控制棒棒位指示器故障分析

唐 锐

（海南核电有限公司，海南昌江 572732）

0 引言

2019 年8 月7 日，海南昌江核电厂1 号机组650 MW 满功率运行期间，出现反应堆棒控系统B2-1 棒束棒位指示器故障，导致电厂主控室操纵员无法监视B2-1 棒束棒位。排查故障信号来源，确认故障点在反应堆厂房，需停机并将反应堆后撤至正常冷停堆实施检修，但仅为处理此故障停机，将影响电厂经济效益。根据电厂规范要求，棒位指示故障需执行缓解措施：每8 h 测量一次堆芯中子注量率，辅助监测故障棒束棒位。文章主要分析通过补充缓解措施，确保B2-1 棒束棒位指示故障不影响电厂安全生产，电厂可维持满功率运行到寿期末，停机处理此故障。

1 故障情况和相关规范

1.1 故障情况

2019 年8 月7 日，主控室报警1RGL013KA 闪发时，B2-1棒束棒位指示为0 步，现场检查机箱电源柜中B2-1 束棒存在电压低、电流高报警。从故障现象判断为机箱输出至原边线圈的电流不稳定所致。B2-1 棒束棒位信号回路见图1，依次检查机柜相关信号处理卡件MCP10（主电流控制器）、MCP22（葛莱码处理器）、供电机箱及机柜侧航空插头、贯穿件均正常，测量机柜侧航空插头阻值结果见表1。

图1 棒束棒位信号回路示意图

表1 各线圈机柜侧航空插头阻值

根据表1 测量结果，故障点排除电气厂房侧，而是位于岛内连接板或反应堆堆顶，功率运行期间该区域辐射剂量超100 msv 量级，检修人员无法抵达该区域从事检修。根据电厂《运行技术规范》RGL5 条款要求，1 束控制棒棒位指示故障需执行缓解措施：每8 h 测量一次堆芯中子注量率，辅助监测故障棒束棒位。正常情况下，堆芯中子注量率测量周期为1 个月，检测设备的设计使用寿命为3000 次，可覆盖电厂整个使用寿期，而8 h 测量一次的频率将损耗设备使用寿命并耗费大量人力。

1.2 电厂《运行技术规范》中不可运行事件RGL5 条款

堆功率大于50%FP，一个棒位指示器故障，产生第二组不可运行事件，需采取缓解措施：每8 h 或者相应的控制棒移动超过8 步时，需要测量一次堆芯注量率，监测故障控制棒棒位。

1.3 电厂《运行技术规范》中不可运行事件RGL6 条款

如果一个分组棒有2 个棒位指示器不可运行，或一组棒上有3 个棒位指示器不可运行，产生第一组不可运行事件，需采取缓解措施：2 h 内机组后撤到热停堆状态。

1.4 电厂《运行技术规范》中不可运行事件RIC1 条款

堆功率大于50%FP，无法在“30 个等效满功率天”完成一次通量图测量，产生第二组不可运行事件，需采取缓解措施：24 h内降功率至低于50%FP 功率水平，并调整中子注量率高紧急停堆整定值为55%FP。

1.5 电厂《运行技术规范》中对于产生计划性第一组不可运行事件的要求

只有在安全相关系统和设备定期试验监督要求，或物理试验监督要求中明确甄别的，为执行定期试验产生的第一组事件才是允许的，而且该试验遵守了国家核安全局批准的定期试验实施条件。

2 B2-1 棒束棒位显示故障对电厂生产运行的影响分析

2.1 故障对控制棒功能的影响

棒位测量系统用于实时监测和显示控制棒位置，并在棒运行出现异常（失步、偏离要求位置、提棒不足、插棒太深）时给出报警。棒位测量系统与棒控系统各自独立，无逻辑连锁，棒位指示故障不影响控制棒动作，棒位指示故障不会导致B2-1 棒束意外动作或卡棒，只影响操纵员获取该棒束的棒位信息。

2.2 故障对机组运行和安全的影响

昌江核电1 号机组控制棒共33 束，分为停堆棒组S（8束）、调节棒组A（8 束）、B（8 束）、C（5 束）、D（4 束），其中D 棒组为主调节棒组。功率运行期间D 棒组部分插入堆芯，其他棒组位于堆顶。B2-1 棒束长期位于堆顶位置，功率运行与功率升降不涉及到该棒束的动作，仅执行定期试验PT1RGL002《正常运行期间非活动棒束功能检查》时，会移动该棒束8 步，对机组正常运行不产生影响。运行期间只有当保持线圈电源丧失时，该棒束才会发生落棒现象，电源丧失是可监控的，系统将触发棒控系统运行故障报警。机组正常停运后撤，操纵员以“手动”方式下插D、C、B、A 棒组到5 步位置，故障不影响B2-1 动作，可正常下插至5 步，停堆功能正常。B2-1 棒束下插到5步前，可通过实时监测B2-1 棒束提升、传递、保持线圈的电流波形，验证B2-1 棒束动作的步数。紧急停堆时，该棒束将失去工作电源落入堆底，设计院的计算分析表明，即使该棒束发生卡棒并叠加最大价值一束棒发生卡棒，也不影响控制棒在紧急停堆状态下需提供的负反应性，该故障仅影响操纵员判断该棒束是否已落入堆底。

2.3 故障对电厂定期试验的影响

《控制棒位置测量信号回路检查》试验周期为1 个月，试验目的是验证棒位测量通道的正确性。试验方法是从棒控机柜的连接接头注入信号，验证主控室的显示与注入信号一致。对单束棒检查期间，被检查棒束无法显示实际棒位，此时应进入《运行技术规范》中RGL5 条款。当B2-1 棒位指示器故障，在执行B2-2、B2-3、B2-4 棒束信号回路检查时，将导致B2 分组2 个棒位指示器不可用，进入《运行技术规范》中RGL6 条款，该条款为第一组事件。显然未能在《安全相关系统和设备定期试验监督要求》中提前被甄别，由此违反了1.4 节中的要求，目前B2-1 棒位显示故障情况下执行该定期试验已得到国家核安全局特许批准。

《正常运行期间非活动棒束功能检查》试验周期为1 个月，试验目的为验证长期处于堆顶的各控制棒束未卡涩。试验方法为依次插入、提升处于堆顶的各棒束，当棒位指示按预期变化时，证明各棒束动作正常无卡涩。B2-1 棒束试验期间，可通过该棒束电源机柜上各个线圈的动作电流波形正常的方式验证B2-1 棒束动作正常无卡涩，试验结束后通过堆芯中子注量率测量辅助推断B2-1 棒束回到堆顶位置，该故障不影响该试验正常执行。

2.4 频繁监测堆芯中子注量对监测系统的影响

堆芯中子注量率监测系统动作频繁导致探测器指套管磨损加剧。正常情况，堆芯中子注量率监测频度是1 次/月，根据RGL5 条款要求变为1 次/8 h。指套管作为一回路压力边界发生破损后，增加一回路放射性物质泄漏的风险。监测系统频繁动作还将加速探测器老化，增加驱动机构故障风险，导致监测系统不可用。《运行技术规范》要求“如果核功率大于50%FP，堆芯中子注量率测量系统必须可运行”。

2.5 针对当前RGL5 条款的分析

根据《运行技术规范解释》的说明，功率运行与热备用期间一束棒棒位指示器不可用的操作措施要求每8 h 测量堆芯中子注量率，其目的是监督堆芯象限功率倾斜，间接验证各棒束同步，防止堆内出现功率分布不平衡，导致局部过热烧毁燃料元件。但每次执行堆芯中子注量率测量后还需离线进行数据处理才得到象限功率倾斜数据以监督棒位，无法在线及时发现棒位异常。使用RPN 堆外探测器与RIC 热电偶可实时监测QPTR，当控制棒异常提、插时，可及时发现并作出响应。

2.6 电厂堆芯热电偶温度对控制棒移动的实际响应

2019 年8 月2 日，执行定期试验PT1RGL002《正常运行期间非活动棒束功能检查》，在失步校正1 模式下，下插B2 子组棒束7 步，B2-1 棒束所在通道G5 附近的堆芯热电偶（1RIC015KM）示值从333.1 ℃下降到331.9 ℃。B2 子组提升到225 步后，1RIC015KM 回升到333.1 ℃，期间B2-1 棒束所在通道G5 附近的RIC 热电偶温度示值下降了1.2 ℃。上述现象表明：堆芯热电偶温度对附近位置的控制棒移动有明显响应，在B2-1 棒束棒位指示失效情况下，堆芯温度参数可辅助操纵员判断该故障棒束是否出现异常插入现象。

2.7 控制棒动作时机柜线圈电流波形监测

控制棒正常插入一步的时序动作：保持线圈大电流→提升线圈大电流→传递线圈大电流→提升线圈小电流→保持线圈零电流→提升线圈零电流→保持线圈大电流→传递线圈零电流→保持线圈零电流。在完整插入步序中，输出波形实际反馈保持及传递线圈勾爪的吸合点，如控制棒无法按插入命令正常动作，其电流波形将与图2 所示标准电流输出波形不一致，并且机柜将会出现棒控报警。由此可见，虽然B2-1 棒束棒位无法显示，运行人员仍能通过线圈电流波形辅助监测控制棒动作。

3 设计院的技术评价

图2 控制棒线圈电流波形

2019 年8 月9 日，海南核电委托中国核动力研究设计院对B2-1 棒束指示器故障进行技术评价，经分析论证给出评价结果：B2-1 棒束意外移动时，QPTR 变化明显，堆芯焓升因子满足限值要求，具体见表2。表2 分析显示，B2-1 棒束若失步12步，操纵员虽无法看到棒位，但象限功率倾斜将变化0.29%，即QPTR 显示约1.0079，该值虽绝对变化量小，但相对满功率下QPTR 指示稳定在1.005 的现象来说，可通过QPTR 趋势变化发现异常后再做堆芯中子注量率测量。此外，以B2-1 棒束失步12 步进行数据分析是保守的，此时象限功率倾斜小于规范要求的限值1.02，堆芯焓升因子也小于满功率下的限值1.538，不会造成堆芯功率超限或功率分布不均导致局部过热的安全隐患。

表2 B2-1 棒束失步的影响

4 优化RGL5 条款的缓解措施

4.1 通过RIC 堆芯热电偶与RPN 堆外探测器监督

操纵员监视堆芯热电偶与RPN 堆外探测器的象限功率倾斜变化趋势，当象限功率倾斜超出设置的临时报警值1.0079 时，立即执行堆芯注量率测量，核查B2-1 棒束的位置是否异常。

4.2 辅助通过棒束提升、传递、保持线圈的电流波形监督

监督B2-1 棒束提升、传递、保持线圈的电流波形（棒束移动时，波形将产生变化），如发现非预期波形立即执行堆芯中子注量率测量。执行PT1RGL002 定期试验或当机组需要后撤至操纵员手动下插B2-1 棒束时，重点监测B2-1 棒束提升线圈、传递线圈、保持线圈的电流波形图，判断其是否可靠动作。

4.3 使用RIC 堆芯注量率测量监督

每7 天执行一次堆芯中子注量率测量，辅助判断B2-1 棒束位于堆顶。每月一次的《正常运行期间非活动棒束功能检查》定期试验后，执行一次堆芯中子注量率测量，辅助判断B2-1 棒束位于堆顶。每月一次的《控制棒位置测量信号回路检查》定期试验前，执行一次堆芯中子注量率测量，辅助判断B2-1 棒束位于堆顶。

4.4 通过RCS 运行故障报警（1RGL005KA）监测

当主控室触发RCS 运行故障报警（1RGL005KA），立即检查确认报警原因，并执行堆内注量率测量。

5 结论

通过上述分析，昌江电厂在满功率平台出现单束控制棒棒位显示故障不会威胁反应堆安全稳定运行。操纵员可通过其他辅助监测手段判断B2-1 棒束棒位，无需每隔8 h 监测堆芯中子注量率。昌江核电针对该故障向国家核安全局提出RGL5 条款缓解措施优化意见特许申请也得到批准。