停堆棒落棒問題分析與改進

王曉峰，夏善杰，劉 錚，張振超

（中核核電運行管理有限公司維修五處，浙江海鹽 314300）

0 引言

重水堆核電站1#停堆系統(tǒng)屬于專設安全系統(tǒng)之一，通過向反應堆中插入停堆棒來終止反應堆的自持鏈式裂變反應，吸收中子，減少核燃料產生的能量。

1#停堆系統(tǒng)從反應堆得到工藝測量參數(shù)與核測參數(shù)送到D通道脫扣邏輯。如果某一參數(shù)值達到脫扣設定值，則D通道將脫扣。D通道脫扣信號分別輸送到奇數(shù)組停堆棒和偶數(shù)組停堆棒的3取2邏輯回路。當E通道或/和F通道也脫扣（無論脫扣原因是否和導致D通道脫扣的工藝參數(shù)相同），1#停堆系統(tǒng)將觸發(fā)，奇數(shù)組和偶數(shù)組停堆棒離合器失電，28根停堆棒在加速彈簧和重力的雙重作用下落入反應堆中，引入-80 mK（注：1mK=0.001開爾文度）的負反應性。工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程

正常運行情況下，DC 95 V電源系統(tǒng)通過加載離合器保持其通電吸合。當停堆棒需要提升時，電機啟動，帶動蝸輪蝸桿轉動并通過減速齒輪減速使停堆棒提升。當停堆棒到達頂部位置后，停堆棒位置測量裝置發(fā)出停堆棒到頂?shù)男盘?，自動切除電機電源，電動機停運，停堆棒就被懸掛在反應堆的頂部保持不動。當1#停堆系統(tǒng)觸發(fā)時，28根停堆棒失去了保持落入堆芯。

1 落棒邏輯模塊工作原理

落棒邏輯模塊由停堆棒選擇繼電器、時間繼電器、SDR繼電器、光電耦合器和輸出功率級組成，如圖2所示，提供約0.75 A的一個電流到停堆落棒離合電線圈。用一外部供應的觸發(fā)脈沖，能按可預置的延遲時間來中斷這個電流。如果沒有信號供應到棒選擇繼電器，則觸發(fā)信號就不能啟動延時卡。

圖2 落棒邏輯模塊工作原理

每個DC 95 V的電源的正、負輸出端分別經過公用的3取2邏輯模塊后，分別送到14個停堆棒的單獨離合器線圈邏輯驅動模塊及線圈供電回路。每個單獨的停堆棒供電回路包括一塊離合器線圈落棒邏輯模塊，一個離合器線圈和它們中間的連接電路和插頭、接線等，棒位選擇開關將DC 95 V正極信號送給棒位選擇繼電器MDR，使時間繼電器T得電并允許接收觸發(fā)信號。

2 意外落棒過程描述

在某次大修期間，有工作人員在工作平臺進行調節(jié)棒的更換工作，由于附近的6#停堆棒位置有干涉，因此工單安措要求將6#停堆棒放入堆芯，并將6#停堆棒的落棒邏輯模塊斷電。在調節(jié)棒的更換工作完成后，工作人員在恢復6#停堆棒落棒邏輯模塊的供電回路過程中，18#停堆棒意外落入堆芯。

3 意外落棒問題分析

3.1 公用回路分析

停堆棒公用的DC 95 V電壓經過3取2的邏輯屬于公用部分，現(xiàn)場只有出現(xiàn)18#棒落下，所以基本上排除了共模故障。停堆棒和調節(jié)棒安裝的位置不同，兩者相距較遠，這也可以確定兩者更換時不會產生干擾的情況。

3.2 落棒邏輯模塊插拔影響分析

為了分析18#停堆棒的意外落棒與其他停堆棒落棒邏輯模塊進行通斷電操作的關聯(lián)性及落棒電流初始值的差異性，進行了插拔偶系列任意停堆棒落棒邏輯模塊的輸入接頭J3和輸出接頭J4的試驗。通過記錄儀的監(jiān)視發(fā)現(xiàn)，在對同一系列的其他停堆棒的離合器線圈進行斷電和送電操作時，即拔出或插入其他停堆棒的落棒邏輯模塊輸入插頭J3和輸出插頭J4時，會對18#停堆棒的供電產生較大干擾。雖然2個輸出端的電壓差DC 95 V基本未變，但各個點對地的電壓卻發(fā)生了明顯變化。這是因為離合器線圈作為一個電磁鐵，本身是一個蓄能器，在斷電時有放電現(xiàn)象，在恢復供電時有充電現(xiàn)象，所以會影響到公共電源的輸出。同時測量其他停堆棒落棒邏輯模塊的輸出電壓變化以及離合器落棒初始電流（TP1和TP2電壓）。在測量中得出2個結論。

（1）都會相互影響。

（2）插拔落棒邏輯模塊輸入接頭J3和輸出接頭J4的次序不同，所產生的干擾截然不同（圖3）。

從圖3中看出，當先拔出J4，輸出電壓和輸出電流擾動大，電壓和電流變化明顯，輸出電流從正常值0.65 A下降到0.2 A。再拔出J3時，對輸出電壓幾乎無影響。當插入J3之后，再插入J4時，同樣對輸出電壓和電流有明顯影響。

從圖4中可以看到，當先拔出J3，再拔出J4時，由于對輸出電壓影響較小，所以對輸出電流幾乎沒有影響。當先插入J4，再插入J3時，同樣對輸出電壓有較小影響，在電壓波動的同時輸出電流會有短時上升的現(xiàn)象，輸出電流從正常值0.65 A上升至0.7 A。因此，落棒邏輯模塊的通斷電操作，會影響其他落棒邏輯模塊的輸出電壓和電流。但是不同的插拔次序造成的影響明顯不同。

圖3 不正確次序插拔6#棒插頭對18#棒輸出的影響

圖4 正確次序插拔6#棒插頭對18#棒輸出的影響

插拔任何停堆棒的落棒邏輯模塊輸入輸出接頭，均會對同一系統(tǒng)的其他落棒邏輯模塊的輸出產生影響。斷電時，正確次序是先拔出落棒邏輯模塊輸入插頭J3，再拔出輸出插頭J4，否則為不正確次序；送電時，先插入落棒邏輯模塊輸出插頭J4，再插入輸入插頭J3，否則為不正確次序。

插、拔落棒邏輯模塊輸入插頭J3和輸出插頭J4的次序不同，所產生的干擾截然不同。如果按照正確次序，給卡件斷電時按先拔出輸入插頭J3，再拔出輸出插頭J4的次序，給卡件送電時按先插入輸出插頭J4，再插入輸入插頭J3的次序，對其他停堆棒的落棒邏輯模塊卡件的輸出電流基本沒有影響；如果按照不正確次序，給卡件斷電時按先拔出輸出插頭J4，再拔出輸入插頭J3的次序，或者給卡件送電時按先插入輸入插頭J3，再插入輸出插頭J4的次序，對其他停堆棒的落棒邏輯模塊卡件的輸出電流有明顯影響。

因此可以確認，在對某一個停堆棒做斷電或恢復送電操作時，如果插、拔插頭的次序不正確，會對其他停堆棒的落棒邏輯模塊的輸出產生明顯影響。根據(jù)設計，落棒邏輯模塊的插接次序如果不正確，線圈上儲存的能量將不能通過合理的通道釋放，會對電源產生較大干擾。事實上，本次大修相關工作中未明確給出插、拔落棒邏輯模塊輸入、輸出插頭的次序。

3.3 落棒電流值分析

在同樣的干擾下，只有18#停堆棒落入了堆芯，還需要進一步檢查離合器的帶載能力。在離合器線圈輸出回路中串接滑線變阻器，增大電阻，降低輸出電流。對比18#和20#停堆棒的落棒電流初始值，當輸出電流為0.350 A時，18#停堆棒就開始下落，而20#停堆棒的落棒初始電流值為0.248 A。由此說明18#比20#停堆棒更易掉棒。

雖然18#和20#停堆棒都是長棒（長度和重量都相同），停堆棒離合器也都滿足設計要求，但從實驗結果來看，為保持停堆棒在堆芯頂部的位置，顯然18#停堆棒的離合器需要的電磁力更大，電流也要更大。18#停堆棒落棒初始電流值高，說明離合器之間稍有差異。18#停堆棒的離合器帶載能力稍弱，這也是18#停堆棒容易出現(xiàn)掉棒現(xiàn)象的因素之一。

3.4 落棒邏輯模塊的差別

晃動落棒邏輯的輸出接頭J4，也發(fā)生落棒現(xiàn)象,落棒邏輯模塊的電纜接頭J4可能存在接觸不良，有意外落棒的風險。為保險起見，提前更換電纜接頭J4。將新落棒邏輯模塊備件配置在18#停堆棒上，相同的操作，同樣的試驗未發(fā)生落棒，說明舊落棒邏輯模塊也存在降級現(xiàn)象。

在檢修車間，用測試裝置QT200對故障落棒邏輯模塊和新落棒邏輯模塊的內部元器件進行對比測試，對新、舊落棒邏輯模塊功率輸出級的電壓降、三極管Q1和Q2截止時的漏電流及延時時間測試并記錄。結果見表1。

測試結果表明，故障落棒邏輯模塊三極管Q1和Q2截止時的漏電流明顯大于設計要求值，其他的基本相同，從而判斷三極管Q1和Q2性能下降。在外界干擾下輸出電流會變得不穩(wěn)定或短時喪失，造成停堆棒掉棒。漏電流大，通常是器件失效的前兆，將導致一系列可靠性方面問題。

表1 落棒邏輯模塊測試記錄

4 改進措施

對落棒邏輯模塊接頭插拔的操作順序不正確是造成18#停堆棒落棒的直接原因，而18#停堆棒落棒邏輯模塊降級是根本原因，18#停堆棒離合器帶載能力稍弱是促成原因。為避免類似問題再次發(fā)生，制定4項改進措施。

（1）使用新的備件更換了降級的18#停堆棒落棒邏輯模塊。

（2）完善維修規(guī)程，在落棒邏輯模塊的檢查中，增加延時時間、功率輸出級漏電流和漏電壓的常規(guī)性檢查以及易老化元件的檢查與更換等內容。

（3）對停堆棒離合器線圈的斷電和送電操作次序，在相應維修文件中進行明確。

（4）增加相關預防性檢修項目。事件中發(fā)現(xiàn)落棒邏輯模塊的外部接頭是航空接頭結構，隨著使用年限的增加，彈性變差，可能會導致落棒邏輯模塊本體插座與外部接頭插針接觸不良，將造成對電源的干擾，嚴重的后果是導致停堆棒意外掉棒。外部經驗反饋中也有落棒邏輯模塊降級造成停堆棒落棒的事件，因此增加了更換落棒邏輯模塊本體的預維項目及對外部接頭進行檢查的步驟。

5 結束語

作為1#停堆系統(tǒng)的執(zhí)行機構，停堆棒的棒控回路對機組安全穩(wěn)定運行有非常重要的影響。通過對停堆棒落棒問題的分析和解決，使停堆棒控制邏輯的可靠性提高，對棒控回路重要設備的工作特性更加深入了解，得出2點經驗。

（1）必須對現(xiàn)場的一些系統(tǒng)和設備進行深入全面地了解和掌握。只有深入了解和掌握了設備和系統(tǒng)的特點，才能找出故障的根本原因，才能徹底排除故障。隨著時間的推移，現(xiàn)場系統(tǒng)和設備逐漸老化，因此必須掌握現(xiàn)場設備的特點，對容易出現(xiàn)問題的設備和元器件及時更換，以提高設備和系統(tǒng)的可靠性。

（2）對現(xiàn)場不合理的操作順序必須及時進行明確，將操作順序固化到維修文件中，確保工作人員按照程序操作，避免類似問題再次發(fā)生。