反應堆保護系統T2響應時間自動測試裝置通道選擇方案研究

尤 兵，陳 偉（福清核電有限公司，福建 福清 350318）

圖1 福清核電反應堆保護系統響應時間自動測試結構圖Fig.1 The structure of RPR test equipment of Fuqing

0 引言

反應堆保護系統（RPR）的主要功能是在異常工況或事故工況下，通過停堆和（或）啟動專設安全設施，以防止或減輕堆芯和冷卻劑系統部件的損壞，保護三大核安全屏障的完整性，避免引起放射性物質大量逸出，保護核電廠周圍環境不受污染以及人員的安全。

GB/T-5204-1994《核電廠安全系統定期試驗與監測》[1]的6.3.4節規定了應對安全系統或子系統進行響應時間試驗，以驗證響應時間在安全分析報告所給定的限值之內。EJ/T1019-1996《核電廠安全重要儀表通道響應時間試驗》[2]規定了對安全重要儀表通道進行響應時間測試的要求和方法。

目前，國內核電廠反應堆保護系統響應時間測試主要方式有：基于高精度記錄儀和信號發生器進行手動測試，采集觸發信號與動作指令，人工計算響應時間[3]；將高精度記錄儀和信號發生器結合開發出的便攜式響應時間測試儀，同一臺設備進行信號觸發和采集，并自動計算響應時間[4]。這兩種方式的共同點是：試驗前需結合機組工況，手動預置保護系統初始化狀態，測一個保護組信號前需人工拆接線來更換待測信號組，并手動預置信號。因此，需進行多人在多個廠房內配合實施大量的信號預置、拆接線操作以及測試數據處理。

1 RPR系統T2響應時間自動測試方案

福清核電廠反應堆保護系統由兩部分構成：反應堆停堆系統（RTS）和專設安全設施驅動系統（ESFAS）。其中，RTS由4個獨立的保護通道（IP、IIP、IIIP、IVP）組成，ESFAS由A、B兩個保護列構成，每個通道和列包含兩個子系統，以實現功能多樣性。ESFAS接收發自RTS通道的雙穩態信號，并進行四取二、三取二邏輯符合，觸發安全專設動作[5]。按照反應堆保護系統保護通道和列間電氣隔離的設計要求，這些機柜分別部署在安全廠房和電氣廠房，在廠房內還分別布置在不同的房內（S821/822/823和L609/611/613/614房間，跨廠房跨樓層）。

基于相關需求，福清核電開發了反應堆保護系統響應時間，如圖1所示的自動測試裝置。在圖1中，3-1為試驗集中控制模塊；3-2為選擇模塊；3-3為信號觸發模塊；3-4為響應時間測試模塊；3-5為機組保護組機柜；3-6為機組反應堆多樣性保護性系統機柜；3-7為機組安全專設驅動機柜；3-8為機組反應堆保護系統工程師站。3-5至3-8為機組反應堆保護系統既有組成部分，3-1至3-4組成專用試驗裝置，黑色實線表示設備間通過網絡通訊連接，黑色點劃線表示設備間通過硬接線連接。

自動測試裝置基于機組既有電纜和反應堆保護系統網絡（TXS系統）設計，具備觸發多類型信號和信號回路自動選擇功能，并能以網絡通訊方式自動注入試驗初始預置信號，裝置具備統一人機界面，支持既有試驗規程自動執行，并能實現試驗結果自動記錄和輸出。在該裝置開發中，測試裝置與各保護通道和保護列之間的信號通訊是開發的難點，本文主要針對該信號通訊模塊的開發進行探討。

2 通道選擇方案總體設計

響應時間自動測試的方案是預置邏輯輸入初始狀態，通過觸發停堆信號，采集輸出信號，計算輸出性與原始觸發信號間的時間差，即為通道的響應時間。結合TXS系統的特點，本裝置開發的通道選擇模塊主要涉及原始觸發信號和輸出信號，因此通訊系統的設計需要解決兩類信號的傳輸：一類是原始觸發信號的注入，另一類是輸出信號的采集。

選擇模塊需實現用一根電纜向反應堆保護系統注入250個保護信號，并將超過70個緊急停堆及安全專設指令信號采集回響應時間測試裝置的功能。基于機柜布置跨廠房跨樓層布置的實際特點，如使用硬接線電纜實現信號注入和試驗輸出結果采集，將需要在廠房和樓層間敷設布置大量的電纜。即使不考慮大量敷設電纜帶來的經濟性問題，由于電纜系統的設計中未考慮此類電纜的容量，造成電纜托盤無法承載以上電纜，且在電纜孔洞完成封堵以后，新增大量電纜在工程上也很難實施。如果采用光纜或雙絞線方式以通訊方式實施，也存在孔洞封堵以后的光纜敷設問題。因此，需在現有條件基礎上考慮解決方案。

圖2 通道選擇示意圖Fig.2 The structure of channel select

圖3 選擇模塊實現方案Fig.3 The structure of channel select module

核電廠電纜敷設設計中，考慮到調試和大修期間需測試響應時間，在計算機房和各保護通道和列之間設計了測量電纜，以供人工測試時注入測試信號和使用記錄儀測量輸出信號。福清核電項目所用的測量電纜考慮到電磁屏蔽要求，采用的是帶屏蔽層的成對線纜，電纜中共8對線徑1mm2的芯線，每對芯線均有輕微雙絞。因此，考慮使用測量電纜作為通訊介質，使用CAN協議實現通訊。鑒于測量電纜的屏蔽性能低于網絡雙絞線，且通訊長度最遠達130m，為保證長距離通訊的可行性，在實際開發中，通訊波特率設置為125kbps。

此外，由于需要向機柜中多個停堆功能注入觸發信號，因而需要向機柜多個端子排分別注入信號。在傳統的人工測試方案中，一般由人工在就地機柜側通過拆接線方式實現，實現自動化測試后，需要同時實現自動切換通道和滿足響應時間對傳輸延時的要求。因此，設計兩級切換電路：第一級實現主控制器至保護通道的切換，完成主控制器輸出觸發信號切換至待測通道；第二級切換實現某一保護通道內具體信號端子的切換，完成觸發信號至具體信號端子的切換，建立測試電路。兩級切換均采用純硬件實現，確保傳輸時間不影響響應時間測試的結果。

3 通道選擇模塊具體實現方案

選擇模塊與響應時間測試裝置間具備硬接線和控制器局域網（CAN）總線通訊通道，由驅動模塊和繼電器矩陣組成，其中驅動模塊包括CAN協議收發器和選擇信號解析器，如圖3所示。

3.1 驅動模塊具體實現

驅動模塊的主要功能是通過CAN協議收發器接受來自響應時間測試裝置的信號回路選擇指令，通過選擇信號解析器解析字節中的指令，控制下游繼電器矩陣。驅動模塊由帶多個輸出通道的單片機系統組成，使用2芯銅制雙絞線，以CAN通訊方式接受響應時間測試裝置送出的選擇指令，把指令解析成在矩陣中的繼電器動作指令，貫通兩個與RPC特定信號連接的通道，建立由純硬件組成的測量通道。解析器將執行狀態返回給響應時間測試裝置，隨后進入待機狀態，等待CAN網發送命令。

本系統CAN通訊共設計了8個節點，主節點位于計算機房中的測試主控制器中，7個從節點分別位于4個保護通道、2個保護列和多樣化保護通道中，采用主控通信控制方式，即命令應答式。由測試主控制器向現場從節點下發命令，從節點收到命令完成之后返回應答數據。相應的CAN協議幀定義見表1。

驅動模塊與響應時間測試裝置之間下行信號接口除上述切換指令信號外，還用于傳輸響應時間測試裝置發出的仿真源信號，此類信號對時間要求極高，因此接口還需具備硬接線接口，以在繼電器矩陣按驅動模塊指令建立硬件通道后，實現仿真信號從響應時間測試裝置輸出至就地RPC機柜。選擇模塊下行接口一端接響應時間測試裝置的仿真信號輸出端口或上一級選擇模塊繼電器矩陣輸出，另一端連接下一級選擇模塊輸入或就地RPC機柜輸入端子。上行信號接口用于接受RPC機柜表決邏輯信號輸出，該接口的另一端接響應時間測試裝置。

3.2 繼電器矩陣具體實現

繼電器矩陣采用繼電器搭建切換電路，并由信號解碼和微型控制系統控制繼電器狀態，實現信號測試通路的全硬連接。

繼電器矩陣構成選擇裝置的預置通道，繼電器矩陣以X取Y的形式實現信號通道的切換，如圖4所示為66取2矩陣拓撲，根據RPC系統4取2保護邏輯特點，在同一時刻只需觸發兩個仿真信號，共計2個信號通道。r0～r1為來自響應時間測試裝置的2路試驗信號，c0～c66為66路輸出信號，其中交叉點為繼電器。繼電器矩陣接受兩路下行仿真信號注入，同時根據選擇信號解析器的指令，在66路輸出信號中貫通兩個信號通道，將下行信號注入對應RPC系統通道對應表決邏輯中，以在RPC系統中觸發4取2保護邏輯，產生預期表決邏輯輸出。以圖4為例，選擇信號解析器接到接通c4通道的指令時，將r0與c4通道交叉點對應的繼電器閉合，接通r0～c4電氣回路，將仿真信號通過c4端子注入4取2表決邏輯，此時4個信號中有1個信號已觸發。同理，在接到r1和c1信號通道接通指令后，將仿真信號通過c1端子注入第二個觸發信號，使得4取2觸發動作。

表1 CAN協議幀定義Table 1 CAN protocol frame definition

圖 4 66選2矩陣Fig.4 The schematic of channel select matrix

同樣地，采集表決邏輯動作的信號采集回路也采用繼電器矩陣實現信號回路的切換和復用，區別僅僅是矩陣規模根據表決邏輯動作信號的數量有所減少。

4 結論

為了解決反應堆保護系統T2響應時間測試人工測試難度大而工期短的問題，本文從反應堆保護系統的結構和現場實際出發，提出了響應時間自動測試的方案，并重點針對自動測試方案的關鍵點通道選擇方案進行了設計。利用電廠已敷設的普通電纜或電纜備用線芯進行通訊和硬接線信號傳輸，實現保護系統響應時間集中、自動測試。該研究方案已在福清5號機組中實際應用，在待測信號數量相對于福清項目前序機組增加25%的基礎上，響應時間測試項目耗時從14天大幅降低到了70h以內，測試效率實現了質的飛越，說明本文所設計的通道選擇方案是完全可行的。