核电站爆破阀点火器设计

曹新民 秦裕强

摘 要：本文设计了一款通过人力手摇发电的核电站爆破阀点火器。首先介绍了该点火器的功能要求，然后详细分析了系统电路设计，最后对实物样机进行验证。验证结果表明，各项测试参数均符合设计要求。

关键词：爆破阀点火器;手摇发电;自愈式电容

中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）34-0047-03

Design of the Igniter for the Squib Valve of Nuclear Power Station

CAO Xinmin QIN Yuqiang

（State Nuclear Power Automation System Engineering Company，Shanghai 200245）

Abstract： In this paper， a kind of igniter of explosion valve in nuclear power plant was designed. Firstly， the functional requirements of the ignitor were introduced， then the circuit design of the system was analyzed in detail， and finally the prototype was verified. The verification results show that all the test parameters meet the design requirements.

Keywords： squib valve igniter;manual power generation;self-healing capacitor

1 研究背景

爆破阀是AP1000三代核电站非能动设计的关键设备之一，其通过点燃阀门药桶内的火药以驱动阀门快速打开，从而保证事故工况下非能动堆芯冷却系统可靠运行。这种阀的阀体动作本身是通过火药爆炸能量驱动的，因此在缺乏厂外电源的情况下仍能被可靠驱动。点燃爆破阀药筒内的火药目前设置了两种方式：一种是通过爆破阀控制器，由控制信号的转换得到高能短时的大电流引爆火药;另一种是通过爆破阀点火器，爆破阀点火器是一种人力手摇发电装置，由人力手摇曲柄将机械能转换为电能，最终输出短时强脉冲电流，从而点燃爆破阀药桶内的火药[1]。

在工业控制领域，尤其是核电站的设备控制中，需要稳定可靠的直流电输出驱动现场设备。为了保证电流的可靠性和稳定性，常常通过设置多层次、多冗余的电源来实现。目前，在核电站内，除了配置UPS电池进行后备供电外，还需要配置人力手摇发电装置进行多样化的后备供电。用于核电站作为爆破阀点火器的传统的人力手摇发电装置存在诸多缺点，如可靠性低、无法提供短时强脉冲电流、输出稳定性差等。由此，本文设计了一款新的核电站爆破阀点火器。

2 设计过程

2.1 功能要求

由人力手摇发电的爆破阀点火器，需要在规定时间内由人力摇动手摇曲柄进行充电，并通过电容器进行储能，最后实现可控输出。功能要求主要包括以下几方面。

2.1.1 发电。手摇发电机输出接变压器组，经二极管整流器将交流电转换为直流电。在开始摇动手摇充电曲柄后15s的时间内，四个储能电容器应被充电到DC220V。

2.1.2 储能。储能电路需要进行冗余配置，当失去任一个电机绕组、一个变压器、一组二极管或一组电容器时，爆破阀点火器仍能执行其功能。储能电容采用金属化聚丙烯薄膜电容器。金属化薄膜电容器耐击穿，且被击穿后，能形成新的绝缘层继续使用，具有自恢复能力及长期高可靠性。

2.1.3 输出。在接收到点火指令后，需要向最终负载输出短时脉冲高能电流。输出保持恒流模式，输出电流控制在约6A。当充满电输出后，该脉冲输出电流应能在4Ω的输出负载上持续至少20ms[2]。

2.1.4 自身供电。将储能电容器中的高压电转换为低压供控制电路板使用。一旦充满电，可以持续供电至少50s。电路不依靠任何外部电源或电池供电。

2.1.5 按钮与指示。提供“启动按钮”“测试按钮”和“点火按钮”，以控制对爆破阀点火器的启动、测试和最终点火输出。同时，还需要在醒目的位置设置指示灯，以指示充电电量和测试通断情况。

2.1.6 结构要求。该爆破阀点火器应便于安装、维护和移动，重量要控制在5kg以内，应设置有保护性外壳，电路板和重要电子器件都装在该保护性外壳内，能适应核电站内的温湿度环境和电磁环境，提供抗震加固措施。

2.2 系统电路设计

爆破阀点火器实质上是一个采用电容器组进行储能的脉冲电路输出系统。爆破阀点火器主要由手摇发电模块、变压电路、整流电路、电容储能电路和恒流输出电路等组成，配以按钮和指示灯进行控制和指示（见图1）。

通过手摇曲柄摇动产生电能的手摇发电模块是整个系统的功率源，需要通过变压电路和整流电路输出220V直流电送入电容储能电路进行储能，其中的变压电路、整流电路和电容储能电路都进行了冗余配置，以保证单一故障下仍能正常工作。同时，为了匹配手摇发电模块输入的功率，充电过程中，根据反馈电压信号实时控制对电容的充电，防止过充。

电容储能电路是把从手摇发电模块获得的能量存储一定时间，这个时间不会预先设定，取决于系统输出要求和实际的电路测试调整[3]。电容充电时间由手摇发电模块和使用的储能电容性能决定。整个系统对电容储能的要求很高，不僅需要高耐压强度、高储能能量密度、高充电与放电效率，还需要低能量泄露，能重复使用并具有较长的使用寿命。

恒流输出电路是将存储的能量转化为电流脉冲，经过半导体快速开关器件传递给最终负载。之所以选用半导体开关器件，主要考虑了其正向阻断电压高，通过电流能力强，导通时间快，适宜长期重复使用。开关频率选型参数可达100MHz，实际输出根据负载变化自行调整开关频率，有效保证了瞬态放电的恒流效果。

整个电路系统还包括关键的开关保护、多余能量放电保护及其他辅助功能电路控制，如指示灯状态指示、按钮控制、负载测试功能等。

爆破阀点火器电路设计的关键技术问题是：手摇发电模块的功率能效、自愈式电容的短时储能、脉冲恒流输出波形的可控性及逻辑控制和快速开关技术。

同时，在整个电路系统设计中，还需要防止放电过程电路对电容反向充电，增加适当的回路电感、电阻设计，做好浪涌电压和浪涌电流对放电回路的影响，以确保能顺利通过纳秒级的快速开关将所存储的电能在短时间释放到最终负载上。

2.3 充放电计算与分析

电容器利用电场储能，其所储能量与电容值[C]和充电电压[U]成正相关性，但通常又要限制电容器组的充电电压，使其低于额定电压，这样才能保证电容的使用寿命。

采用电压恒压充电对小容量电容器组比较实用。对于大容量电容器组，采用恒压充电会导致充电时间过长。因此，设计先选用恒压充电测试，不能满足要求应采用恒流充电，尽量缩短充电时间，达到15s内能完成充电的设计要求。设计时可以考虑采用双边充电回路，在相同的输出电压下，级数[N]可以减少一半，充电的不均匀、充电时间都可以得到显著改善，前提是必须考虑增加每一路开关控制的一致性。

电容器组放电电路为R-L-C串联电路，电路方程为：

[Ri+Ldidt+1Cdidt=u0]                  （1）

微分计算得到：

[L（didt）2+Rdidt+iC=0]                   （2）

因此，无论放电电流是周期性的还是非周期性，脉冲电流的幅值[i]都与电容器组储能[W]和电感量[L]相关。要调整增大电流，应增大电容、电压，减少电感。同时，减少放电回路的电感和电阻，有利于实施电容器组保护。

根据电路中[R]、[L]、[C]的参数不同，可以分三种情况进行分析。

当[R2>4L/C]时，过阻尼状态，非振荡放电，放电电流为：

[i（t）=uβle-αtsinβt]                           （3）

当[R2=4L/C]时，临界阻尼状态，放电电流为：

[i（t）=ulte-αt]                             （4）

当[R2<4L/C]时，欠阻尼状态，振荡放电，放电电流为：

[i（t）=uωle-αtsinωt]                  （5）

其中，[α]、[β]和[ω]为：

[α=R2L]                               （6）

[β=1LCR2C4L-1]                      （7）

[ω=1LC1-R2C4L]                       （8）

因此，系统振荡会对电容器组反向充电，续流电路采用快速开关技术，为负载惯性电流释放提供一条通道;同时，阻止反向电压对电容组充电，可以提高储能电容组的寿命，提高能量自电容组向负载传送的效率，有助于形成单方向的脉冲输出电流。

与储能电路并联的一个短路电路，阻止振荡放电情况下，电路对储能电容组反向充电。此外，可以利用二极管单向导通的特性，在储能电容器组反向偏置时，也就是电容器组释放能量完毕时，导通续流电路，保证电感磁场储存的能量继续向负载释放能量。

当充电完成，充电开关打开，放电开关闭合后，储能电容器组开始放电，电容上的正向电压慢慢减小，放电电流逐渐增大，当电容上的正向电压减少到零时，放电电流升到最大。但是，电流还是维持向负载方向，继而电流逐减小，这使得电容器组反向充电。接着，电容器反向电压充电到极致，电流减小到零。然后，电容器组会反向放电，这样会形成电路的振荡放电过程。所以，必须在电容器组放电回路中并联一个续流电路，电路中增加续流二极管，当放电电流达到最大时，电压刚好为零。此时，二极管刚好导通，将储能电容器组短路，阻止放电电路向进行反向充电。此时，电容器组上的电压一直为零，放电电流也会维持同一方向。

3 测试

上述所述的设计方案已经通过实施进行实物样机验证，通过对样机的测试表明，各项测试参数均符合设计要求。图2为爆破阀点火器在充满电后，向4Ω的电阻负载上点火输出的波形图。

根据图2数据进行计算可以得出，脉冲输出电流5.5～6.6A持续时间达32.9ms，达到了输出电流约6A需持续20ms的设計要求。

4 结语

爆破阀点火器是一款提供爆破能量且不依靠任何外部电源或电池的装置。通过曲柄的摇动，将机械能转换成点火装置所需的电能。该爆破阀点火器结构简单、操作方便、功能可靠，集手摇发电、电量储存、回路检测、点火起爆功能于一体。此外，该点火器内部进行了双电路冗余配置，能高效快速充电，6A左右恒流输出能维持20ms以上，待机耗电小，充满电后能保持有效工作时间50s以上。这种高可靠性、高性能的爆破阀点火器的试制成功，在工业控制领域将会有较为广阔的应用前景。

参考文献：

[1]周志敏，纪爱华.充电器电路设计与应用[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3]杨帮文.实用电池充电器与保护器电路集锦[M].北京：电子工业出版社，2000.