压水堆核电站CRDM故障诊断研究与实践

昌正科 董治国 常乐莉

(中核核电运行管理有限公司1，浙江 海盐 314300;中国核电工程有限公司2，北京 100840)

0 引言

控制棒驱动机构(control rod drive mechanism，CRDM)是控制棒的驱动装置。它是核反应堆压力容器内唯一的可动部件，如果出现故障或性能退化将导致卡棒、滑棒事故，严重影响机组可用性［1－3］。控制棒驱动机构动作故障的原因可分为两个方面。一方面是驱动机构电气控制设备故障导致线圈电流波形异常，这可以通过监视线圈电流大小、纹波、过渡过程来确认。另一方面是驱动机构机械部件磨损或故障导致机构动作不正常，这种故障可以通过检查线圈电流波形上的动作点发现，也可在动作故障积累到一定程度导致控制棒位置故障后，通过监视控制棒位置发现。

国内核电站普遍没有对驱动机构机械故障所导致的动作点故障或丧失动作点的情形进行监视，而是在故障不断累计，使控制棒实际位置与给定位置之间产生较大的偏差后，由棒位测量设备诊断出来［3］。在棒位测量设备监测到故障以前，这些故障很可能使驱动机构、驱动轴受到损坏，或者造成棒束掉落，进而引起停堆事件，给核电机组安全经济运行造成较大的影响。

通过对驱动机构线圈电流波形特征进行分析判断，可以综合判断驱动机构及其电流控制装置的故障情况，弥补原有设备在监测和故障诊断方面的不足。

1 CRDM故障诊断方法概述

1.1 驱动机构动作原理

每台CRDM装置包括提升、传递、保持线圈各一个，线圈和磁轭构成电磁铁;衔铁、勾爪受这3个磁铁的控制，线圈通电时衔铁上升、勾爪啮合。3个线圈按一定时序通电/断电，带动两副勾爪抓入/退出驱动轴齿槽，从而带动控制棒提升/插入。线圈通电时，勾爪插入驱动轴环形槽，使控制棒驱动轴保持不动;线圈失电时勾爪从驱动轴环形槽退出［5－7］。

提升线圈控制提升衔铁，线圈通电时，提升衔铁使整个传递勾爪组件向上移动一步;断电时，传递勾爪组件在重力作用下下降一步，如果传递勾爪带有控制棒，则控制棒一同下降一步。

驱动机构动作所需要的线圈通电时序由电源柜产生。受线圈电流过渡时间限制，控制棒移动的最大速度为72步/min，对应提升、插入时序周期833 ms。为使衔铁吸合时间正常，提升、传递、保持3种线圈的电流定值分别为40 A、8 A、8 A，衔铁吸合后保持在吸合位置需要的电流不大;为了限制长期连续运行时提升线圈的温度，提升衔铁吸合后将提升线圈电流降到16 A;为了限制控制棒长期不动时保持线圈的温度，驱动机构动作时序完成后将保持线圈电流降到4.7 A。线圈电流故障后需触发双重保持，同时给保持、传递线圈通以8 A大电流，再持续通以4.7 A的小电流，防止这两个线圈过热。

棒束移动一步需要7个机械动作点，正常提升时7个动作依次为:①传递勾爪抓入;②保持勾爪退出;③负荷传递(从保持勾爪落到传递勾爪);④提升衔铁吸合(传递勾爪带棒上升);⑤保持勾爪抓入;⑥传递勾爪退出;⑦提升衔铁释放(传递勾爪不带棒下降)。

正常插入时7个动作依次为:①提升衔铁吸合(传递勾爪不带棒上升);②传递勾爪抓入;③保持勾爪退出;④负荷传递(从保持勾爪落到传递勾爪);⑤提升衔铁释放(传递勾爪带棒下降);⑥保持勾爪抓入;⑦传递勾爪退出。

驱动机构各动作点动作时间典型值如表1所示。

表1 驱动机构动作时间典型值Tab.1 Typical values of the action times of drive mechanism

1.2 CRDM 故障分析

CRDM动作故障模式可以分为以下几种。

①电流大小故障:指CRDM电流控制回路故障导致输出电流与设定值有偏差。电流太大可能使线圈过热，电流太小可能使衔铁无法动作。监视电流大小必须结合通电指令时序进行，通电指令发出一定时间后，检查输出电流是否达到要求值，允许偏差±5%［1］。

社团招新方式及活动策划单一，院校间交流较少，需多组织外出活动，打破封闭的社团模式；新组建社团由于经验不足等问题，宣传力度不够，例如，在调查中学生反馈希望新增动漫社、古风社等社团，但在其院校中已组建，同时，由于鲜有人知此类社团已存在，因此，组建过程因人力等原因，常维持不久；社团活动的宣传不够到位，加强、重视宣传，让学生更懂得加入社团的意义。

②电流过渡过程太长:指电流上升沿、下降沿过于平缓，后果是衔铁动作点滞后，严重时使勾爪负荷传递出现问题，发生拉扯现象或滑棒现象，划伤驱动轴［2］。

③无动作点:CRDM衔铁上升、磁隙闭合时，电感瞬时增大，使输出电流短时间下降，表现在线圈电流波形上是电流上升到一定程度后出现一个凹坑。如监视到电流上升段无凹坑，则可确认相应勾爪未动作。

④电流振荡:为加快CRDM电流过渡过程，每个线圈都有一个带输出反馈的闭环电流调节回路。若调节回路参数不合适，将使输出电流产生振荡，使CRDM动作点出现混乱。

⑤输出电流纹波大:输出电流纹波大可能意味着调节回路出现了振荡或者三相半波整流中某一相出现了故障，其后果是动作点混乱，或是输出电流达不到目标值，甚至出现滑棒事故。

⑥动作点衔接有问题:移动一步需要7个动作，这需要保持勾爪、传递勾爪、提升衔铁之间相互衔接，密切配合，稍有差错即可能出现拉扯、掉棒或升降失灵问题。对动作点衔接情况进行监视，最好采用振动探头监测CRDM动作时的声音曲线进行诊断。但一般振动探头不耐辐照，调试时使用的振动探头在正常运行期间已拆除，无法用于在线监视，动作点只能通过线圈电流波形变相进行检查。

2 系统平台选择

若要实现集中处理和在线故障诊断，在选择硬件时需要考虑运算速度和数据存储容量两个问题。

CRDM线圈电流为50 Hz的交流电源经三相半波整流形成，纹波频率为150 Hz。为正确判断失相、电流纹波太大等故障情况，采样周期小于1 ms较好，最好能小于0.5 ms，相应采样频率为2 000 Hz。

根据以上数据处理要求可知，即使现有高性能PLC设备也难以满足以上要求。因此，经过多方调研，选用美国国家仪器公司(以下简称NI)提供的虚拟仪器技术，开发平台为LabVIEW。系统硬件为PXI架构8 槽标准机箱［4］。

3 软件算法流程

软件处理流程包括:①数据采集;②数字滤波;③求取极值点，对波形进行折线化处理;④分提升、传递、保持3种情况识别波形特征点，检查电流大小及波动幅度;⑤步序、动作时间判别及故障诊断;⑥对一个子组4个棒束动作的一致性进行比较，完成子组波形的单步分析;⑦对一个子组的多个波形进行连续处理;⑧采集波形显示、有效数据存储、动作记录存储。

3.1 数据滤波和波形处理

对控制棒驱动机构动作情况的判断，是基于衔铁磁隙闭合、分开过程对驱动机构电流造成的影响，这种影响持续时间通常为40 ms以上，相应电流波形是一种带150 Hz纹波的平滑曲线。晶体管导通、关断、相序切换对交流电源电压造成的瞬时影响，或者采样过程中的其他高频干扰均可导致采样波形中存在阶跃型的奇异点。如果采用一般基于延时平均的低通滤波算法进行滤波，动作点判别所需要的纹波特征会被一并滤除，所以需要采用特殊的奇异点滤除算法。滤除算法如下。

根据某一点与其前后几点的关系进行处理，判断为异常值时，以预测值替代当前值。设c点为待处理点，a、b为其前面连续2 点，d、e、f为其后面连续 3 点，根据c与其前后几点的大小关系判断其是否异常。如果 min{|c－b|、|c－d|}＞2max{|a－b|、|b－d|、|de|}，则称“c偏离 a、b、d、e”。预测值分以下 3 种情况:若|a－b|＞ |b－d|，则预测值为(b+d)/2;否则当波形上升时预测值为b+(b－a)/2，下降时预测值为b+(b－a)(因为上升幅度总是逐渐减小，而下降幅度总是逐渐增大)。

完成滤波处理后，搜索一维标量数组中的局部极大极小点，消除因毛刺产生的非正常端点，去除较宽噪声形成的单峰。

3.2 波形特征辨识

分提升、传递、保持3种情况对波形特征进行辨识，检查电流大小及波动幅度。设定触发各状态转换的判据，这些判据是保证良好的波形辨识效果的关键。线圈电流波形特征辩识状态机如图1所示。

图1 线圈电流波形特征辨识状态机Fig.1 Feature identification of the coil current waveform

提升线圈电流波形状态分为:①初始状态;②零电流平台;③上升0→40 A;④吸合平台;⑤大电流平台;⑥下降40 A→16 A;⑦小电流平台;⑧下降16 A→0;⑨终止。求取提升起点、提升吸合起点、提升吸合动作点、提升大平台终点、提升小平台起点、提升小平台终点、提升终点7个动作点。提升线圈电流波形特征辨识状态机如图1(a)所示。

传递线圈电流波形状态分为:①初始状态;②零电流平台;③上升0→8 A;④吸合前下降;⑤吸合后上升;⑥大电流平台;⑦下降8 A→4 A;⑧小电流平台;⑨下降4 A→0;⑩终止。求取传递起点、传递吸合起点、传递吸合动作点、传递大平台起点、传递大平台终点、传递小平台起点、传递小平台终点、传递终点8个动作点。传递线圈电流波形特征辨识状态机如图1(b)所示。

保持线圈电流波形状态分为:①初始状态;②小电流保持;③上升4 A→8 A;④大电流保持;⑤下降8 A→0;⑥零电流平台;⑦上升0→8 A;⑧吸合前下降;⑨吸合后上升;⑩大电流平台;○11下降8 A→4 A;○12终止。求取保持起点、保持前平台起点、保持前平台终点、保持释放归零点、保持重吸合起点、保持动作起点、保持吸合动作点、保持大平台起点、保持大平台终点、保持终点10个动作点。保持线圈电流波形特征辩识状态机如图1(c)所示。

3.3 步序及动作时间判别

对一个棒束的提升、传递、保持这3个线圈电流波形进行分析处理，形成动作点数组;判断是否为正常步序;判断动作点与标准动作点的差异是否在正常范围内，各动作点前后关系是否满足要求。

动作点数组包含30个数据，其中7个提升动作点、6个传递动作点、10个保持动作点、5个动作时间数据、2个有效数据起止点信息。

在单棒束动作时间判别的基础上，对子组内4个棒束动作的一致性进行比较。动作点一致性比较设置了偏差大、偏差严重两种阈值。

3.4 波形显示及结果存储

系统显示原始波形及处理后的波形，以表格形式显示步循环的动作时间信息;如波形异常或包含有效动作，则保存波形，并将动作信息、动作时间存入数据库中，在监视画面中显示异常或故障信息。

利用消息传递机制实现9个子组并行采集处理，对故障、异常或包含有效动作的波形进行保存、显示。

采集所得波形和产生的动作信息、动作时间及故障记录信息，通过消息传递机制发送到总线上，同时进行实时显示，并将动作时间信息、故障记录信息存入数据库。

系统将所有波形特征信息在线存储到数据库中。用户可根据机组号、子组、棒束、特征、记录时间、动作时间等各种信息进行组合查找，比较、分析各CRDM动作时间差异及动作时间变化趋势。数据经长期积累后可进行长周期趋势分析。

4 系统应用情况

系统已在秦山二期4个机组上应用多年。第一套设备于2006年6月11日起安装在秦山二期2号机上，在6月19日捕捉到1次波形异常，当时触发了硬件报警，其后连续多次捕捉到异常波形，但硬件报警电路未报出故障。根据这一情况，几天后更换了故障机箱。事后分析确认故障是因机箱中C相晶体管上并联的阻容电路中电容失效断路产生的。这属于元器件完全失效导致的故障，在硬件电路中只触发了一次报警。对于元器件性能退化的情形，硬件电路更难发现故障，即使发现了，但事后检查时可能故障现象已经消失，无法定位故障。这种情况可充分体现在线监测设备的优势:能尽早发现问题，完全保留故障现场，以方便故障精确定位。

5 结束语

本文所设计的系统监测功能全面，数据处理迅速，特征点辨识准确，能够在机构性能退化早期和控制设备电子元器件老化变性的早期发现故障苗头和偶发故障，便于对CRDM性能变化进行长期趋势分析。同时，该系统易于安装;采用霍尔传感器进行电流采集，抗干扰能力强;与在线系统设备没有电气连接，已建成电厂增设CRDM在线监测设备不会影响其现有设备运行。

经测试、验证和多年的现场应用情况表明，该系统采用的技术方案是可行的，可以普遍用于国内各压水堆机组CRDM在线监测及故障诊断。

［1］左文，闫玉辉.秦山核电二期工程棒控棒位系统设计［J］.核动力工程，2003，24(2):146 －149.

［2］李红鹰，许川.秦山核电二期工程控制棒驱动机构国产化研制［J］.核动力工程，2003，24(2):143 －145.

［3］昌正科，邵定宏.压水堆控制棒位置故障诊断技术及其软件实现［R］.中国核科技报告，2004(1):206－220.

［4］杨乐平，李海涛，杨磊.LabVIEW程序设计与应用［M］.2版.北京:电子工业出版社，2005.

［5］朱齐荣，朱京昌.控制棒驱动机构的电磁设计计算［J］.核动力工程，1991，12(3):35 －40.

［6］王赤虎，姚伟达，谢永诚，等.控制棒驱动机构电磁场分析［J］.噪声与振动控制，2009，29(6):80 －84.

［7］沈小要.控制棒驱动机构动态提升特性研究［J］.核动力工程，2012，33(1):51－55.