核电厂主泵转速测量现状分析及可靠性改进

潘卫华（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）



核电厂主泵转速测量现状分析及可靠性改进

潘卫华
（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

摘要：核电厂主泵转速前置器（简称前置器）是监测主泵转速的关键设备。核电厂运行20多年间出现数次由前置器自身问题引起的主泵转速测量故障，其根本原因是元器件质量问题和电路设计不够合理。为彻底解决转速测量异常问题，采用前置器1E级开发的改进性方案。新产品在电路开发方面进行了全面改进，在结构设计方面进行了局部优化，具有精度高、性能稳定、抗干扰能力强等特点，在现场进行实际运用后状态良好，提高了核电厂运行的安全性和可靠性。

关键词：主泵转速；前置器；可靠性

CLC number： TM623 Article character： A Article ID： 1674-1617（2016）01-0031-06

主泵转速信号是反应堆冷却剂流量保护信号之一，其前置器是主泵转速监测系统的关键设备。该设备安装在主泵电机围板上，其环境相对较为恶劣，负责接收传感器送来的频率信号，经处理后输出标准的4～20 mA DC信号至反应堆保护系统，当主泵转速下降至额定值的89%（额定转速1 488 r/min，电流16.8 mA），3取2逻辑满足时触发事故保护停堆信号。

1 问题描述

核电厂运行20多年来曾出现数次由前置器自身问题引起的主泵转速测量故障，典型问题如下：

1）2007年3月出现两次主泵A-3测量通道转速低报警，前置器输出电流最低至14 mA，5 s后恢复正常。

2）2013年4月26日更换的备件在使用1天后输出电流降至11 mA，后降为0 mA；同时大量发热，外壳温度较高。

主泵转速测量异常经过处理与事后分析，排除了测速传感器、信号处理组件的问题，故障定位为前置器的缺陷。

2 工作原理

2.1 测速原理

利用在电机轴上安装的30齿测速齿轮作为测量标记，当齿轮转过磁电式脉冲传感器的表面时，相当于传感器与被测面之间距离突变，传感器便产生一个脉冲信号，通过对单位时间内脉冲的计数便可测得转速，如图1所示。如果每秒计数为N，测速齿轮的齿数为K，则转速按下式计算：

传感器的输出信号为0～930 Hz，根据上式计算得出转速监测范围0～1 860 r/min。

2.2 前置器电路原理

前置器主要由波形转换电路、整形电路、隔离电路、RC微分电路、F/V电路、放大电路、V/I电路、供电电路构成，各电路模块主要功能简述如下：

（1）波形转换电路

将磁电传感器送来的主泵转速信号转换成方波信号。

图1 转速通道测量原理框图Fig.1 Rotate speed channel measuring principle

（2）整形电路

将波形转换电路送来的不规整方波通过施密特整形电路转换为与输入信号频率一致的规整方波。

（3）隔离电路

该模块首先通过反相电路将整形方波信号取反，之后通过光电隔离电路实现电气隔离，输出的隔离方波信号与输入的整形方波信号频率和波形完全一致。

（4）RC微分电路

该模块将输入的隔离方波信号通过RC微分电路转换成频率一致的脉冲波信号，作为F/V电路的频率输入信号。

（5）F/V电路

该模块以LM331（U3）频率/电压转换芯片为核心，将输入的0～930 Hz脉冲波信号经过计算转换成对应的0～0.95 V DC电压输出。

（6）放大电路

将F/V电路输入的电压信号进行放大（放大倍数为14），放大后的信号传送给V/I电路。

（7）V/I电路

将代表主泵转速的0～13.3 V DC电压信号转换成对应的4～20 mA电流信号。

（8）供电电路

将输入的AC220V转换为DC12V和DC18V，为前置器各电路模块提供低压供电。如图2所示。

图2 供电电路Fig.2 Power supply circuit

3 失效分析

结合前置器电路工作原理，通过对上述两种典型故障进行分析，结论如下：

3.1 故障1

现象：电流短暂下降，5 s后恢复正常。

分析：F/V电路LM331或V/I电路LM258输出电压短暂下降。

结论：LM331或LM258受到干扰或自身性能不稳定。

3.2 故障2

现象：短暂使用后电流逐渐降为零且大量发热。

分析：在18 V供电电路中电容C11（见图2）性能下降，输出电压减小，电流下降，当C11击穿时引起18 V电源短路，输出电流降为零，且板件大量发热。

结论：电容C11性能逐渐下降，最终造成短路。

4 存在不足

通过对前置器故障分析，参照最新标准要求，发现其存在以下不足：

（1）元器件选型不合理：1）影响电路精度和稳定性的关键参数如工作温度范围取值偏小，温漂指标大。2）关键的 F/V和V/I电路的集成芯片及电阻电容等级较低。3）电路中的关键电容使用了易短路的钽电解电容。

（2）电路设计不够合理：1）电路中使用较多的分立元件，任何一个元器件故障导致前置器性能下降。2）F/V电路自身特性受温度变化影响较大，V/I电路自身不带温度补偿。

（3）结构设计不合理：前置器保护盒无IP防护等级，器件布局不合理。

5 前置器可靠性改进措施

根据前置器电路原理和失效原因的分析，新开发的前置器从器件选型、电路设计、结构设计等各个方面进行了全面改进，并经过科学合理的鉴定试验验证，消除原产品存在的不足。结合事故树分析（FAT）结论（见图3）和目前设备存在不足的现状，采用研发1E级新产品的针对性改进措施。

5.1.1 器件选型

图3 失效因素示意图Fig.3 Failure cause

原设计中所选择的器件多为商业级器件（0 ～70 ℃），且在关键器件的选择上也未对温漂等重要指标进行充分考虑；新设计中所选择的器件绝大部分为军级器件（-55～125 ℃），对输出精度有重要影响的关键器件均具有较好的温漂指标。以电阻R16为例（见图4），该器件需要在F/ V电路中参与计算，属于关键器件，新设计中选择的是军级产品，将温漂指标由±150 ppm/℃提高至±25 ppm/℃。避免原设计中由于器件自身性能不稳定造成前置器输出异常的情况。

5.1.2 电路设计

（1）F/V电路改进

新设计的F/V电路经过严格的分析计算，选取合适的电阻和电容参数，可以将输入的0～930 Hz频率信号转换为对应的0～5 V信号。如图4所示，该模块以LM231A（U3）频率/电压转换芯片为核心，工作原理如下：

其中：Vout——输出电压：

fin——输入脉冲波频率；

RL——R14；

RS——R15+CW3；

Rt——R16；

Ct——C16。

通过调节电位器CW3，可以保证F/V电路在输入脉冲波频率为0～930 Hz时，对应输出0～5 VDC电压信号，实现频率和电压之间的等效转换；此外，在进行器件选型时，电阻R14-R16、电位器CW3、电容C16均需选择低温漂型号，降低实际工作中温漂对电路输出精度的影响，保证前置器的整体输出精度满足要求。

图4 F/V电路Fig.4 F/V circuit

（2）放大电路改进

新电路将转换后的0～5 V电压信号不需要进行幅值放大，信号经电压跟随电路的缓冲和隔离后送V/I电路，该设计简化了信号处理过程，同时减少了对输出精度有影响的环节。如图5所示，该模块以电压跟随器为核心，具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点，可以在前后级之间实现良好的阻抗匹配；此外，该模块还具有提高前级电路驱动能力的作用。

（3）V/I电路改进

新设计在V/I模块的开发过程中进行了全面改进。1）原设计中的V/I电路主要由分立器件构成，电路输出精度受各个器件性能变化影响很大，如电阻R20、R21，电位器W1等器件对“满量程”设定值有重要影响；电阻R22、R23、稳压管D5，电位器W2器件对“零点”设定值有重要影响；一旦温度发生变化，以上器件的性能会发生较大变化，对前置器的“满量程”设定值和“零点”设定值产生不利影响，进而降低前置器的输出精度；2）此外，由于不具备温度自补偿功能，温度变化后，由LM258及电阻R24、R25等器件组成的转换电路对前置器的输出精度也会产生不利影响，影响输出精度。

图5 电压跟随电路Fig.5 Voltage following circuit

与原设计相比，新设计以XTR110AG为核心，如图6所示。将跟随器输入的电压信号转换为对应的4～20 mA电流信号。通过调节电位器CW1，可以对V/I电路输出零点（本电路中输出零点为4 mA）进行调节，保证输出零点符合要求；另外，通过电位器CW2，可以对输出电流的线性度进行调节，保证输出电流具有良好的线性关系；该电路不仅具有良好的可靠性和输出精度，而且自身具有温度补偿功能，可以降低温度变化对输出精度的影响，保证了V/I电路在前置器的整个工作温度范围内都具有很高的输出精度，大大提高了前置器的整体性能。

（4）改进效果

图6 V/I电路Fig.6 V/I circuit

与原设计相比，改进后的前置器输出精度受环境温度变化影响较小，在整个工作温度范围内精度更高，稳定性更好等特点。

5.1.3 结构设计

新设计对前置器中的器件布局进行了调整和优化，将重量较大的变压器安装在了前置器靠近固定点的位置，这种布局大大提高了前置器安装后的抗震能力。结合设计建议和现场实际使用情况，将保护盒防护等级提升为IP55，可以为前置器提供良好的防水、防尘保护。

5.2 关键性技术参数改进

在优化元器件选型和电路设计改进的基础上，为进一步完善前置器性能，满足目前最新标准要求，在前置器开发过程中，对影响前置器性能的一些关键性参数进行了有效改进。

5.2.1 电磁兼容

原设计中并未对前置器的电磁兼容问题进行充分考虑，也没有依据相关标准对设备进行全面的电磁兼容试验。

在开发过程中，首先依据相关标准（如IEC61000等）中的规定和要求，选取并确定了前置器需要进行的电磁兼容试验项目（浪涌抗扰度等八项试验）。之后对所选择的试验项目，进行有针对性的设计开发，在供电电路中增加压敏电阻进行抗浪涌保护，在结构上采用全封闭金属设计。通过改进大大提高了设备在现场复杂环境条件下长期运行的安全性和可靠性。

5.2.2 辐照

抗辐照性能是1E级前置器的一项关键技术指标。根据以往测量数据，前置器安装位置处的辐照剂量率约为8 mSv/h，属于辐照环境；但原设计中并未对前置器的抗辐照性能进行充分考虑，也没有依据相关标准对设备进行辐照试验，导致前置器在现场较强的辐照环境中长期运行存在着较大的安全风险。

新开发的前置器结构件和保护壳均采用全封闭结构和加厚的不锈钢材质，相比以前的铝质材料耐辐照能力加强。试验方案由项目组聘请相关专家召开专题会议，经过认真讨论确定：以15 mSv/h剂量率按照5年寿命折算出累计剂量，增加15%裕量作为辐照试验的累积剂量值756Gy。通过多次摸底试验，很好地解决了前置器抗辐照问题。

5.2.3 抗震

作为安全级设备，前置器需要具备良好的抗震性能，但原鉴定大纲中所进行的抗震试验存在明显缺陷，不能对设备的抗震性能进行全面验证。

新开发的前置器通过改变结构件和保护壳的设计、电路板的固定方式及变压器的位置，采用多频试验中的时程曲线方法，根据反应堆厂房内部结构12 m层楼面反应谱（SSE），阻尼取4%，水平X、Y方向的峰值加速度为2g，垂直Z方向的峰值加速度为0.5g进行试验，确保新开发的前置器具有良好的抗地震性能。

6 结束语

新产品具有输出稳定、精度高、抗干扰能力强等特点。在现场进行实际运用后，运行状态良好，有效降低了因主泵转速测量故障而引起的电站非计划性停堆事件，提高了核电厂运行的安全性和可靠性。

参考文献：

［1］ 主泵转速前置器技术规格书［R］. 上海核工程研究设计院，2014，1.（Technical Specifications of Reactor Coolant Pump Speed Converter［R］. Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute， 2014，1.）

［2］ 主泵转速前置器鉴定大纲［R］. 中科华北京分院，2014，2.（Identification Program for Reactor Coolant Pump Speed Converter［R］. Zhong Ke Hua Beijing Branch， 2014，2.）

［3］ 秦山310 MW核电机组基础理论教材表与控制［R］. 秦山核电公司，2008，1. （Basic Theory of Qinshan 310 MW Nuclear Power Plants—Instrumentation and Control［R］. Qinshan Nuclear Power Corporation，2008，1.）

［4］ 核电站冷却剂泵转速检测装置预老化试验大纲［R］.上海自动化仪表股份有限速表厂，1998，4.（ Preaging Test Program for Nuclear Power Plant Coolant Pump Speed Test Device［R］. Shanghai Automatization Instrument Stock Limited Speed Instrument Factory，1998，4.）

The Current Status Analysis and Reliability Improvement of Reactor Coolant Pump Speed Measurement

PAN Wei-hua
（CNNP Nuclear Power Operations Management Co.， Ltd.，Haiyan of Zhejiang Prov. 314300， China）

Abstract：Reactor coolant pump speed converter（referred to as the converter）is the key equipment of monitor reactor coolant pump speed. During the twenty years of power plant operation， there were several reactor coolant pump speed measuring failures caused by the converter itself. It points out that the root cause of failure is component quality and unreasonable circuit design. To thoroughly solve the problem of speed measurement anomaly， the writer decided to employ improvement resolution of 1E development. The new product has been carried out comprehensive improvement in the circuit development. Besides， local optimization has been performed in the structure design. The newly developed 1E converter has the characteristics of high precision， stable performance and strong ability of anti-interference. After being applied in the field， it showed good condition， and improved the security and reliability of the power plant operation.

Key words：reactor coolant pump speed； converter； reliability

中图分类号：TM623

文献标志码：A

文章编号：1674-1617（2016）01-0031-06

收稿日期：2015-11-20

作者简介：潘卫华（1974—），男，浙江海盐人，高级工程师，现从事核电仪控设备管理工作。