核電廠主泵轉速測量現狀分析及可靠性改進

潘衛華（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

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核電廠主泵轉速測量現狀分析及可靠性改進

潘衛華
（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

摘要：核電廠主泵轉速前置器（簡稱前置器）是監測主泵轉速的關鍵設備。核電廠運行20多年間出現數次由前置器自身問題引起的主泵轉速測量故障，其根本原因是元器件質量問題和電路設計不夠合理。為徹底解決轉速測量異常問題，采用前置器1E級開發的改進性方案。新產品在電路開發方面進行了全面改進，在結構設計方面進行了局部優化，具有精度高、性能穩定、抗干擾能力強等特點，在現場進行實際運用后狀態良好，提高了核電廠運行的安全性和可靠性。

關鍵詞：主泵轉速；前置器；可靠性

CLC number： TM623 Article character： A Article ID： 1674-1617（2016）01-0031-06

主泵轉速信號是反應堆冷卻劑流量保護信號之一，其前置器是主泵轉速監測系統的關鍵設備。該設備安裝在主泵電機圍板上，其環境相對較為惡劣，負責接收傳感器送來的頻率信號，經處理后輸出標準的4～20 mA DC信號至反應堆保護系統，當主泵轉速下降至額定值的89%（額定轉速1 488 r/min，電流16.8 mA），3取2邏輯滿足時觸發事故保護停堆信號。

1 問題描述

核電廠運行20多年來曾出現數次由前置器自身問題引起的主泵轉速測量故障，典型問題如下：

1）2007年3月出現兩次主泵A-3測量通道轉速低報警，前置器輸出電流最低至14 mA，5 s后恢復正常。

2）2013年4月26日更換的備件在使用1天后輸出電流降至11 mA，后降為0 mA；同時大量發熱，外殼溫度較高。

主泵轉速測量異常經過處理與事后分析，排除了測速傳感器、信號處理組件的問題，故障定位為前置器的缺陷。

2 工作原理

2.1 測速原理

利用在電機軸上安裝的30齒測速齒輪作為測量標記，當齒輪轉過磁電式脈沖傳感器的表面時，相當于傳感器與被測面之間距離突變，傳感器便產生一個脈沖信號，通過對單位時間內脈沖的計數便可測得轉速，如圖1所示。如果每秒計數為N，測速齒輪的齒數為K，則轉速按下式計算：

傳感器的輸出信號為0～930 Hz，根據上式計算得出轉速監測范圍0～1 860 r/min。

2.2 前置器電路原理

前置器主要由波形轉換電路、整形電路、隔離電路、RC微分電路、F/V電路、放大電路、V/I電路、供電電路構成，各電路模塊主要功能簡述如下：

（1）波形轉換電路

將磁電傳感器送來的主泵轉速信號轉換成方波信號。

圖1 轉速通道測量原理框圖Fig.1 Rotate speed channel measuring principle

（2）整形電路

將波形轉換電路送來的不規整方波通過施密特整形電路轉換為與輸入信號頻率一致的規整方波。

（3）隔離電路

該模塊首先通過反相電路將整形方波信號取反，之后通過光電隔離電路實現電氣隔離，輸出的隔離方波信號與輸入的整形方波信號頻率和波形完全一致。

（4）RC微分電路

該模塊將輸入的隔離方波信號通過RC微分電路轉換成頻率一致的脈沖波信號，作為F/V電路的頻率輸入信號。

（5）F/V電路

該模塊以LM331（U3）頻率/電壓轉換芯片為核心，將輸入的0～930 Hz脈沖波信號經過計算轉換成對應的0～0.95 V DC電壓輸出。

（6）放大電路

將F/V電路輸入的電壓信號進行放大（放大倍數為14），放大后的信號傳送給V/I電路。

（7）V/I電路

將代表主泵轉速的0～13.3 V DC電壓信號轉換成對應的4～20 mA電流信號。

（8）供電電路

將輸入的AC220V轉換為DC12V和DC18V，為前置器各電路模塊提供低壓供電。如圖2所示。

圖2 供電電路Fig.2 Power supply circuit

3 失效分析

結合前置器電路工作原理，通過對上述兩種典型故障進行分析，結論如下：

3.1 故障1

現象：電流短暫下降，5 s后恢復正常。

分析：F/V電路LM331或V/I電路LM258輸出電壓短暫下降。

結論：LM331或LM258受到干擾或自身性能不穩定。

3.2 故障2

現象：短暫使用后電流逐漸降為零且大量發熱。

分析：在18 V供電電路中電容C11（見圖2）性能下降，輸出電壓減小，電流下降，當C11擊穿時引起18 V電源短路，輸出電流降為零，且板件大量發熱。

結論：電容C11性能逐漸下降，最終造成短路。

4 存在不足

通過對前置器故障分析，參照最新標準要求，發現其存在以下不足：

（1）元器件選型不合理：1）影響電路精度和穩定性的關鍵參數如工作溫度范圍取值偏小，溫漂指標大。2）關鍵的 F/V和V/I電路的集成芯片及電阻電容等級較低。3）電路中的關鍵電容使用了易短路的鉭電解電容。

（2）電路設計不夠合理：1）電路中使用較多的分立元件，任何一個元器件故障導致前置器性能下降。2）F/V電路自身特性受溫度變化影響較大，V/I電路自身不帶溫度補償。

（3）結構設計不合理：前置器保護盒無IP防護等級，器件布局不合理。

5 前置器可靠性改進措施

根據前置器電路原理和失效原因的分析，新開發的前置器從器件選型、電路設計、結構設計等各個方面進行了全面改進，并經過科學合理的鑒定試驗驗證，消除原產品存在的不足。結合事故樹分析（FAT）結論（見圖3）和目前設備存在不足的現狀，采用研發1E級新產品的針對性改進措施。

5.1.1 器件選型

圖3 失效因素示意圖Fig.3 Failure cause

原設計中所選擇的器件多為商業級器件（0 ～70 ℃），且在關鍵器件的選擇上也未對溫漂等重要指標進行充分考慮；新設計中所選擇的器件絕大部分為軍級器件（-55～125 ℃），對輸出精度有重要影響的關鍵器件均具有較好的溫漂指標。以電阻R16為例（見圖4），該器件需要在F/ V電路中參與計算，屬于關鍵器件，新設計中選擇的是軍級產品，將溫漂指標由±150 ppm/℃提高至±25 ppm/℃。避免原設計中由于器件自身性能不穩定造成前置器輸出異常的情況。

5.1.2 電路設計

（1）F/V電路改進

新設計的F/V電路經過嚴格的分析計算，選取合適的電阻和電容參數，可以將輸入的0～930 Hz頻率信號轉換為對應的0～5 V信號。如圖4所示，該模塊以LM231A（U3）頻率/電壓轉換芯片為核心，工作原理如下：

其中：Vout——輸出電壓：

fin——輸入脈沖波頻率；

RL——R14；

RS——R15+CW3；

Rt——R16；

Ct——C16。

通過調節電位器CW3，可以保證F/V電路在輸入脈沖波頻率為0～930 Hz時，對應輸出0～5 VDC電壓信號，實現頻率和電壓之間的等效轉換；此外，在進行器件選型時，電阻R14-R16、電位器CW3、電容C16均需選擇低溫漂型號，降低實際工作中溫漂對電路輸出精度的影響，保證前置器的整體輸出精度滿足要求。

圖4 F/V電路Fig.4 F/V circuit

（2）放大電路改進

新電路將轉換后的0～5 V電壓信號不需要進行幅值放大，信號經電壓跟隨電路的緩沖和隔離后送V/I電路，該設計簡化了信號處理過程，同時減少了對輸出精度有影響的環節。如圖5所示，該模塊以電壓跟隨器為核心，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點，可以在前后級之間實現良好的阻抗匹配；此外，該模塊還具有提高前級電路驅動能力的作用。

（3）V/I電路改進

新設計在V/I模塊的開發過程中進行了全面改進。1）原設計中的V/I電路主要由分立器件構成，電路輸出精度受各個器件性能變化影響很大，如電阻R20、R21，電位器W1等器件對“滿量程”設定值有重要影響；電阻R22、R23、穩壓管D5，電位器W2器件對“零點”設定值有重要影響；一旦溫度發生變化，以上器件的性能會發生較大變化，對前置器的“滿量程”設定值和“零點”設定值產生不利影響，進而降低前置器的輸出精度；2）此外，由于不具備溫度自補償功能，溫度變化后，由LM258及電阻R24、R25等器件組成的轉換電路對前置器的輸出精度也會產生不利影響，影響輸出精度。

圖5 電壓跟隨電路Fig.5 Voltage following circuit

與原設計相比，新設計以XTR110AG為核心，如圖6所示。將跟隨器輸入的電壓信號轉換為對應的4～20 mA電流信號。通過調節電位器CW1，可以對V/I電路輸出零點（本電路中輸出零點為4 mA）進行調節，保證輸出零點符合要求；另外，通過電位器CW2，可以對輸出電流的線性度進行調節，保證輸出電流具有良好的線性關系；該電路不僅具有良好的可靠性和輸出精度，而且自身具有溫度補償功能，可以降低溫度變化對輸出精度的影響，保證了V/I電路在前置器的整個工作溫度范圍內都具有很高的輸出精度，大大提高了前置器的整體性能。

（4）改進效果

圖6 V/I電路Fig.6 V/I circuit

與原設計相比，改進后的前置器輸出精度受環境溫度變化影響較小，在整個工作溫度范圍內精度更高，穩定性更好等特點。

5.1.3 結構設計

新設計對前置器中的器件布局進行了調整和優化，將重量較大的變壓器安裝在了前置器靠近固定點的位置，這種布局大大提高了前置器安裝后的抗震能力。結合設計建議和現場實際使用情況，將保護盒防護等級提升為IP55，可以為前置器提供良好的防水、防塵保護。

5.2 關鍵性技術參數改進

在優化元器件選型和電路設計改進的基礎上，為進一步完善前置器性能，滿足目前最新標準要求，在前置器開發過程中，對影響前置器性能的一些關鍵性參數進行了有效改進。

5.2.1 電磁兼容

原設計中并未對前置器的電磁兼容問題進行充分考慮，也沒有依據相關標準對設備進行全面的電磁兼容試驗。

在開發過程中，首先依據相關標準（如IEC61000等）中的規定和要求，選取并確定了前置器需要進行的電磁兼容試驗項目（浪涌抗擾度等八項試驗）。之后對所選擇的試驗項目，進行有針對性的設計開發，在供電電路中增加壓敏電阻進行抗浪涌保護，在結構上采用全封閉金屬設計。通過改進大大提高了設備在現場復雜環境條件下長期運行的安全性和可靠性。

5.2.2 輻照

抗輻照性能是1E級前置器的一項關鍵技術指標。根據以往測量數據，前置器安裝位置處的輻照劑量率約為8 mSv/h，屬于輻照環境；但原設計中并未對前置器的抗輻照性能進行充分考慮，也沒有依據相關標準對設備進行輻照試驗，導致前置器在現場較強的輻照環境中長期運行存在著較大的安全風險。

新開發的前置器結構件和保護殼均采用全封閉結構和加厚的不銹鋼材質，相比以前的鋁質材料耐輻照能力加強。試驗方案由項目組聘請相關專家召開專題會議，經過認真討論確定：以15 mSv/h劑量率按照5年壽命折算出累計劑量，增加15%裕量作為輻照試驗的累積劑量值756Gy。通過多次摸底試驗，很好地解決了前置器抗輻照問題。

5.2.3 抗震

作為安全級設備，前置器需要具備良好的抗震性能，但原鑒定大綱中所進行的抗震試驗存在明顯缺陷，不能對設備的抗震性能進行全面驗證。

新開發的前置器通過改變結構件和保護殼的設計、電路板的固定方式及變壓器的位置，采用多頻試驗中的時程曲線方法，根據反應堆廠房內部結構12 m層樓面反應譜（SSE），阻尼取4%，水平X、Y方向的峰值加速度為2g，垂直Z方向的峰值加速度為0.5g進行試驗，確保新開發的前置器具有良好的抗地震性能。

6 結束語

新產品具有輸出穩定、精度高、抗干擾能力強等特點。在現場進行實際運用后，運行狀態良好，有效降低了因主泵轉速測量故障而引起的電站非計劃性停堆事件，提高了核電廠運行的安全性和可靠性。

參考文獻：

［1］ 主泵轉速前置器技術規格書［R］. 上海核工程研究設計院，2014，1.（Technical Specifications of Reactor Coolant Pump Speed Converter［R］. Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute， 2014，1.）

［2］ 主泵轉速前置器鑒定大綱［R］. 中科華北京分院，2014，2.（Identification Program for Reactor Coolant Pump Speed Converter［R］. Zhong Ke Hua Beijing Branch， 2014，2.）

［3］ 秦山310 MW核電機組基礎理論教材表與控制［R］. 秦山核電公司，2008，1. （Basic Theory of Qinshan 310 MW Nuclear Power Plants—Instrumentation and Control［R］. Qinshan Nuclear Power Corporation，2008，1.）

［4］ 核電站冷卻劑泵轉速檢測裝置預老化試驗大綱［R］.上海自動化儀表股份有限速表廠，1998，4.（ Preaging Test Program for Nuclear Power Plant Coolant Pump Speed Test Device［R］. Shanghai Automatization Instrument Stock Limited Speed Instrument Factory，1998，4.）

The Current Status Analysis and Reliability Improvement of Reactor Coolant Pump Speed Measurement

PAN Wei-hua
（CNNP Nuclear Power Operations Management Co.， Ltd.，Haiyan of Zhejiang Prov. 314300， China）

Abstract：Reactor coolant pump speed converter（referred to as the converter）is the key equipment of monitor reactor coolant pump speed. During the twenty years of power plant operation， there were several reactor coolant pump speed measuring failures caused by the converter itself. It points out that the root cause of failure is component quality and unreasonable circuit design. To thoroughly solve the problem of speed measurement anomaly， the writer decided to employ improvement resolution of 1E development. The new product has been carried out comprehensive improvement in the circuit development. Besides， local optimization has been performed in the structure design. The newly developed 1E converter has the characteristics of high precision， stable performance and strong ability of anti-interference. After being applied in the field， it showed good condition， and improved the security and reliability of the power plant operation.

Key words：reactor coolant pump speed； converter； reliability

中圖分類號：TM623

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1617（2016）01-0031-06

收稿日期：2015-11-20

作者簡介：潘衛華（1974—），男，浙江海鹽人，高級工程師，現從事核電儀控設備管理工作。