装卸料机分离器安全锁开关设定异常分析及对策

周建平，张 泰，靳瀚博，苟 海

（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300）

1 问题

装卸料机作为核电厂重水堆不停堆换料的关键设备，需要有很高的可靠性，作为其四大组件之一的分离器，在换料期间会与燃料棒束直接接触，为防止其误动设计了分离器安全锁，为换料安全提供有效保证。

分离器安全锁有上锁和解锁两个位置，每个位置均由两个干簧管开关同时监测，为保证分离器安全锁位置的正确指示，确保换料安全，需对安全锁开关进行精准设定，保证任一组位置开关均有良好的同步性。但在安全锁设定过程中，开关经常出现延迟触发、触发不同步或不触发现象，导致检修花费大量时间、人员接受辐照剂量整体偏多的情况。

2 原因分析

2.1 干簧管开关结构及工作原理

干簧管开关是由两片干簧片（通常由铁和镍两种金属组成）密封在玻璃管内，玻璃管内的两片干簧片呈交迭状且间隔有一小段空隙，适当的磁场将会使两片干簧片接触。两片簧片上的触点上镀有一层很硬的金属，通常是铑和钌，这层硬金属大大提升了切换次数及产品寿命。而玻璃管内通常注入了氮气或一些等价的惰性气体，部份干簧管开关为了提升其高压性能，将内部做成真空状态。

干簧片的作用相当与一个磁通导体，在通过永久磁铁或电磁线圈产生的磁场时，簧片会产生不同的极性，当磁力超过簧片本身的弹力时，两片簧片吸合导通电路；当磁场减弱或消失后，干簧片由于本身的弹性释放，触面就会分开从而打开电路（图1）。

图1 干簧管开关结构原理

根据干簧管开关与磁铁的相对运动关系，最常见的有两种触发方式：绕轴转动和平行动作。

（1）绕轴转动。图2 为干簧管开关在磁铁做绕轴动作时的状态变化。

图2 绕轴转动

（2）平行动作。根据干簧管开关与磁铁的相对距离，可以实现磁铁在整个移动过程中开关一次闭合一次断开和三次闭合三次断开效果（图3）。

图3 平行动作

分离器安全锁开关的触发方式为水平触发方式，且磁铁与开关相对距离近，通过离线试验证明，在未加装屏蔽管时，分离器安全锁磁棒在移动过程中开关存在三次闭合和三次断开现象，而实际工况只需一个闭合和断开区间，因此在原始设计时加装了屏蔽管，改变磁通流，从而干扰开关开合的磁力线。

2.2 初步原因分析

根据干簧管开关特性，分析影响开关特性的主要因素。

2.2.1 干簧管开关自身匹配性

因分离器安全锁装置设计原因，现场开关可调节的空间距离很小，因此，要求开关具有很高的同步性，即要求在相同的磁场强度/安培匝数（AT）时正好达到开关的吸合值，还要求具有相同的磁滞值（通常表达为DO/PI，即断开值/吸合值）。所以，开关性能匹配性不佳可能会导致开关设定异常。

2.2.2 工作磁场

干簧管开关由磁场驱动，分离器安全锁在运行期间，涉及分离器安全锁磁场主要有两个方面，一是安全锁锁头驱动线圈磁场，另一个是驱动干簧管开关的永磁铁磁场。如果这两方面的运行参数发生改变，将会改变开关触发性能。

2.2.3 管开关后期加工制作

系统设备使用分离器安全锁干簧管开关前，需要对其进行一系列的加工，如开关引脚剪切、开关套管安装等。根据干簧管开关特性，开关的引脚长度关系到开关的AT 值，另外，开关在套管中的安装位置不同，也会影响开关的触发位置。

2.3 根本原因分析及定位

2.3.1 干簧管匹配性

为检查干簧管开关的匹配性问题，对若干库存开关备件做一项试验。在同一环境中，使用同一永磁铁分别对开关进行触发，发现同型号的不同开关的触发灵敏度存在一定差异性，最大相差5 mm，而安全锁开关的调节总行程只有13 mm 左右，同步性差异值偏大。

2.3.2 开关工作磁场

（1）安全锁线圈磁场。因为分离器安全锁驱动线圈产生的磁场与永磁铁的磁场重叠，所以干簧管在共同磁场下动作。在原始设计上，线圈的正负极有明确规定，不能正负极接反。虽然线圈正负极接反不影响安全锁动作功能，即能正常的上锁和解锁驱动，但这样会使线圈磁场方向改变，从而影响永磁铁磁场，导致驱动干簧管开关的磁场变化，最终影响开关设定。

曾发生装卸料机安全锁完成离线测试后，换至在线运行时，每次会发生指示异常问题，后经排查，原因在于测试台架安全锁接线与在线系统接线反向，在纠正测试台架错误的接线后，指示恢复正常。随后对4 台在线的装卸料机的安全锁线圈接线进行检查，确定无反接问题，且检查每个安全锁线圈的电阻和电压，均与设计值一致，排除线圈磁场因素。

（2）永磁铁磁场。一般磁铁在发生较强的撞击、振动，过强的磁场或高温下，都不同程度地影响磁场强度和长期稳定性。分离器安全锁开关驱动永磁铁在正常工作环境中不存在过强的振动、强磁场或高温等工况。

为检查其磁场强度在日常拆解检修或在高辐射环境下是否会发生变化，做如下试验：取两套现场服役多年永磁铁和一个新的永磁铁备件，同环境同方式对一个干簧管开关进行触发，然后记录永磁铁与开关的距离，试验结果为3 个永磁铁对干簧管开关的触发距离完全一样。通过测试得出，分离器中的永磁铁的磁场强度正常情况下并未随其在现场服务时间的长短或日常预维拆解检修而消退，判断永磁铁不是主要因素。

2.3.3 干簧管后期加工制作

查询相关维修规程和教学计划，对于开关的引脚剪切长度并未有明确统一的标准，而只要求大于3 mm 的一个范围，而从图4 开关AT 值和开关切割后长度值的关系特性可以看出，开关引脚的长度直接影响开关的AT 值，即开关引脚长度保留越长，开关越容易触发，越灵敏。

图4 开关吸合AT 值与开关引脚长度关系

另外，在安装开关套管中也并未给出开关定位方法。从图5开关及套管设计要求可以得出，在加装开关套管时，如果套管定位不准确，会导致干簧管开关在开关套管中的位置最大偏差达到0.2 英寸，而开关的调节总行程只有0.5 英寸，所占比重大，判断后期制作加工将对开关性能有较大影响。

图5 干簧管开关和套管尺寸

3 改进方案分析与实施

3.1 干簧管匹配性优化

为保证干簧管良好的匹配性，除了严格的开关采购控制外，还需对开关的转运和保存做出明确的规范，因为较强的冲击及振动，均可能改变干簧管开关的特性，厂家试验指出，当干簧管从30 cm 以上的高处跌落到硬表面（地面）时，其电气特性（启动、释放等值）将可能改变。另外在对新的干簧管开关进行后期加工前，需要对开关的相关性能进行检查，筛选工作正常以及性能匹配的开关。

目前已在相应的检修规程和教学计划中添加了对开关使用减振棉加塑料瓶的储存和转运要求，并增加防振防摔的提醒。还增加了对干簧管开关的触发电阻、触发稳定性和迟滞性等方面进行检查，筛选出合格的开关。

3.2 干簧管后期加工制作的优化

在干簧管开关的后期加工制作中，相关要求需进行完善，保证达到两点要求：①统一开关引脚长度，保证开关AT 值和磁滞值一致；②安装开关套管时，保证开关置于套管中央，减少因开关物料位置偏差影响开关设定。

在开关后期加工后，需进行匹配性测试，挑选同步性一致的开关并分类储存，为实现这一功能，可以设计制作一套开关匹配筛选装置。

查询分离器安全锁原始设计手册，干簧管开关、开关套管和引脚剪切的尺寸在AECL 提供的相关设计手册中已给出（图6）。在开关制作封装引脚剪切时，需严格按设计要求执行。

图6 干簧管开关及套管尺寸

另外，按安全锁实际尺寸1∶1 设计制作干簧管开关匹配测试装置（图7），且各部件使用与现场部件相同的材料，以保证测试的严谨性和可靠性。

图7 干簧管开关匹配筛选装置

4 安全锁开关组件的改进建议

分离器安全锁开关罩壳空间狭小，导致内部接线不易整理，检修过程中容易对导线进行拉扯而断开，不便于检修（图8）。加拿大Pickering 电站的开关组件已做了变更（图9），变更后使用集成电路板替换掉开关套管，插头连接替换掉接线焊接，导线布置有序，消除了设定时开关引脚碰壁风险和接线拉扯断开风险，提高了安全性能和检修效率。鉴于秦三厂和Pickering的装卸料机分离器安全锁的机械和仪控部件的原始设计均基本一致，可参照Pickering的成功案例实施变更，因此，秦三厂安全锁开关组件改造已提上日程。

图8 分离器安全锁开关接线

5 结束语

通过对装卸料机分离器安全锁干簧管位置开关的加工制作和最终匹配性筛选等方面进行优化和改造，降低安全锁开关设定难度，减少了现场检修人员的辐照剂量。经过长时间的运行观察，开关的稳定性也得到明显提升，为电站后续的安全稳定运行提供有力的支持和保证，同时为类似装卸料机管嘴抱卡开关的设定、管嘴触盘开关的设定和分离器燃料挡块位置开关的设定等提供了宝贵经验。