棒控棒位系統(tǒng)啟動(dòng)特性測試方法優(yōu)化研究與實(shí)現(xiàn)

許鵬羽，王小雨，賀先建

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213）

0 引言

棒控棒位系統(tǒng)是核電站的重要系統(tǒng)之一，是調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率的最重要、最靈活的手段，是反應(yīng)堆正常運(yùn)行的必要條件[1]。某核電廠棒控棒位系統(tǒng)在工廠測試時(shí)，為測量某電源柜的動(dòng)力電源啟動(dòng)特性，需對電源柜的動(dòng)力電源啟動(dòng)電流波形進(jìn)行記錄，但由于交流電的特性，需要多次啟動(dòng)棒控棒位系統(tǒng)以獲得啟動(dòng)電流最大值。通過以上做法雖能滿足測試需求，但存在以下問題：

1）因棒控棒位系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部插件自身特性，在兩次啟動(dòng)之間需要對設(shè)備進(jìn)行放電，如果放電不徹底會(huì)對下次啟動(dòng)電流的測量造成干擾，最后導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。

2）因棒控棒位系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部插件電容存在殘余電壓，對測試人員工作的執(zhí)行存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 棒控系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of rod control system

本研究通過對三代核電項(xiàng)目棒控棒位系統(tǒng)在啟動(dòng)、運(yùn)行、放電原理等多個(gè)角度進(jìn)行剖面分析，得出如何快速獲得棒控棒位系統(tǒng)較大的啟動(dòng)電流波形，進(jìn)而優(yōu)化測試方法，提升測試效率。

1 棒控棒位系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理分析

棒控電源柜通過PLC 數(shù)字量輸入模塊接收上游棒控邏輯柜的提升和插入指令，而后再由PLC 發(fā)出時(shí)序命令，通過控制驅(qū)動(dòng)插件中的閉環(huán)控制回路和主電路產(chǎn)生時(shí)序電流向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈供電，從而控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作[2]。圖1 為棒控電源柜原理圖。

2 棒控棒位系統(tǒng)啟動(dòng)特性測量必要性分析

啟動(dòng)特性（這里特指啟動(dòng)電流）是指機(jī)柜在剛啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流，是機(jī)柜通電瞬間到運(yùn)行平穩(wěn)的短暫時(shí)間內(nèi)的電流變化量，啟動(dòng)電流過大會(huì)對電網(wǎng)產(chǎn)生極大影響。因此，需準(zhǔn)確測量棒控棒位系統(tǒng)啟動(dòng)電流，以便設(shè)置上游供電容量。

從圖1 可知，當(dāng)棒控棒位系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，棒電源系統(tǒng)分別給棒控電源柜提供220VAC 控制電和260VAC 動(dòng)力電，由于三相交流電特性，為獲得理想的動(dòng)力電源啟動(dòng)電流波形，需多次啟動(dòng)棒控棒位系統(tǒng)。但由于棒控棒位系統(tǒng)在前后兩次啟動(dòng)間隔時(shí)間內(nèi)卡件存在殘余電壓，需要棒控棒位系統(tǒng)內(nèi)部卡件放電完成才可進(jìn)行下一次啟動(dòng)，延長了棒控電源柜啟動(dòng)特性測試的時(shí)間。因此，亟需尋找一種能將棒控棒位系統(tǒng)內(nèi)部卡件殘余電壓快速釋放的方法。

圖2 棒控系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)插件結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 The control driver structure schematic diagram of rod control system

圖3 三相監(jiān)測繼電器級聯(lián)電路示意圖Fig.3 Schematic diagram of three-phase monitoring relay cascade circuit

3 棒控棒位系統(tǒng)IGBT工作原理分析

在分析完棒控棒位系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理后，為實(shí)現(xiàn)對棒控棒位系統(tǒng)內(nèi)殘余電壓的快速放電，首先需確認(rèn)殘余電壓所在的位置，棒控電源柜控制驅(qū)動(dòng)插件結(jié)構(gòu)原理圖如圖2 所示。

控制驅(qū)動(dòng)插件通過FPGA 控制電路、IGBT 驅(qū)動(dòng)電路、IGBT 模塊、電流采樣電路和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈形成閉環(huán)控制回路，實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈大小電流的輸出。在三相動(dòng)力電源均失電時(shí)，IGBT 上游的驅(qū)動(dòng)電路被IGBT 截?cái)啵揽框?qū)動(dòng)電路自身的放電回路無法實(shí)現(xiàn)快速放電，需要依靠外部介入實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路中電容電場能的快速釋放[3]。

圖4 三相監(jiān)測繼電器級聯(lián)電路示意圖Fig.4 Schematic diagram of three-phase monitoring relay cascade circuit

根據(jù)IGBT 工作原理，當(dāng)三相動(dòng)力電源正常通電時(shí)，三相監(jiān)測級聯(lián)電路不做動(dòng)作，此時(shí)IGBT 基極的驅(qū)動(dòng)控制信號受PLC 輸入的定制信號控制；當(dāng)PLC 有下發(fā)命令時(shí)，IGBT打開使模擬負(fù)載接通IGBT 驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)而使負(fù)載動(dòng)作[4]。

從圖3 中可以看出，輸入動(dòng)力電源U、V、W 中每相電源均采用4 個(gè)繼電器進(jìn)行監(jiān)測，U 相對應(yīng)4 個(gè)繼電器為RL21、RL22、RL23、RL24，V 相 對 應(yīng)4 個(gè) 繼 電 器為RL31、RL32、RL33、RL34，W 相對應(yīng)4 個(gè)繼電器為RL41、RL42、RL43、RL44。

從圖4 中可以看出，12 個(gè)三相繼電器的常開觸點(diǎn)進(jìn)行兩兩并聯(lián)后再以串聯(lián)的級聯(lián)形式進(jìn)行連接，同時(shí)將PLC 的24VDC 接口電源用作繼電器接口電源。在三相動(dòng)力電源均失電時(shí)，通過三相監(jiān)測繼電器級聯(lián)電路斷開輸入到DC/DC模塊輸出禁止端的控制信號，并切斷直流電源卡件輸出到IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的+15V 電源，從而實(shí)現(xiàn)IGBT 的快速關(guān)斷。

4 棒控棒位系統(tǒng)斷電后快速放電可行性方案研究

通過以上分析，在掌握棒控電源柜IGBT 工作原理后，就如何快速釋放掉IGBT 上游驅(qū)動(dòng)電路的殘余電壓制定了以下兩種方案。

4.1 方案一

根據(jù)棒控電源柜IGBT 工作原理，當(dāng)發(fā)生三相失電后由三相監(jiān)測級聯(lián)電路進(jìn)行判斷，然后發(fā)送電信號給直流電源插件切斷輸出到IGBT 模塊控制驅(qū)動(dòng)信號的+15V 電源，進(jìn)而關(guān)斷IGBT。為避免三相失電引起IGBT 關(guān)斷，需保證IGBT 模塊的+15V 電源一直存在，而控制IGBT 模塊+15V電源通斷的是三相監(jiān)測級聯(lián)電路。因此，為使三相失電后棒控電源柜內(nèi)殘余電壓順利通過IGBT 由負(fù)載消耗掉，需對三相監(jiān)測級聯(lián)電路中的繼電器進(jìn)行旁通設(shè)計(jì)，這樣就能保證在棒控電源柜斷電后，IGBT 驅(qū)動(dòng)電路中的殘余電壓順利通過IGBT 快速釋放給下游的模擬負(fù)載。

表1 測試方法優(yōu)化前后對比Table 1 Comparison of test methods before and after optimization

表2 方案1與方案2比較Table 2 Comparison of Plan 1 and Plan 2

對三相監(jiān)測級聯(lián)電路中的繼電器進(jìn)行旁通設(shè)計(jì)后，對新的設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)測，測試前后對比效果見表1。

從表1 可知，當(dāng)未對測試方法進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，在不同電壓等級下測量單個(gè)電源柜的動(dòng)力電源啟動(dòng)特性需要至少6min，而當(dāng)對測試方法進(jìn)行優(yōu)化后，測量單個(gè)電源柜的動(dòng)力電源啟動(dòng)特性最多只需要1.5min，大大縮短了棒控電源柜連續(xù)啟動(dòng)的間隔時(shí)間，提高了工廠測試效率。

4.2 方案二

根據(jù)棒控電源柜IGBT 工作原理，當(dāng)發(fā)生三相失電后可通過將IGBT 集電極外接地進(jìn)行放電，該方案的優(yōu)點(diǎn)是可跳過三相監(jiān)測級聯(lián)電路的限制，無需對三相監(jiān)測級聯(lián)電路中的繼電器進(jìn)行旁通，可直接將IGBT 驅(qū)動(dòng)電路中的殘余電壓釋放出去，缺點(diǎn)是IGBT 驅(qū)動(dòng)電路集成在控制驅(qū)動(dòng)插件內(nèi)部，若要接地需先將控制驅(qū)動(dòng)插件拔出，然后拆除插件蓋板才可對其進(jìn)行接地放電處理。

4.3 方案可行性分析

通過對以上兩種方案分別從可操作性、效率和是否需要額外設(shè)備3 個(gè)維度進(jìn)行比較，得出結(jié)果見表2。

通過表2 可知，方案1 與現(xiàn)有測試方法相比節(jié)省了75%的時(shí)間，且易操作，無需增加額外設(shè)備，僅增加外接短接線即可。因此，通過方案1 可更好地實(shí)現(xiàn)棒控棒位系統(tǒng)關(guān)于啟動(dòng)特性測試方法的優(yōu)化。

5 結(jié)論

本文簡要說明了三代核電項(xiàng)目中基于棒控棒位系統(tǒng)的啟動(dòng)特性測試方法中出現(xiàn)的問題，通過對棒控棒位系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理和IGBT 工作原理的分析，制定了兩種方案，通過對兩種方案的可行性分析，從而提高了測試效率。通過該方案的實(shí)施，可以縮短工廠測試時(shí)間，為后續(xù)核電廠棒控棒位系統(tǒng)工廠測試活動(dòng)順利開展提供保障，保證按時(shí)完成供貨節(jié)點(diǎn)。