臨界裝置保護系統中功率保護裝置的設計

劉威峰，肖金鳳

(南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽 421001)

0 引言

在核臨界實驗中，為了研究理論上的計算方法以及驗證計算程序正確與否，需要獲取相關數據，臨界裝置提供了這樣一種途徑[1]。臨界裝置存在發生臨界事故的可能，其安全性需要得到保證。功率保護裝置的主要作用是在臨界裝置運行功率過高時發出報警信號，并送出停堆信號給安全邏輯，控制停堆。

1 功率保護裝置整體方案

功率保護裝置與伽馬補償電離室配套使用，作為反應堆的運行功率保護，防止反應堆功率過高[2]。功率保護裝置由低壓電源提供低壓，并經高壓模塊轉換后為伽馬補償電離室提供工作高壓。伽馬補償電離室將代表堆功率的中子注入率轉換為電信號，經放大、濾波、A/D轉換、定值比較后進行顯示和保護操作。觸發功率保護動作的值可以在全量程范圍內任意定值，與放大后的功率信號值進行比較，當功率達到定值的70%時，給出警告信號；當功率達到定值的120%時，給出停堆信號。功率保護裝置設有自檢功能，可以連續檢查0%～120%整個監測范圍和報警功能。另外，功率保護裝置還具有自監督功能，當出現低壓電源故障、高壓電源故障、儀器故障或處于自檢狀態時，給出綜合功率保護儀器故障停堆信號。功率保護裝置系統框圖如圖1所示。

圖1 功率保護裝置系統框圖

2 主要硬件電路設計

硬件電路主要由前置I/V變換放大電路、定值比較電路、A/D轉換電路等組成。由STM32及其最小系統作為整個功率保護的主控單元，將采集的電壓信號、功率信號、系統狀態信號傳送至上位機進行顯示，并控制FPGA進行模數轉換，實現數字化的監測與控制。

2.1 前置I/V變換放大電路

前置放大電路的輸入來自伽馬補償電離室測得的反應堆功率電流，電流從1×10-11A到1×10-6A變化，范圍涵蓋6個數量級。這種微弱信號極易受到周圍環境的干擾而淹沒在噪聲中，信號處理時不僅要考慮信噪比，還要考慮零點漂移問題[3]。這樣的信號要求使得放大電路對輸入級要求較高，前置放大電路選用具有極低輸入偏置電流的單片電路靜電計型運算放大器AD549，采用電阻直接反饋法的電路形式。為達到高精度的目的，輸入偏置電壓和輸入偏置電壓漂移均通過激光調節。這種極低輸入電流性能由ADI公司專有的topgate工藝技術完成[4]。同時選擇具有低溫漂的玻璃釉電阻，組成前置模擬I/V放大器，將代表堆功率的電流轉換為對應擋位下的0 V～1.2 V附近的電壓,采用高絕緣低泄漏的舌簧繼電器進行擋位切換。

功率保護裝置可由軟件模擬伽馬補償電離室的輸出電流作為自檢電流對裝置功能進行自檢。自檢電流的大小由軟件設定，范圍從10-11A至10-8A。

2.2 A/D轉換電路

圖2 A/D轉換電路

2.3 定值比較電路

代表堆功率的電流值經I/V變換放大電路變換為0 V～1.2 V附近的電壓值，與定值比較電路中由基準電壓分壓得到的0.7 V和1.2 V電壓進行比較。定值比較電路設計采用REF195作為5 V基準電壓，通過電位器調節比較閾值，警告閾值為0.7 V,停堆閾值為1.2 V。為防止轉換后代表堆功率的電壓在閾值附近時引起繼電器反復吸合跳變，采用LM311加入反饋電阻，構成滯回比較器[7]。

代表實時功率值的電壓信號接入兩個LM311電壓比較器的反相輸入端，其正向輸入端分別接入由基準電壓分壓得來的0.7 V或1.2 V電壓。當功率小于設定值的70%時，輸入到比較器的電壓小于0.7 V，兩個比較器均輸出高電平，分別與代表最大定值70%和120%的數字信號經邏輯組合后向達林頓管MC1413D輸入低電平，控制繼電器斷開，不進行報警或停堆。當功率大于設定值70%小于120%時，輸入到比較器的電壓大于0.7 V且小于1.2 V，控制警告的繼電器吸合，發出警告報警信號。當功率大于設定值的120%時，輸入到比較器的電壓大于1.2 V，控制警告和停堆的繼電器均吸合，發出警告報警信號與停堆信號。定值比較電路如圖3所示。

圖3 定值比較電路

3 軟件設計

3.1 軟件流程

主控單元采集電路各信號信息，送至上位機進行顯示，并接收上位機的命令，對功率保護裝置進行相應的操作。主控單元的軟件流程如圖4所示。

圖4 主控單元軟件流程

3.2 軟件功能

功率保護裝置需要與信息系統進行通訊，進行正常工作參數的設置。通過軟件的參數設置菜單可以設置并保存工作高壓(0 V～800 V)、負高壓(0 V～-800 V)、功率/電流顯示的選擇、保護定值設定等。

每次運行選定最大保護定值后，本次運行期間不得改變。定值分擋可粗調和細調，定值粗調按照1、3進制分擋，分別為1×10-11A、3×10-11A、1×10-10A、 3×10-10A、1×10-9A、3×10-9A、1×10-8A、3×10-8A、1×10-7A，3×10-7A、1×10-6A，共11擋；定值細調為±3%～±30%連續可調。最大定值以下的擋位默認參與保護，均作為中間保護定值。中間保護定值達到時操作員點擊即可迅速取消，不需要進一步確認。中間保護定值和最大定值可在操作員的顯示器界面清晰的顯示，以便操作員隨時觀察和消除某個中間保護擋位。

正常測量時，軟件采集功率保護裝置的當前高壓值、當前電流值、當前高壓狀態、當前工作狀態(工作/自檢)和當前報警狀態等信息。對信息進行相應的處理，如存儲所有數據并可繪制歷史曲線，形成日志；信息傳送至各級顯示設備；打印報表，報表包括與功率保護有關的所有信息。

4 測試內容及結果分析

4.1 測試內容

將伽馬補償電離室連接至功率保護裝置測試儀表，放置在周圍無放射源的環境中，測量出伽馬補償電離室的電流值，即可測試出環境本底對應的電流值。

將校驗器與功率保護裝置連接，選擇不同的電流輸出，并對功率保護裝置進行不同的操作，可測試功率保護裝置的輸入電流范圍、定值誤差、響應時間、儀表測量誤差、儀表重復性和功率保護功能。

4.2 結果分析

經測試功率保護裝置的輸入電流范圍為1×10-11A～1×10-7A、定值誤差為0.6%～0.7%、儀表響應時間小于3 s、儀表測量誤差小于3%、重復性小于1%，均達到合格要求，保護功能均能按要求實現。部分測量數據如表1所示，測試現場如圖5所示，測試中未連接網絡，裝置能檢測并顯示出網絡狀態，當前代表堆功率的電流大小為0.182×10-8A。

表1 功率保護裝置部分測試結果

圖5 測試現場