計(jì)算后,調(diào)節(jié)可變電阻R4阻值進(jìn)行設(shè)定。

2.4 地震閾值判別邏輯與報(bào)警保持電路

為了有效剔除高頻脈沖干擾或快脈沖群信號(hào)干擾導(dǎo)致的誤報(bào)警,根據(jù)地震信號(hào)的特性,設(shè)計(jì)了地震閾值判別邏輯與報(bào)警保持電路。

圖4 中,運(yùn)放U4 實(shí)現(xiàn)施密特觸發(fā)器功能,對(duì)矢量平方和電壓值與設(shè)定電壓閾值進(jìn)行比較判別,若超限,將輸出接近＋12 V 高電平,發(fā)送地震報(bào)警信號(hào)至報(bào)警邏輯。為了消除高頻脈沖信號(hào)導(dǎo)致的誤報(bào)警,同時(shí)對(duì)報(bào)警輸出信號(hào)進(jìn)行自保持延時(shí),本設(shè)計(jì)采用了MC14538 型雙精度單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,通過兩個(gè)觸發(fā)器分別延時(shí),實(shí)現(xiàn)報(bào)警信號(hào)的誤報(bào)警屏蔽和報(bào)警延時(shí)。由于破壞性地震信號(hào)是頻率和幅度在不斷變化的動(dòng)態(tài)信號(hào),頻率范圍在1 Hz～10 Hz 內(nèi),而噪聲信號(hào)的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個(gè)頻率段,如果因噪聲導(dǎo)致的誤報(bào)警信號(hào)發(fā)出后,通過延時(shí)100 ms 的時(shí)間(對(duì)應(yīng)10 Hz),在100 ms 時(shí)間內(nèi),屏蔽報(bào)警輸出,可消除單脈沖噪聲干擾導(dǎo)致的誤報(bào)警。具體實(shí)現(xiàn)邏輯參見圖4:設(shè)置芯片內(nèi)的兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的延時(shí)時(shí)間分別為100 ms 和1 000 ms,當(dāng)運(yùn)放U4 組成施密特觸發(fā)器發(fā)出地震報(bào)警高電平,輸入到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A1,引腳Q1 輸出高電平,延遲100 ms,此時(shí)由于引腳Q2 保持低電平,邏輯門U6、U7 輸出為邏輯0,地震報(bào)警輸出被屏蔽；100 ms 時(shí)間結(jié)束后,引腳Q1 輸出低電平,下跳沿觸發(fā)引腳Q2 輸出高電平,如果此時(shí)運(yùn)放U4 輸出依然為高電平,表明是真實(shí)的地震報(bào)警,將由U7 輸出地震報(bào)警高電平,并持續(xù)保持1 s。

3 系統(tǒng)調(diào)試

采用數(shù)字信號(hào)發(fā)生器對(duì)本系統(tǒng)各電路模塊進(jìn)行分段測(cè)試。分別向系統(tǒng)X、Y、Z三個(gè)信號(hào)接口輸入正弦電壓信號(hào),并使用數(shù)字示波器查看系統(tǒng)電路中的濾波與信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊輸出的信號(hào),檢測(cè)到圖5 所示的電壓信號(hào),從示波器截圖可看出,系統(tǒng)濾波模塊在2 Hz～9 Hz 內(nèi)響應(yīng)平坦,對(duì)頻帶外信號(hào)具備較強(qiáng)的濾波抑制性能,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的1 Hz～10 Hz 頻率響應(yīng)要求。

圖5 信號(hào)轉(zhuǎn)換與濾波電路輸出(示波器屏幕畫面拷貝)

分別向系統(tǒng)X、Y、Z三個(gè)信號(hào)接口輸入峰值為4 V、頻率為5 Hz 的正弦電壓信號(hào),經(jīng)模擬乘法器運(yùn)算和加法器對(duì)計(jì)算結(jié)果求和后,使用數(shù)字示波器觀察信號(hào)輸出口,檢測(cè)到圖6 所示的波形圖,峰值幅度為4 V,從示波器截圖中可看出,信號(hào)波形滿足式(5)的幅度放大倍數(shù)關(guān)系和倍頻關(guān)系,與理論計(jì)算結(jié)果相符。

圖6 信號(hào)輸入與輸出波形對(duì)比圖(示波器屏幕畫面拷貝)

向傳感器水平軸向X、Y軸分別輸入不同幅度、不同頻率的正弦信號(hào),測(cè)試報(bào)警判別的準(zhǔn)確性。測(cè)試結(jié)果如圖7 所示,圖中虛線為4 V 報(bào)警閾值(對(duì)應(yīng)0.2 gn)的理論計(jì)算值,實(shí)線為實(shí)際測(cè)量值,在2 Hz～9Hz 內(nèi)誤差范圍內(nèi),最大誤差為4.9%(均方根誤差),小于參考文獻(xiàn)[7]規(guī)定的地震儀表最大準(zhǔn)則誤差5%,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 報(bào)警閾值測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,制作了模擬件樣機(jī),依照“NB/T 20344”、“EJ/T1197”等核級(jí)電子設(shè)備鑒定規(guī)程,系統(tǒng)必須通過相關(guān)測(cè)試與試驗(yàn),才能取得核級(jí)認(rèn)證和核電應(yīng)用準(zhǔn)入證,其中的三個(gè)關(guān)鍵試驗(yàn)為電磁兼容、高低溫環(huán)境耐受性試驗(yàn)和抗震試驗(yàn)。系統(tǒng)樣機(jī)在蘇州電器科學(xué)研究院進(jìn)行了上述三個(gè)試驗(yàn),測(cè)試流程嚴(yán)格依照規(guī)范進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,系統(tǒng)電磁兼容性能達(dá)到了GB/T17626 系列規(guī)范規(guī)定的使用要求[15],具有很強(qiáng)的工業(yè)環(huán)境EMC 抗干擾能力,測(cè)試結(jié)果參見圖8,高低溫環(huán)境耐受性能達(dá)到了GB/T2423 系列規(guī)范規(guī)定的溫度使用范圍要求,其他各項(xiàng)功能與性能指標(biāo)達(dá)到了核安全級(jí)設(shè)備的規(guī)定要求。

圖8 EMC 鑒定試驗(yàn)(EMI)

4 結(jié)論

采用純硬件方式實(shí)現(xiàn)了核電站地震自動(dòng)停堆報(bào)警,并通過水平矢量和報(bào)警方式解決了單軸向報(bào)警閾值設(shè)定的誤差問題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,依照“GB/T 12727 核電廠安全級(jí)電氣設(shè)備鑒定”和相關(guān)規(guī)范執(zhí)行核級(jí)設(shè)備取證流程,并在蘇州電氣科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了電磁兼容、高低溫與抗震試驗(yàn)流程,設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)滿足核安全級(jí)設(shè)備的參數(shù)要求,即將在我國霞浦核電站進(jìn)行應(yīng)用。