核電廠停堆斷路器停堆控制接口設計

周葉翔 田亞杰 任立永 劉光明 江 輝

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

核電廠總體設計要求保護系統與控制系統互相分離［1］。目前，壓水堆核電廠緊急停堆系統歸屬保護系統范疇，棒控系統歸屬控制系統范疇，因此緊急停堆系統執行機構普遍采用停堆斷路器。停堆斷路器通過切斷棒控系統供電，使反應堆所有棒組由重力驅使插入堆芯，從而達到緊急停堆的目的。

停堆斷路器為核電廠關鍵電氣設備，其控制由核級DCS 平臺實現。當前二代至三代的壓水堆核電廠設計中，停堆斷路器設計原理相似，停堆斷路器開關盤控制接口包括合閘控制、分閘控制等，其中分閘控制分為帶電線圈(SHTR)分閘控制及欠壓線圈(UV)分閘控制。DCS 手動控制指令，同時通過帶電線圈和欠壓線圈打開停堆斷路器，而保護系統自動停堆指令僅通過欠壓線圈實現分閘。因此，欠壓線圈的控制接口設計也是緊急停堆系統的設計關鍵。

通過對在運及在建核電廠的典型停堆斷路器帶電線圈和欠壓線圈控制接口方案的對比分析，結合核電廠調試運行經驗，發現不同的停堆斷路器開關盤內部電器元件特性差異明顯。因此，停堆斷路器控制接口方案應用具有局限性，容易出現控制系統與斷路器線圈負載不匹配問題，甚至在某些工況下，停堆斷路器控制回路之間出現電流耦合現象，將直接導致停堆斷路器的控制出現異常。采用二極管實現控制回路解耦是一種經濟的改進措施，也容易實現，但是無法解決帶載失配問題。采用繼電器隔離解耦方法，雖改造成本較大，但能夠同時解決帶載失配和控制回路電流耦合問題。

1 標準規范

停堆斷路器的控制接口方案設計需遵循緊急停堆系統設計的相關標準要求［1-4］，主要有如下幾點設計規范。

1.1 單一故障準則

要求:設計應冗余，任何的單一故障都不會造成停堆功能喪失。

實現:停堆斷路器分為四組，由四個通道獨立控制，滿足單一故障準則。

1.2 定期試驗能力

要求:為了檢測內部故障和驗證系統性能是否滿足功能要求，停堆功能應能在反應堆運行期間開展定期試驗。

實現:緊急停堆系統可逐個通道開展定期試驗，當一個通道旁通后，另外三個通道保持正常工作，且滿足單一故障要求。

1.3 防共模故障

要求:設計上應采用功能多樣性設計，預防共模故障的影響。

實現:停堆控制通過帶電線圈和失電線圈實現，兩者的控制接口設計保持多樣化;停堆控制接口優化方案進一步保證UV 線圈的控制回路保持獨立性［5］。

1.4 手動執行停堆功能

要求:停堆動作可以從控制室進行手動控制。

實現:手動停堆控制指令同時通過帶電線圈和失電線圈控制實現。

2 停堆斷路器

2.1 停堆斷路器硬接線邏輯

壓水堆核電廠緊急停堆系統配備八個停堆斷路器，分為四組，并按四取二的硬接線邏輯形成通斷回路。圖1 為停堆斷路器硬接線示意圖，圖中虛線連接的兩個停堆斷路器為一組，四組停堆斷路器分別由保護系統的四個通道控制。其中:RPA100JA 與RPA101JA 對應Ⅰ通道，RPB100JA 與RPB101JA 對應Ⅱ通 道，RPA200JA 與 RPA201JA 對 應Ⅲ通 道，RPB200JA 與RPB201JA 對應Ⅳ通道。

圖1 停堆斷路器硬接線示意圖Fig.1 Hard wiring connections of the reactor trip breakers

2.2 停堆斷路器開關盤

停堆斷路器開關盤分為A、B 兩列。每列控制兩組停堆斷路器，其中保護系統Ⅰ、Ⅲ通道控制指令送至A 列開關盤，Ⅱ、Ⅳ通道控制指令送至B 列開關盤。

帶電線圈由110 V 直流電驅動，通過中間繼電器控制，中間繼電器由保護組機柜48 V 直流電控制。欠壓線圈由48 V 直流電直接控制，其控制回路中包含失電監測繼電器、計時繼電器。部分產品中欠壓線圈的供電回路也采用48 V 直流電控制的中間繼電器間接控制。

3 停堆控制接口

核電廠停堆斷路器分閘控制指令包括自動停堆指令、應急停堆盤(ECP)手動控制指令以及測試指令。控制指令通過四個保護組通道分別送出，每個通道與停堆斷路器的控制接口設計保持一致。

自動停堆指令驅動同一通道內的兩個欠壓線圈;每個通道針對兩個停堆斷路器分別設置兩個分閘測試指令，測試指令僅控制帶電線圈。ECP 指令分為A、B兩列，每列控制兩組停堆斷路器。ECP 控制指令同時控制兩種分閘線圈，但是對每種線圈的控制實現方式存在區別，詳見章節3.1 和3.2 的具體分析內容。

3.1 帶電線圈控制接口

帶電線圈控制接口設計包含ECP 手動控制指令和分閘測試指令的接口設計。圖2 以保護組I 通道RPA100JA 和RPA101JA 為例，給出一種可靠性較高的方案。

圖2 SHTR 控制接口Fig.2 SHTR control interface

圖2 中 Test1與 Test2分 別 為 RPA100JA 和RPA101JA 的測試指令，測試指令與ECP 指令并聯，實現或邏輯。ECP 停堆指令通過繼電器RL10，同時控制SHTR1中間繼電器(對應RPA100JA)與SHTR2中間繼電器(對應RPA101JA)?？刂苹芈返墓╇娡ǔＳ蒁CS電源分配卡件提供，根據不同的需求可以分配48 VDC或24 VDC 供電。SHTR 線圈控制回路的供電應與UV線圈控制回路的供電保持多樣化設計。

3.2 欠壓線圈控制接口方案及分析

欠壓線圈控制接口設計包含自動停堆指令和ECP手動停堆指令控制接口設計。對于二代改進型及三代核電廠，欠壓線圈控制指令還包括遠程停堆站的手動停堆指令。停堆斷路器的測試信號并不針對欠壓線圈。電站正常運行期間，欠壓線圈及其控制回路保持帶電狀態。根據核電廠的安全設計理念，DCS 失電或停堆斷路器開關盤失電，停堆斷路器能夠自動分閘實現緊急停堆。這一安全功能通過欠壓線圈的控制接口設計實現。

因不同類型停堆斷路器開關盤中的電器元件特性差異明顯，當前欠壓線圈的控制接口設計也略有不同。在運核電廠中主要有兩種控制接口方案(簡稱A 方案、B 方案)，兩者的主要區別在于DCS 控制指令是否通過中間繼電器間接控制欠壓線圈供電回路。章節3.2.1 至3.2.3 同樣以I 通道RPA100JA 和RPA101JA的欠壓線圈為例，闡述接口設計方案。

3.2.1 保護系統欠壓線圈控制邏輯

UV 控制硬邏輯和UV 控制接口如圖3、圖4 所示。緊急停堆系統功能由核級DCS 平臺實現，圖3 中端子324/329 與圖4 中端子324/329 一致，分別接至停堆斷路器開關盤中的48 V 直流控制回路中。保護系統每個通道分為兩個子組(P1C1 與P1C2)，每個子組的停堆指令(RT)都可以單獨斷開欠壓線圈控制回路。對應的兩個子組的旁通指令(BP)全部觸發，自動停堆指令旁通。而ECP 停堆開關采用常閉開關，硬接線直接串聯在UV 線圈控制回路中。

圖3 UV 控制硬邏輯圖Fig.3 UV hard control logic

3.2.2 A 方案

如圖4 所示，欠壓線圈控制接口方案由DCS 直接控制UV 線圈控制回路，其中012FU 為停堆斷路器開關盤48 V 控制回路保護空開，022XR 為48 V 電源失電監測繼電器。

圖4 UV 控制接口(A)圖Fig.4 UV control interface(A)

A 方案結構簡單，是一種可靠性較高的設計方案。但是A 方案對于欠壓線圈負載設計及DCS 卡件的DO卡件容量有嚴格的匹配要求。在核電廠建設中，核級DCS 的卡件一般采用標準化設計，為特定的設備開發特定的DO 卡件可行性較低，而停堆斷路器開關盤供貨設計差異也無法避免。因此，A 方案的推廣應用有一定的局限性。目前常見的停堆斷路器欠壓線圈電氣參數如表1 所示。

表1 欠壓線圈電氣參數Tab.1 Electric parameters of UV coil

核級DCS 自動停堆指令輸出DO 卡件的負載參數上限為6 A(持續100 ms)、10 A(20 ms)。因一個通道同時控制兩個欠壓線圈，參考表1 所列參數，DO 卡件實際承載的沖擊電流將達到8.34 A(80 ～160 ms)。該沖擊電流已經達到DO 卡件帶載能力上限，在停堆斷路器動作瞬間容易導致DCS 卡件燒毀。同時，A 方案中RPA100JA 與RPA101JA 的控制回路間存在電流耦合問題。

在以下兩種工況中，有可能造成停堆指令發出時UV 線圈拒動。

①RPA100JA 空開012FU 因人為操作或故障斷開，而RPA101JA 的控制電正常。

②RPS 停堆DO 點打開(停堆工況或者DCS 失電)

在這種工況下，RPA100JA 控制回路中的繼電器022XR 及UV 線圈與RPA101JA 的UV 線圈串聯在RPA101JA 的控制回路中。即UV 線圈并未失電，分壓計算如下:

因UV 線圈等效阻抗(RUV)遠大于022XR 的等效阻抗(R022XR)，考慮到項目48 V 直流源實際電壓在50 V左右，因此UV 線圈實際分壓約24.5 V。該分壓大于UV線圈可靠動作電壓，導致UV 線圈存在拒動風險。

3.2.3 B 方案

UV 控制接口B 方案如圖5 所示。

圖5 UV 控制接口(B)圖Fig.5 UV control interface(B)

B 方案與A 方案的主要區別在于DCS 通過中間繼電器012XR 間接控制UV 線圈供電回路［6］。中間繼電器的引入可以有效處理UV 線圈沖擊功率過大而燒毀DO 卡件的問題，但是這一方案沒有根本解決電路耦合問題。同樣以A 方案所示工況為例，電路耦合導致的問題主要有兩點。

①RPA100JA 的失電監測繼電器022XR 與RPA101JA 的UV 線圈中間繼電器012XR 串聯在RPA101JA 的控制回路中，分壓計算如下:

022XR 與012XR 的等效阻抗在同一數量級，但是不完全相等，因此不同的停堆斷路器開關盤設計將導致實際分壓不一致。如R022XR明顯大于R012XR時，有可能出現在RPA100JA 控制回路失電情況下，因022XR 非正常帶電而無法觸發失電報警的問題;與此同時012XR 有可能因分壓過少導致RPA101JA 誤打開。

②RPA100JA 的UV 中間繼電器消耗二極管正向導通，有燒毀可能。

4 停堆斷路器控制接口優化

針對方案A、B 的缺點，提出兩種欠壓線圈的控制接口優化方案。

4.1 改進方案一

如圖4、圖5 所示的UV 控制接口示意圖中，在RPA100JA 和RPA101JA 控制回路的端子256 和324之間各增加一個限流二極管，確保同一通道內的兩個UV 控制回路不會交叉供電。該方案簡單、經濟、易于實現，能夠有效解決電路耦合問題。

4.2 改進方案二

改進方案二如圖6 所示，該方案針對圖5 所示的B方案作了電路設計改進。DCS 通過獨立供電的中間繼電器012XR，同時控制同一保護通道內的兩個欠壓線圈。其中，中間繼電器012XR 的供電與UV 控制回路的電源可以保持一致，確保無論是停堆斷路器控制失電還是中間繼電器失電，欠壓線圈都能斷開，進而停堆斷路器打開實現緊急停堆。該方案將同一通道內的兩個停堆斷路器的控制回路隔離開，徹底地解決了電路耦合問題;同時該方案能夠避免停堆斷路器各種線圈負載與DCS 卡件帶載能力失配的問題，具有普遍適用性。

圖6 UV 控制接口(優化)圖Fig.6 UV control interface(optimized)

5 結束語

通過對當前二代至三代壓水堆核電廠的停堆斷路器控制接口方案的總結分析，指出帶電線圈控制接口設計相對穩定可靠。欠壓線圈控制功能需求較為復雜，需考慮失電安全等特殊設計，且不同的停堆斷路器開關盤的欠壓線圈電氣參數差異顯著，導致控制接口設計多樣化。針對目前各類控制接口方案中突出的控制回路耦合問題，提出一種簡單經濟的改進方案。該方案適用于在運核電的快速改造。同時，提出另一種具有普遍適用意義的優化方案，該方案徹底解決了帶載失配及欠壓線圈控制回路耦合的問題。但是，應用該方案時，需考慮中間繼電器的供電設計既要滿足失電安全動作要求，也需滿足欠壓線圈與帶電線圈控制設計多樣化的要求。

［1］ RCC - P -2000 Design and construction rules for nuclear power plants-2006［S］.2000.

［2］ IAEA NS-R-1-2006 Safety of nuclear power plants:design［S］.2006.

［3］ IEEE 279 -1971 Criteria for protection systems for nuclear power generating stations［S］.1971.

［4］ IEEE 379 -2000 IEEE Standard Application of the Single -Failure Criterion to Nuclear Power Generating Station Safety Systems［S］.2000.

［5］ GB/T 13286 -2008 核電廠安全級電氣設備和電路獨立性準則［S］.2008.

［6］ 鄭添，陳衛華，黃偉軍.核電廠儀表和控制系統的隔離和解耦［J］.核科學與工程，2013，33(S2):44-48.