反應堆保護系統響應時間的測量

張建平，張建兵，祝偉健，唐 龍

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

反應堆保護系統是核電廠重要的安全系統，它對于限制核電廠事故的發展，減輕事故后果，保證反應堆及核電廠設備和人員的安全，防止放射性物質向周圍環境的釋放具有十分重要的作用[1]。

反應堆保護系統是關系到核電廠安全與否的重要系統之一，因此必須驗證保護系統從傳感器響應至執行機構完成動作之間的時間不大于最終安全分析報告中所允許的最大值。在系統調試后期進行響應時間測量，是為了及時發現問題并予以解決，保證保護系統動作的快速性，確保核電廠的安全運行。

1 反應堆保護系統的功能與組成

反應堆保護系統是反應堆安全系統的一部分，功能主要是保護三大核安全屏障（燃料包殼、一回路壓力邊界和安全殼）的完整性。當運行參數達到危及三大屏障完整性的閾值時，反應堆保護系統動作觸發反應堆緊急停堆和啟動專設安全設施[2]。

反應堆保護邏輯設備包括兩個冗余的邏輯系列（系列A和B），A系列邏輯和B系列邏輯分別放在實體分隔的機柜中，連接電纜分隔敷設，緊急停堆邏輯獨立于專設安全系統邏輯，另外邏輯柜與信號柜之間、邏輯柜與輸出柜之間在電氣上也是相互隔離的，以保證最大限度的實體分隔與電氣隔離[3]。每個系列包括7個緊急停堆系統機柜、8個專設安全設施驅動系統機柜和4個隔離柜，此外A列還有1個ATWT系統機柜。每個系列的緊急停堆系統和專設安全設施驅動系統包括邏輯柜、信號柜、輸出柜、T3試驗柜和繼電器及電源分配柜。邏輯柜處理來自隔離柜和主控室的信號，包括完全相同的兩個半邏輯機柜，分別是X半邏輯柜和Y半邏輯柜。信號柜處理來自邏輯柜的信號，產生指示燈信號、報警信號和計算機輸入信號。輸出柜處理來自邏輯柜的信號，當X半邏輯和Y半邏輯同時動作時，產生安全驅動器的控制信號。

從廣義上講，反應堆保護系統應包括KRG（過程儀表系統，通常稱為SIP）、RPN（核儀表系統）、RPR（反應堆保護系統），以及所有專設安全系統（如RIS安全注入系統、EAS安全殼噴淋系統等）。KRG和RPN系統有4個相互獨立的通道，分別對現場傳感器送出的數據進行處理，模擬信號達到設定值后轉換成開關量信號送至RPR系統的A、B兩個系列，作為保護系統的輸入信號。輸入信號首先進入保護系統的隔離卡件，每個輸入信號通過隔離卡件產生與輸入信號隔離且相互獨立的兩個開關量輸出信號，分別送去X半邏輯柜和Y半邏輯柜。隔離卡件的輸出信號分別在X半邏輯柜和Y半邏輯柜中進行同樣的邏輯運算，當X半邏輯和Y半邏輯同時給出保護動作信號時，形成保護指令，最終送至執行機構執行保護動作。反應堆保護系統的基本組成如圖1所示。

圖1 反應堆保護系統組成及響應時間區間劃分Fig.1 Composition of reactor protection system and division of response time interval

2 反應堆保護系統響應時間測量

保護系統響應時間，是指該系統的每一個輸入變量從超越保護整定值起，到觸發保護系統執行機構完成相應保護命令所需要的時間。系統對每一個保護變量的響應時間有不同的要求。本文主要描述保護系統邏輯部分響應時間的測量，傳感器的響應時間由廠家提供；模擬部分的響應時間（T’）由制造廠測量，測量方法是先把動態環節的時間常數調為零，然后測量從輸入階躍信號（幅值是整定值的95%～105%）起，到閾值繼電器動作為止的響應時間；停堆斷路器斷開時間（T3）由調試電氣組提供；如圖2所示，保持鉤爪釋放時間（T4），是保持線圈小電流下降到額定值的33%開始到棒位探測器原邊線圈感應電壓出現拐點為止；控制棒下落的時間（T5），是棒位探測器原邊線圈電壓波形上升開始直到其出現下降拐點為止；控制棒插入時間（T6），是棒位探測器原邊線圈電壓波形出現下降拐點起，到第一次降為零為止；驅動機構的動作時間由各相關系統提供。

圖2 落棒時間測量波形Fig.2 Measuring wave opening of falling rod time

圖3列出了響應時間的組成。下面解釋各部分響應時間的定義，同時列出了安全準則所要求的時間范圍。

圖3 保護通道響應時間分解圖Fig.3 Decomposition diagram of response time of protection channel

TRT緊急停堆通道響應時間為：

式（1）中，T0——流體傳輸時間（參數為溫度時，T0=1s，其余參數為T0=0s）。

T1——傳感器響應時間（由廠家提供）。

T2——模擬通道和邏輯通道響應時間（T2'≤0.10s，T2"≤ 0.20s）。

T3——反應堆緊急停堆斷路器打開時間（T3≤0.15s）。

圖4 響應時間測試原理圖Fig.4 Schematic diagram of response time test

T4——棒控系統保持鉤爪的釋放時間（T4≤0.15s）。

T5——落棒時間（從開始下落到緩沖段）：T5≤2.15s。

T6——從緩沖段到堆芯底部的時間（T5+T6≤3.0s）。

緊急停堆系統的保護動作響應時間≤30ms（從隔離柜的輸入到輸出柜中輸出繼電器的接點）。

專設安全設施驅動系統的保護動作響應時間≤50ms（從隔離柜的輸入到輸出柜中輸出繼電器的接點）。

ATWT系統的保護動作響應時間≤80ms（從系統的輸入接點到輸出接點）。

TESF專設安全設施通道響應時間為：

其中，T10 = T11+T12+T13；T11：柴油發電機啟動時間；T12：重新加載時間，對于非應急供電的驅動器T11 =T12 = 0；T13：在電廠系統試驗中測量的驅動器動作時間。

對于一個給定的保護動作，TESF應根據具有最長響應時間的驅動器來計算；只對那些在保護動作中實際動作的驅動器進行試驗，對那些通常處于安全位置的驅動器（只接受來自反應堆保護系統的真實信號），在計算TESF時不予考慮。

2.1 測試條件

RPR系統功能試驗已經完成，且處于試驗狀態（與下游系統隔離）。系統沒有緊急停堆和專設安全設施動作信號，保護系統220V交流電源LNA/LNB/LNC/LND/LNE及48V直流電源LCA/LCB/LCC可用。

2.2 安全措施

利用RPR模擬輸入裝置，將RPR置于非動作的狀態，由繼電器的開觸點輸出的信號應在端子排上斷開，由繼電器的閉合觸點輸出的信號應由短接片在端子排上短接，緊急停堆主斷路器和旁通斷路器應抽出。

表1 響應時間測試記錄Table 1 Response time test record

3 測試方法及結果

3.1 測試方法

在T2響應時間的測試中，主要測量邏輯通道的響應時間。測試時，從保護系統隔離柜的輸入端注入模擬的輸入信號來代替模擬通道輸出信號，同時用響應時間測試儀（4通道記錄儀），記錄從注入模擬的輸入信號到RPR機柜輸出保護動作命令所占用的時間，具體步驟如下：

1）檢查測試條件（如2.1所述）。

2）預置相關邏輯狀態（由于保護系統中符合邏輯和邏輯運算的不同，需要設置一些相關的邏輯狀態，使被測信號能產生動作信號輸出）。

3）注入模擬的輸入信號：在調試臺上，將隔離柜的信號輸入接到反應堆保護系統的模擬裝置上，利用試驗按鈕產生觸發信號，用響應時間測試儀記錄響應時間。

下面以超溫ΔT的響應時間測試為例，說明測試方法。

如圖4所示，把電源、試驗按鈕、記錄儀連接完畢，且再預置一路超溫ΔT信號。此時，輸入Ⅰ有24V電壓信號，輸入Ⅱ有48V電壓信號。當按下試驗按鈕時，輸入Ⅰ立即為0，而輸入Ⅱ要經過邏輯處理后驅動輸出柜的繼電器動作，才變為0。這里的延時時間T，就是保護系統邏輯處理部分的響應時間。當然，不同類型的信號有不同的連接方式，特別是隔離卡件的輸入電壓有24V和48V，需要引起重視，否則容易損壞隔離卡件。

3.2 測試結果

在核電廠調試期間，反應堆保護系統響應時間測定試驗數據，不但是系統驗收所必須的，而且對今后核電站安全運行和必要的檢修工作，都是必不可少的原始資料。表1列出了3號反應堆保護系統的響應時間，當然，如果是四取二通道，必須每個通道都要測量，并取其最大值。

4 結束語

根據所測數據與保護系統安全準則比較，完全滿足要求。近期的運行也表明，響應時間在規定的范圍內。這就證明，保護系統是安全可靠的，能夠確保反應堆具有很高的安全性。