重水堆核电站功率调节控制棒电机禁止单元国产化设计

□王 镭

一、重水堆核电站反应性控制装置概述

(一)整体概述。秦山重水堆核电厂是基于CANDU-6型成熟设计[1]，满足国际原子能机构设计导则。反应性控制装置构成反应堆功率调节系统和两套停堆系统，每一个反应性控制装置执行下列三个功能之一，测量裂变功率水平，调节功率水平，停堆。此外有两套独立和冗余的停堆系统。

当满足停堆信号时，切断离合器的直流电源，停堆装置的吸收元件释放，吸收元件在导向管内穿过燃料通道区域，进入慢化剂区域。停堆棒装置由以下几部分组成：装有不锈钢套筒的镉吸收棒、一个垂直的导向管及其延伸段、驱动机构、加速弹簧、套管、屏蔽塞、反应性控制平台的贯穿部件和棒就位指示器。每个停堆棒是用缠绕在驱动机构滑轮上的不锈钢丝绳悬挂起来的。驱动机构是一个电动机驱动的绞盘，绞盘的一头是一个电磁离合器，将滑轮轴和齿轮盘耦合在一起。在重水反应堆中有21个垂直安装的调节棒。每个调节棒悬挂在其驱动机构的不锈钢绳上，轴向位置是用耦合在滑轮轴上的电位计传感器来指示的。

核电站的反应堆调节系统需要在达到或超过设计基准地震(DBE)强度的地震期间切断调节棒电机的电源，保证调节系统的安全性。因此，需要设计电机切断单元，用于在此类地震期间自动切断调节棒电机的电源[2]。

如图1所示，电机切断单元由计算机控制系统、电机切断逻辑控制单元、电机切断逻辑模块和电机四个部分组成。达到或超过设计基准地震(DBE)强度的地震期间，计算机控制系统会向电机切断逻辑控制单元发送驱动信号。电机切断逻辑控制模块接收到驱动信号后，通过控制电机切断逻辑模块中的继电器来切断调节棒电机。从而保护调节系统。

图1 调节棒切断系统框图

(二)调节棒电机禁止单元工作原理及系统组成。如果计算机试图同时从堆芯拔出超过6个重要的调节棒，TMADO电路将禁止所有调节棒的拔出，并给出“TMADO”警报。其控制棒电机禁止单元电路原理图如图2所示。

图2 调节棒电机禁止单元电路原理图

重水反应堆21根调节棒中有15根作为反应性来说十分重要，这15根调节棒被TMADO(Too Many Adjusters Driving Out)电路监控，当调节棒收到抽出指令时，C1-C15其中相关的电机会被打开，电压E2将减小。如果同时有超过6个电机被打开(7个或更多的电机动作)，电压E2将小于参考电压E1，并且限制所有调节棒被抽出，同时给出“TMADO”警报。为了恢复输出，必须启动RESET按钮PB3。该电路还配有TEST按钮PB4。当被压下时，PB4将模拟E2≤E1的情况。这将导致抽出调节棒被禁止，并且点亮LED1以指示电路正常。

该单元的输入电压为48Vdc,和15Vdc，由电源模块提供；输出电压为输出电压：0.500V～4.500Vdc，提供给电机启动电路和主控计算机。该模块主要包括一块面板及PCB板，如图3所示。

图3 调节棒电机禁止单元

二、调节棒电机禁止单元设计概述

(一)调节棒电机禁止单元电气设计。调节棒电机禁止单元电气部分主要是PCB板。各电器元件设计如下：一是将选用符合要求的飞利浦公司的高精度金属膜电阻。二是电位器设计用于调节电压比较器基准电压。电位器将选用MEXICO公司型号为78PR500的500欧姆10转的电位器。三是IC放大器作用为电压比较器，将选用TI公司的LM101AJ。四是三极管起信号放大的作用，将选用摩托罗拉公司生产的型号为2N1711三极管。五是继电器线圈断电时，其中残余能量须以合适途径释放。给继电器并联二极管可以解决这个问题。继电器线圈并联二极管后，二极管负极接直流电源正极，继电器线圈断电时，二极管因势利导，为线圈电流继续流动提供途径，残余能量在线圈与二极管组成的回路中较为平缓地自我消耗掉，开关得到有效保护。根据设计要求，选用TELESKY公司生产的抑制二极管IN4004。六是继电器线圈连接至三极管集电极，三极管导通后，线圈通电。根据设计需要，每个继电器触点同时控制连接于两个回路中，因此需要选用两通道继电器。本方案选用和泉公司生产的IDEC继电器RJ2S-CL-24V。七是电源模块，由于放大器需要正负15V供电，且电路其他节点需要正负15V。因此需要电源模块，由于该模块较特殊，将选用原清单中的电源模块CALEX公司的120VAC转正负15V电源模块2.15.100-115.该模块额定电流为100mA。

(二)PCB布线及防干扰措施。

1.工艺布线。工艺应符惯例和设计规范GB/T16261-2017，确保操作方便和使用寿命。依据标准GB/T16261-2017，PCB板选型，板材质量、厚度、画板、焊板及组装应符合标准规定。PCB应采用标准厚度1.6毫米的优质玻璃环氧树脂，双面印制，带有镀通孔，配备边缘安装的测试点。印刷电路板应采用键控和标记，以便不可能与任何其他类型的类似印刷电路板意外互换。

2.前后面板。前面板的标签应采用光蚀刻。每个单元应带有由买方或其代表提供的单元的标识或名称。前面板应按住标有“RESET”的按钮PB1。

3.线缆。布线材料符合MIL-W-22759/18A。端子接线位于模块内部，并应符合相关适用图纸。组件之间的接线应整洁，并符合惯例。接线应沿垂直或水平方向布线，并得到适当支撑。电线应有序布线和应变消除，并应通过扎带或其等效物捆扎成束。所有接线应使用绞合线制成。

4.抗干扰。一是电源线、地线线条的设计要尽量粗而短,尤其是地线,这样可减少环路电阻,同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致,这样有助于增强抗噪声能力。二是正确选择单点接地与多点接地。三是数字地与模拟地设计要分开。四是接地线应尽量加粗,地线宽度应是信号、控制线的1～3倍。五是接地线构成闭环路。

(三)调节棒电机禁止单元机械机构设计。该单元机械结构主要包括一个面板及面板件和PCB。

1.面板。面板上主要放置2个按钮和1个LED。按钮：两个按钮分别是复位按钮和测试按钮，复位按钮起电路复位作用。测试按钮将模拟6路调节棒拔出情况。因此按钮只需选用一开一闭式的。按钮带蓝灯指示。按钮将选用施耐德公司的XB6-EAA6JB1。LED灯指示该单元工作情况，三极管导通时，该灯点亮。LED将选用HEWLETT公司生产的HLMP-3301红色LED灯。面板尺寸要求能够容纳以上器件，及与PCB板尺寸匹配。根据设计要求，将采用35mm*262mm*3mm的面板。面板带有两个把手，方便模块插拔。

2.PCB。根据设计要求，PCB尺寸将设计为233.4mm*160mm欧卡尺寸。PCB将采用优质玻璃环氧树脂，具有较高绝缘强度。PCB边缘将安装测试点，以检查继电器触点的正常功能。双层PCB电路板的优点是线路可以分布在多层里面布线，从而可以设计较为精密的产品。另外多层可以加大设计的灵活性，可以更好地控制差分阻抗以及单端阻抗，以及一些信号频率更好的输出等。本方案PCB将使用双面板，带有镀通孔。为了防止与类似PCB意外互换，将采用键控和标记。

该模块输入输出信号主要通过64针连接器实现。该连接器将焊接于PCB板上。该模块将选用德国哈丁公司的型号为09-03-164-6921的64针公座。各个元器件清单见表1所示。

表1 元器件清单

(四)环境适应性及标识。一是工作及存储温度，本模块主要电气模块为继电器、接线端子、电阻及电容。继电器模块最高工作温度为80℃，接线端子最高工作温度为120℃，电阻电容最高工作温度为125℃，可满足10℃～50℃的要求。二是为了防止设备与其他相似单元意外互换，前面板的标签应采用光蚀刻。每个单元应带有由买方提供的单元的标识或名称。

(五)使用要求。一是该模块应安装于反应性控制逻辑单元机柜内。二是布线材料符合MIL-W-22759/18A。三是接线时应沿垂直或水平方向布线并得到适当支撑。四是多根电线应通过电缆扎带捆扎成束。五是外壳接地。

(六)断电情况。一是若调节棒硬件控制逻辑的48V直流电源断开，则调节棒的驱动电机的电源断开，调节棒停止运动。二是RL-46和47断电，RL-48断电，但不会断开调节棒驱动进入或拔出电路。三是手动复位TMADO电路及调节棒电机切断逻辑控制单元。

三、板卡测试实验

(一)抗振测试实验。印制板组装件在实际运输和使用的振动环境条件下应尽量避免出现共振现象，影响其性能参数，应按标准GJB 360B-2009电子及电气元件试验方法中的条件进行抗振实验和冲击试验。

在实验开始前和结束后应按照标准规定对试验样品进行外观检查和电性能、机械性能等的检测。将试验样品放在振动台上固定好，根据标准GJB 360B-2009规定的试验等级A,调整振动台的频率范围为10-500HZ，位移幅值/加速度为0.75/100mm/m/s2，使其以15min的一次扫频时间在每个振动方向X,Y,Z各扫描12次。振动结束后，检查试验样品的外观，功能是否正常，将实验鉴定结果应记录在报告中，证明符合设备技术规范中标准GJB 360B-2009规定的试验等级A的要求。

在实验中，当出现下列情况之一时，就认为试验样品不合格：一是结构出现残余变形、裂纹和其他机械损伤。二是机构性能〈抗剥强度、抗脱强度、翘曲度等〉不能满足有关标准要求。三是在试验过程中或在试验结束后由性能不正常、性能参数超出有关标准规定的允许极限。四是在试验结束后有下列功能不正常：电机切断逻辑模块板卡工作模式下能否切断调节棒电机电源；电机切断逻辑控制单元能否接收驱动信号，并产生切断信号给电机切断逻辑控制模块；调节棒电机禁止单元能否禁止同时从堆芯拔出超过6个重要的调节棒。

(二)电磁抗干扰实验。电磁兼容性是指设备或系统在共同的电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。系统功能测试,满足现场功能需要后,进行电磁兼容测试,电磁兼容测试容易出问题是静电、辐射、传导、脉冲等。电磁兼容性试验包括以下试验：

1.静电抗扰度检测。依据标准GBT-17626.2，在空气放电试验的情况下，气候条件应在下述范围内：环境温度：15℃～35℃，相对湿度：30%～60%，大气压力：86kPa～106kPa。将试验样品在实验室内安装后，确定受试设备的工作条件和施加放电点，选择2KV的试验电压，对受试设备每个试验点进行接触放电，用1次/秒的放电速率放电20次。根据GBT-17626.9规定的试验等级1，对实验结果进行评价和记录，进行下述几项测试：一是调节棒电机禁止单元能否禁止同时从堆芯拔出超过6个重要的调节棒。二是继电器通断是否正常，会不会误触发。

2.电快速瞬变脉冲群抗扰度检测。电快速瞬变脉冲群抗扰度检测抗扰度是一种将由许多快速瞬变脉冲组成的脉冲群耦合到电气和电子设备的电源端口、信号和控制端口并观察被测设备在遭受这些脉冲干扰时对原有性能保持程度的一种测试。试验的目的就是为了检验电子、电气设备在遭受这类暂态骚扰影响时的性能。

因为调节棒电机禁止单元中的放大器需要15V的电源供电，所以需要对其进行电快速瞬变脉冲群抗扰度检测。依据标准GBT-17626.4，将试验样品正确组装到受试设备上，使测试样品处于正常工作状态，对其电源端口和接地端口施加0.5KV的电压峰值和5KHZ的重复频率，对其信号端口和控制端口施加0.25KV的电压峰值和5KHZ的重复频率，测试状态持续时间不少于1min，以达到标准GBT-17626.2规定的试验等级1。

对其输出和继电器通断进行实验分析，进行以下几项测试：一是调节棒电机禁止单元能否禁止同时从堆芯拔出超过6个重要的调节棒。二是继电器通断是否正常，会不会误触发。

3.脉冲磁场抗干扰度实验。脉冲磁场是由雷击建筑物和其他金属框架以及由在低压、中压和高压电力系统中初始的事故瞬态产生的。设备所遭受到的脉冲磁场可能影响设备和系统的可靠运行。当设备遭受到与其特定位置和安装条件相关的脉冲磁场时，依据标准GBT-17626.9中的描述，可以检测设备的抗干扰程度。依据标准GBT-17626.9，在施加实验磁场之前先对设备进行设备性能预校验，采用浸入法对受试设备施加磁场强度为100A/m的实验磁场，脉冲之间的时间间隔不应小于10s，进行脉冲实验，根据GBT-17626.9规定的试验等级1，对试验板卡的输出参数进行以下几项测试：一是调节棒电机禁止单元能否禁止同时从堆芯拔出超过6个重要的调节棒。二是继电器通断是否正常，会不会误触发。

四、结语

重水堆功率调节控制棒电机禁止单元国产化设计执行了中国的核安全设计法规要求和核电仪控系统的设计法规要求，同时遵守了加拿大重水堆有关设计要求。性能满足原板卡性能要求。针对重水堆功率调节控制棒电机禁止单元的国产化设计，可以弥补重水堆核电站控制板卡设计方面的设计空白，为控制板卡国产化奠定基础。经过基础实验验证和上机实验控制检验，控制棒电机禁止单元设计技术参数和功能指标与原板卡一致，满足各项性能指标。