核電廠壓水堆超溫保護定值ΔT干擾探析

陳永偉，付敬強

（中廣核核電運營有限公司，廣東深圳518026）

核電廠壓水堆的第一道安全屏障為燃料包殼，而燃料包殼的保護主要是防止發生偏離泡核沸騰、燃料芯塊融化以及燃料芯塊與包殼間的相互作用［1］，其中燃料芯塊與包殼之間相互作用，主要是通過元件的制造工藝和控制棒運行的限值來減小其相互作用。防止偏離泡核沸騰以及燃料融化則主要通過超溫、超功率保護來實現，而超溫保護定值的波動幅度大，則極大影響保護功能的正常實現，嚴重情況會產生機組瞬態，對核電機組的安全穩定運行存在較大隱患。

1 功能介紹

防止出現偏離泡核沸騰和燃料融化，最重要的是要控制燃料的溫度，而燃料芯塊的溫度以及偏離泡核沸騰是無法直接測量的，只能通過測量影響相應的參數來確定。這些參數通過轉換、計算，最終確定ΔT超溫、超功率保護定值，通過對這些定值的控制，間接實現了防止出現偏離泡核沸騰和燃料融化風險。影響超溫保護定值的參數主要有：一回路平均溫度TAVG、一回路壓力P、反應堆冷卻劑泵轉速Ω、軸向功率偏差ΔΦ［2］。

將對應的保護定值參數轉化為電壓信號，其超溫保護定值公式為：

式中：VTAVG對應的為一回路平均溫度TAVG的電壓信號；VP對應的為一回路壓力P的電壓信號；VΩ對應的為反應堆冷卻劑主泵轉速Ω的電壓信號；VF（ΔI）對應的為軸向功率偏差ΔΦ的電壓信號；τ3、τ4對應的為超前滯后環節的時間常數。

如圖1所示為超溫保護定值實現電路，一回路冷熱端的溫度經過平均溫度加法器1產生一回路平均溫度電壓值VTAVG，它與一回路壓力P電壓信號VP、反應堆冷卻劑泵轉速Ω電壓信號VΩ、軸向功率偏差ΔΦ電壓信號VF（ΔI）乘以一定的增益系數，輸入到超溫保護定值加法器1和超溫保護定值加法器2中，計算得到超溫保護定值ΔT，參與超溫保護，實現燃料包殼保護。

圖1 超溫保護定值實現電路Fig.1 The circuit of over-temperature protection value

2 干擾分析

2.1 干擾因變量

國內某核電廠機組環路超溫保護定值波動范圍在10%左右，最高波動范圍達到11.9%，根據法國同類電站反饋正常波動范圍為2%～4%，對比法國同類電站，該核電廠超溫保護定值波動范圍較大。在滿功率運行期間，超溫保護定值加法器共有四路變量，而其中三路：主泵轉速、穩壓器壓力、核功率軸向偏差，信號輸入都較為穩定；只有一回路平均溫度存在波動。如果計算平均溫度單一變量影響，該核電站在滿功率運行期間一回路環路平均溫度波動為0.15℃左右，對超溫保護定值的影響如圖2所示。

圖2 平均溫度單一變量對超溫保護定值的影響Fig.2 The influence of average temperature on over-temperature protection value

圖2反映平均溫度單一變量對超溫保護定值影響的傳遞過程。將一回路平均溫度信號的變化轉換為電壓信號，平均溫度加法器輸出電壓的波動幅度為：

其中：ΔT平均溫度為平均溫度的短時波動范圍；T平均溫度量程為平均溫度測量范圍275～335℃；V電壓量程為電壓量程范圍1～5V。

經過超前滯后環節輸出的波動范圍為：

超溫保護定值輸出電壓波動范圍為：

超溫保護定值輸出波動范圍：

其中：V超溫保護定值加法器量程量程范圍為1～5V，ΔT超溫保護定值量程量程范圍為0～159%。

由此可以得到，一回路平均溫度的波動不足以使超溫保護定值的波動達到10%左右的水平，可以判斷在中間處理環節中引入相應的波動量，導致其超溫保護定值波動范圍的增大。

運行期間超溫保護定值生成電路產生10%左右的波動量，而在核電廠機組實際運行過程中各個變量真實引起的波動量：

如果除去上游平均溫度真實波動的影響5%左右，實際干擾量在超溫保護定值產生的干擾量為5%左右。假定超溫保護定值波動量為5%，考慮單一變量的干擾，則其相應的電壓波動范圍：

對超前滯后環節做單獨分析，如圖3所示為超前滯后仿真電路［3］，如果輸入量為一個穩定的直流電壓信號3VDC，經過超前滯后環節可以獲得一個穩定的3VDC的輸出信號。如果再次3VDC輸入信號疊加一個20mVDC的干擾量，輸入到超前滯后環節，從示波器1上可以獲得超前滯后環節對干擾量的響應曲線。如圖4所示，從曲線上可以觀察到20mVDC幅值的階躍干擾信號或者正弦交流干擾信號，經過超前滯后環節處理后，輸出信號干擾量幅值增大為160mV左右，導致超溫保護定值的波動范圍為10.6%。

圖3 超前滯后仿真電路Fig.3 Simulation circuit of lead-lag case

圖4 超前滯后環節對干擾量的響應曲線Fig.4 The lead-lag response curve of interference

由此分析對于超前滯后環節前平均溫度真實波動引起的10mV左右信號與干擾量引入波動量10mV左右信號疊加，即可引起超溫保護定值波動10%左右，對于其他超溫保護定值輸入變量，如需要產生的5%波動量，干擾量需大于100mV。

2.2 干擾定位

根據上述干擾分析，測量超溫保護定值生成參數變量的波動情況，發現平均溫度加法器1輸出（超前滯后環節前）電壓波動為20mV左右，其余參數變量電壓值穩定。除去平均溫度正常波動產生的10mV左右電壓信號，在此平均溫度加法器1輸出上還有10mV左右的波動信號。

據此查找波動原因，發現一回路平均溫度信號（超前滯后環節前）除了送超前滯后環節參與超溫保護定值加法器運算外，還送其他系統參與運算，并發現此電纜引入干擾。如果斷開此一回路平均溫度信號線電纜（此電纜內共有四路信號線，包括一回路平均溫度信號線），則超溫保護定值波動消失；如果一回路平均溫度信號單獨走電纜，超溫保護定值波動也消失。可以判斷是信號線在走線的過程中引入干擾，導致一回路平均溫度加法器1輸出波動，最終導致了超溫保護定值波動的產生。

同時根據周圍干擾源的分析和排除，定位干擾源為電纜附近的主泵轉速機架探頭信號，通過比對注入規律方波信號與連接現場探頭信號對轉速機架進行試驗，發現注入規律方波信號不存在干擾現象，而連接現場探頭信號干擾現象復現，驗證其定位的準確性。

2.3 理論分析

常見信號線受干擾的原因有電磁感應、靜電感應、不同電位地引入的干擾［4］等，根據干擾源和被干擾對象分析靜電感應（即電容耦合）引起產生波動的可能性較大。

圖5為干擾線與信號電容耦合及等效電路的示意圖，其中：C12為干擾線與信號線的分布電容；C10、C20分別為干擾線與信號線對地分布電容；ZL為對地等效阻抗；V1為干擾電壓；Vn為信號線接收的干擾電壓；對應的為ZL兩端電壓。

根據等效電路計算可以近似獲得：

干擾電壓：Vn≈jωZLC12V1，［5］其中角頻率：ω=2πf，f為干擾源頻率。

圖5 干擾線與信號的電容耦合及等效電路Fig.5 Capacitance coupling and equivalent circuit between interference line and signals

干擾線與信號線分布電容：

式中：r為干擾導線半徑；d為兩導線間的距離；h為兩導線對地距離；其中在實際電纜走向過程中d≈2r；h遠大于d。

在實際現場干擾導線半徑約為0.5mm，兩導線距離約為1mm，導線長度約為5m。根據上式中的變量，簡化運算，計算結果為數量級mV電壓左右，這與上述的理論分析相匹配，反過來也可以驗證干擾線與信號線分布電容耦合干擾的可能性較大。

3 解決方案

一般解決干擾問題的有兩種方式：（1）消除干擾源；（2）被干擾對象屏蔽干擾。但是由于一回路主泵轉速機架在機組運行期間需要保證其可用性，因此只能選擇后者，其主要方法有：

第一，在超前滯后環節增加濾波環節輸入匹配電路增加濾波環節，如圖6所示為輸入匹配電路示意圖，在一般情況下輸入匹配電路中輸入信號直接通過放大器正端輸入，經過輸入匹配處理輸出信號送其他環節進行處理。通過輸入線路上增加對地電容，對干擾信號進行濾波，可以有效降低干擾量的引入。

圖6 輸入匹配電路Fig.6 Input matching circuit

第二，通過減小耦合電容方式，增加干擾線與信號線距離d［6］，可以減小干擾線與信號線分布電容C12，降低干擾量的引入。或者將一回路平均溫度信號線單獨走電纜，增加屏蔽層防止電場的干擾［7］，屏蔽的目的就是隔斷“場”影響，抑制各種“場”的干擾，屏蔽層可以有效實現靜電屏蔽、電磁屏蔽、磁場屏蔽［8］。同時將電纜屏蔽層單端接地，防止干擾產生。

核電廠根據現場實際采用第二種方案進行工程實施，將一回路平均溫度信號線采用單根電纜連接，與其他信號線完全分開，實施后波動顯著減小，有效降低了干擾量。

4 結論

從上述分析可以看到此次核電廠超溫定值波動主要原因為信號線受干擾，干擾源為主泵轉速機架探頭信號，被干擾對象為一回路平均溫度信號線。干擾量疊加一回路平均溫度真實波動，經過超前滯后環節，使超溫保護定值產生了10%左右的波動范圍。核電廠通過將一回路平均溫度信號電纜獨立布置，增加屏蔽層的方法有效地降低了超溫保護定值的波動范圍，使波動范圍控制在5%左右。

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