棒控棒位系统启动特性测试方法优化研究与实现

许鹏羽，王小雨，贺先建

（中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610213）

0 引言

棒控棒位系统是核电站的重要系统之一，是调节反应堆功率的最重要、最灵活的手段，是反应堆正常运行的必要条件[1]。某核电厂棒控棒位系统在工厂测试时，为测量某电源柜的动力电源启动特性，需对电源柜的动力电源启动电流波形进行记录，但由于交流电的特性，需要多次启动棒控棒位系统以获得启动电流最大值。通过以上做法虽能满足测试需求，但存在以下问题：

1）因棒控棒位系统设备内部插件自身特性，在两次启动之间需要对设备进行放电，如果放电不彻底会对下次启动电流的测量造成干扰，最后导致测量结果不准确。

2）因棒控棒位系统设备内部插件电容存在残余电压，对测试人员工作的执行存在一定的风险。

图1 棒控系统原理图Fig.1 Schematic diagram of rod control system

本研究通过对三代核电项目棒控棒位系统在启动、运行、放电原理等多个角度进行剖面分析，得出如何快速获得棒控棒位系统较大的启动电流波形，进而优化测试方法，提升测试效率。

1 棒控棒位系统运行机理分析

棒控电源柜通过PLC 数字量输入模块接收上游棒控逻辑柜的提升和插入指令，而后再由PLC 发出时序命令，通过控制驱动插件中的闭环控制回路和主电路产生时序电流向驱动机构线圈供电，从而控制驱动机构动作[2]。图1 为棒控电源柜原理图。

2 棒控棒位系统启动特性测量必要性分析

启动特性（这里特指启动电流）是指机柜在刚启动时的冲击电流，是机柜通电瞬间到运行平稳的短暂时间内的电流变化量，启动电流过大会对电网产生极大影响。因此，需准确测量棒控棒位系统启动电流，以便设置上游供电容量。

从图1 可知，当棒控棒位系统启动时，棒电源系统分别给棒控电源柜提供220VAC 控制电和260VAC 动力电，由于三相交流电特性，为获得理想的动力电源启动电流波形，需多次启动棒控棒位系统。但由于棒控棒位系统在前后两次启动间隔时间内卡件存在残余电压，需要棒控棒位系统内部卡件放电完成才可进行下一次启动，延长了棒控电源柜启动特性测试的时间。因此，亟需寻找一种能将棒控棒位系统内部卡件残余电压快速释放的方法。

图2 棒控系统控制驱动插件结构原理图Fig.2 The control driver structure schematic diagram of rod control system

图3 三相监测继电器级联电路示意图Fig.3 Schematic diagram of three-phase monitoring relay cascade circuit

3 棒控棒位系统IGBT工作原理分析

在分析完棒控棒位系统运行机理后，为实现对棒控棒位系统内残余电压的快速放电，首先需确认残余电压所在的位置，棒控电源柜控制驱动插件结构原理图如图2 所示。

控制驱动插件通过FPGA 控制电路、IGBT 驱动电路、IGBT 模块、电流采样电路和驱动机构线圈形成闭环控制回路，实现对驱动机构线圈大小电流的输出。在三相动力电源均失电时，IGBT 上游的驱动电路被IGBT 截断，依靠驱动电路自身的放电回路无法实现快速放电，需要依靠外部介入实现驱动电路中电容电场能的快速释放[3]。

图4 三相监测继电器级联电路示意图Fig.4 Schematic diagram of three-phase monitoring relay cascade circuit

根据IGBT 工作原理，当三相动力电源正常通电时，三相监测级联电路不做动作，此时IGBT 基极的驱动控制信号受PLC 输入的定制信号控制；当PLC 有下发命令时，IGBT打开使模拟负载接通IGBT 驱动电路，进而使负载动作[4]。

从图3 中可以看出，输入动力电源U、V、W 中每相电源均采用4 个继电器进行监测，U 相对应4 个继电器为RL21、RL22、RL23、RL24，V 相 对 应4 个 继 电 器为RL31、RL32、RL33、RL34，W 相对应4 个继电器为RL41、RL42、RL43、RL44。

从图4 中可以看出，12 个三相继电器的常开触点进行两两并联后再以串联的级联形式进行连接，同时将PLC 的24VDC 接口电源用作继电器接口电源。在三相动力电源均失电时，通过三相监测继电器级联电路断开输入到DC/DC模块输出禁止端的控制信号，并切断直流电源卡件输出到IGBT 驱动电路的+15V 电源，从而实现IGBT 的快速关断。

4 棒控棒位系统断电后快速放电可行性方案研究

通过以上分析，在掌握棒控电源柜IGBT 工作原理后，就如何快速释放掉IGBT 上游驱动电路的残余电压制定了以下两种方案。

4.1 方案一

根据棒控电源柜IGBT 工作原理，当发生三相失电后由三相监测级联电路进行判断，然后发送电信号给直流电源插件切断输出到IGBT 模块控制驱动信号的+15V 电源，进而关断IGBT。为避免三相失电引起IGBT 关断，需保证IGBT 模块的+15V 电源一直存在，而控制IGBT 模块+15V电源通断的是三相监测级联电路。因此，为使三相失电后棒控电源柜内残余电压顺利通过IGBT 由负载消耗掉，需对三相监测级联电路中的继电器进行旁通设计，这样就能保证在棒控电源柜断电后，IGBT 驱动电路中的残余电压顺利通过IGBT 快速释放给下游的模拟负载。

表1 测试方法优化前后对比Table 1 Comparison of test methods before and after optimization

表2 方案1与方案2比较Table 2 Comparison of Plan 1 and Plan 2

对三相监测级联电路中的继电器进行旁通设计后，对新的设计进行实测，测试前后对比效果见表1。

从表1 可知，当未对测试方法进行优化时，在不同电压等级下测量单个电源柜的动力电源启动特性需要至少6min，而当对测试方法进行优化后，测量单个电源柜的动力电源启动特性最多只需要1.5min，大大缩短了棒控电源柜连续启动的间隔时间，提高了工厂测试效率。

4.2 方案二

根据棒控电源柜IGBT 工作原理，当发生三相失电后可通过将IGBT 集电极外接地进行放电，该方案的优点是可跳过三相监测级联电路的限制，无需对三相监测级联电路中的继电器进行旁通，可直接将IGBT 驱动电路中的残余电压释放出去，缺点是IGBT 驱动电路集成在控制驱动插件内部，若要接地需先将控制驱动插件拔出，然后拆除插件盖板才可对其进行接地放电处理。

4.3 方案可行性分析

通过对以上两种方案分别从可操作性、效率和是否需要额外设备3 个维度进行比较，得出结果见表2。

通过表2 可知，方案1 与现有测试方法相比节省了75%的时间，且易操作，无需增加额外设备，仅增加外接短接线即可。因此，通过方案1 可更好地实现棒控棒位系统关于启动特性测试方法的优化。

5 结论

本文简要说明了三代核电项目中基于棒控棒位系统的启动特性测试方法中出现的问题，通过对棒控棒位系统运行机理和IGBT 工作原理的分析，制定了两种方案，通过对两种方案的可行性分析，从而提高了测试效率。通过该方案的实施，可以缩短工厂测试时间，为后续核电厂棒控棒位系统工厂测试活动顺利开展提供保障，保证按时完成供货节点。