核電廠控制棒失步的判斷方法

孫波

摘 要：本文介紹了控制棒驅動原理，從控制棒棒位測量指示、控制棒驅動電流、控制棒動作麥克風噪聲三個方面提出了控制棒失步的判斷方法。

關鍵詞：控制棒；失步；驅動機構；棒位測量系統；驅動電流；噪聲

在核電廠，控制棒和硼濃度是反應性控制的兩大最重要手段。其中，硼濃度主要用于長期、起效慢的反應性控制；控制棒則用于短期、起效快的反應性控制。由于控制棒控制系統是一個開環控制系統，因此在出現故障后如何判斷控制棒是否存在失步（不在指令要求的棒位）對于反應堆的控制有著極為重要的意義。

1 控制棒控制原理

控制棒控制系統的主要功能是根據電網負荷的變化，相應提升或插入控制棒調節堆芯的反應性，從而控制堆芯溫度和核功率。一般來說，除了運行時為調節堆芯溫度和功率以外，在反應堆啟動試驗階段需要較多的提插控制棒。另外，為了驗證控制棒的可用性，需要每月對近一個月內沒有動過的控制棒進行手動提插棒驗證。

控制棒驅動機構是一種步進式的提升機構，用來使控制棒組件在堆芯內提起、插入或保持在適當的位置，以實現反應性的控制。每個控制棒組件都由單獨的控制棒驅動機構來驅動。控制棒驅動機構結構如圖1所示。它主要由銷爪組件、驅動桿、壓力外殼、驅動線圈等部分組成，其中三個驅動線圈分別為夾持線圈、移動線圈和提升線圈，兩個銷爪分別為夾持銷爪和移動銷爪。控制棒與驅動桿相連，銷爪通過鉤入驅動桿上的齒槽抓住驅動桿，進而實現控制棒的提升、下插和保持。

三個線圈套在壓力外殼外面，線圈通電則壓力外殼內的相應銷爪鉤入控制棒驅動桿上的齒槽中，夾住驅動桿，線圈斷電則對應的銷爪靠彈簧力松開驅動桿。夾持銷爪位置是固定的，移動銷爪則可由提升線圈通電產生的電磁力帶動提升一步的距離。靜態時，僅夾持線圈通電，夾持銷爪保持控制棒的位置不下落?？刂瓢籼嵘龝r，移動線圈先通電，移動銷爪鉤入驅動桿中，然后夾持線圈斷電，夾持銷爪松開驅動桿，提升線圈再通電，帶動移動銷爪連同驅動桿上升一步，此后再轉換為夾持線圈通電移動線圈斷電，恢復到靜態?？刂瓢粝虏逡彩穷愃频倪^程，只是每個線圈通斷電的時序不同?？刂瓢艨刂葡到y接收來自主控的提升或下插的命令，產生送往三個線圈的電流，通過不同的電流時序組合，實現控制棒的提升和下插。

2 控制棒失步的后果

由于控制棒的位置與堆芯反應性緊密相關，因此核電廠技術規范中對控制棒的位置有嚴格的要求。當任意一束控制棒不在所要求的棒位時（通常稱之為控制棒失步），反應堆必須在1小時內向次臨界的蒸發器冷卻停堆模式后撤。

如果失步步數較多，可能會觸發反應堆中子通量保護，造成意外停堆。如果失步步數較少，也需要在1小時內判斷出失步的控制棒并將其校正到要求的位置。

3 控制棒失步的判斷方法

由于控制棒控制系統是一個開環的系統，僅對輸出到三個線圈的電流有必要的監測，對控制棒是否按照命令完成提升或下插是無法準確判斷的。因此當出現異常時，需要一些方法來判斷控制棒是否失步及準確的失步步數。

3.1 根據棒位指示判斷

控制棒棒位測量系統可以最直觀的指示控制棒所處的位置。每一束控制棒驅動桿外都安裝有一個棒位探測器，探測器內有一個通電的初級線圈及若干組不通電的次級線圈。棒位測量是根據電磁感應原理，當驅動桿位于不同的高度時，由于變壓器的鐵芯效應，在每組次級線圈中產生不同的感應電壓，采集板件收集這些感應電壓，編碼后轉換為控制棒的棒位指示。

控制棒的額定行程為225步，每步距離為15.875mm。由于棒位測量系統原理所限，其測量精度不高，每個棒位探測器包含5組次級線圈，因此可以產生個組合。225/32=7.03125，考慮上下端部擴展，因此每個組合代表的棒位變化為8步，即棒位指示系統的最小分辨率為8步。

如果發生較多步數的失步，可以直接從棒位指示上看出來。如果僅僅發生一兩步的失步，可能無法直接從棒位指示上發現，此時就需要根據經驗判斷。首先觀察懷疑失步的棒束與同組控制棒的棒位指示是否一致（同組控制棒接受到的提插棒信號是相同的），然后可以小范圍的操作該組控制棒提升或下插幾步，觀察該組控制棒的測量棒位是否同步變化。根據經驗，同組控制棒的測量棒位變化應該是同步的或者最多相差一步。如果當時條件不允許提插棒，則可以直接測量棒位信號采集板件采集到的棒位探測器次級線圈感應電壓，通過對比同組控制棒的信號電壓來判斷該組控制棒位置是否一致。一般來說，如果一組控制棒在同一位置，信號電壓相差應該很小。圖2為控制棒的一個次級線圈感應電壓對應不同棒位的變化關系。

3.2 根據控制棒驅動電流波形判斷

前面提到過，控制棒控制系統通過送往三個線圈的不同的電流時序組合，實現控制棒的提升和下插。因此，可以通過該電流正常與否來判斷控制棒是否存在失步。

如圖3是一束控制棒提升過程中發生電流異常，因而中斷時序，最終檢查發現滑落一步的電流波形。左半部分是前一個時序，完成正常提升一步，右半部分是故障波形。兩者對比可以看出，在故障時序中，移動線圈電流在由零上升過程中沒有出現正常應該出現的小凹槽，而這個凹槽代表移動銷爪鉤入驅動桿。在延遲一段時間（約180ms）后，出現了不該出現的凹槽，代表此時移動銷爪才鉤入驅動桿。由于電流波形畸變較大，觸發了控制系統的報警，該提棒時序被中斷，造成該束控制棒相比同組其他控制棒實際少提了一步。

進一步分析表明，移動銷爪延遲鉤入驅動桿的時間點與夾持線圈電流開始下降的時間點相差約120ms，這個時間與夾持銷爪釋放的時間基本吻合。因此可以推斷，夾持銷爪釋放后，控制棒由于重力下落，而先前由于某種原因未能鉤入驅動桿的移動銷爪在此時意外鉤入驅動桿，阻止了控制棒下落過程。

3.3 根據控制棒動作麥克風噪聲判斷

在調試及每個大修啟動階段，維修人員會在反應堆頂部控制棒導向筒頂端安裝麥克風，用來采集控制棒動作期間因振動而產生的噪聲信號。

如圖4，以提升一步為例，典型的麥克風噪聲會出現7個波峰，分別代表移動銷爪鉤入驅動桿、夾持銷爪松開驅動桿、負荷從夾持銷爪傳遞到移動銷爪、提升磁極閉合（移動銷爪帶著驅動桿上升到位）、夾持銷爪鉤入驅動桿、移動銷爪松開驅動桿、提升磁極打開（移動銷爪回落到位）。若其中任何一個波峰沒有出現則可能意味著相應的驅動機構沒有動作，可能帶來控制棒提升的失敗，進而引起銷爪無法鉤入驅動桿而失步。

比如在圖3中移動線圈電流在上升過程中沒有小凹槽，代表移動銷爪沒有鉤入驅動桿，自然無法完成提棒。此外，還出現過最后一個波峰出現時間過晚，導致提棒失敗。最后一個波峰時間過晚表示提升線圈斷電后移動銷爪回落到位過晚，如果還沒有回落到位而下一個提棒時序已經開始，就無法完成提棒。

通過麥克風噪聲判斷控制棒提插棒情況是最直觀的方法，不過該方法需要兩個條件：①控制棒導向筒頂端安裝麥克風；②將麥克風噪聲信號連同驅動線圈電流信號接入錄波裝置。但是設計上系統并未預留這些配置，因此僅在每輪大修啟動試驗階段對部分控制棒組采集并分析這些信號。

4 控制棒失步的原因分析

每一次控制棒失步的故障表現均不一定相同，通過分析多起控制棒失步事件，可以歸納出以下幾個原因：

①控制系統故障，造成驅動線圈電流異常。

②銷爪動作異常，夾持或移動銷爪沒有鉤入或延遲鉤入驅動桿。

③移動銷爪回落時間過長，與后一步造成干擾。

其中，僅第一個原因是源自于控制系統自身故障，也易于驗證和排除。其余兩個原因均屬于驅動機構機械方面的異常，往往是偶然出現一次后又消失，很難得到直接證據，只有通過驅動線圈電流錄波和麥克風噪聲錄波等手段推斷得到。根據國內外核電廠相關故障檢查的反饋，這種偶然發生的驅動機構動作異常往往與異物卡澀、溫度等因素相關。

5 結束語

通過棒位測量指示系統、驅動線圈電流錄波、麥克風噪聲錄波等手段均可以明確判斷出控制棒是否發生失步，但在實際故障處理時的難點在于如何快速判斷失步并定位故障點，此時就需要結合實際情況綜合考慮。一般是通過對比棒位測量指示快速判斷并消除故障，再分析錄波波形定位故障原因。

參考文獻：

[1]大亞灣核電站控制棒控制系統設計手冊（SDM）.

[2]大亞灣核電站控制棒控制系統維修手冊（EOMM）.

[3]大亞灣核電站控制棒棒位測量系統維修手冊（EOMM）.

[4]大亞灣核電站控制棒驅動機構維修手冊（EOMM）.

[5]大亞灣核電廠運行技術規范[Z].25版.2015.