核電廠地震矢量和自動停堆系統的設計與實現*

吳雄偉張 億*楊 江林 強

(1.中國地震局地震研究所,地震預警湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430071；2.武漢地震科學儀器研究院有限公司,湖北 武漢 430071；3.湖北省重大工程地震監測與預警處置工程技術研究中心,湖北 武漢 430071)

我國《“十二五”期間新建核電廠安全要求》明確要求:核電廠應增加地震自動停堆功能,在地震工況下,當地震強度超過設定閾值時,啟動地震報警,執行核電廠的自動停堆。目前,國內外配備了地震停堆系統的核電廠不多,在美國,部分建設在強震區域附近的核電廠配備了停堆保護系統,日本、韓國部分核電廠配備了該系統[1]；我國核電站地震自動停堆系統的國產化進程較晚,現階段只有田灣核電站引進了俄羅斯的工業抗震保護系統(IAPS)[2],這些地震停堆保護系統無一例外均采用了單軸向峰值地面加速度(Peak Ground Acceleration,PGA)進行地震停堆報警的方式,對X、Y、Z三軸分別獨立設置報警閾值,任意一個軸向超過設定閾值,并觸發地震報警,執行停堆功能,其他絕大部分核電站配備的地震監測系統不直接參與核電廠的停堆流程,只提供地震報警信號,報警方式多數依然采用加速度峰值(PGA)閾值超限判別報警的方式[3-4]。

鑒于地震發生時,實際地面的振動方向在空間上是三維振動,安裝在地面的核設施遭受的最大振動沖擊原則上應與地震振動方向一致,而不是三軸向加速度傳感器安裝時,人為設定的三個軸向的中的任意一個軸向[5],對于水平方向的地面振動,實際上為水平X、Y兩軸向的矢量和,即地震的真實加速度值會大于傳感器X、Y軸向實際測量的值,與二者的夾角越大偏差越大,最大偏差可達到41.4%(45°夾角時)[6-7]。如果采用單軸向的加速度閾值作為地震停堆報警閾值,由于無法精確地確定實際地震振動方向與設定方向的夾角,將會導致較大概率的停堆誤報警；為了回避這一問題,目前的地震自動停堆系統均采用相對保守的報警閾值,將報警閾值設定值設為核電廠安全停堆地震(Safe Shutdown Earthqllake,SSE)的2/3 或更小的閾值[8],降低地震監測系統對超限地震的漏報問題,但這種設置方式會增加因小震或現場噪聲導致的誤觸發概率,現階段,這一問題還沒有較好的解決辦法。

針對上述問題,本文提出一種基于地震加速度矢量和報警的核安全級自動停堆系統,采用非智能電子器件實現地震加速度水平矢量和閾值計算,使得系統的報警閾值與地震實際強度保持一致,通過矢量和閾值報警方式,可依照核電廠實際抗震強度設定較為準確的報警閾值,將無需考慮加速度傳感器安裝時水平方向的定位角度,可解決現有地震自動停堆系統的報警閾值設定偏小和傳感器安裝定位精度要求高的難點。

1 系統結構設計

地震自動停堆系統直接執行停堆保護功能,按照核電相關規范,直接參與核電廠停堆的設備應歸類為核安全級設備,系統性能參數必須滿足“NB/T20076 核電廠地震儀表準則”規定要求,在量程、工作頻帶(頻率響應范圍)、報警閾值誤差限度、抗干擾能力上達到要求,具體要求為:測量量程為±1 gn(gn為重力加速度),工作頻帶在1 Hz～10 Hz,系統地震閾值可在0.005 gn～0.300 gn內設定,閾值判別誤差應在滿量程的5%以內,并對核電廠工業環境下的高頻電噪聲、電快脈沖群等電噪聲具有較強的抑制作用；同時,如果系統內部采用了智能芯片,有軟件程序參與實現相關功能,必須依照IEC60880 等規范進行軟件可靠性安全性確認(V＆V)測試。

若采用智能化芯片或嵌入式軟件實現地震矢量和計算以及核電廠地震停堆報警,依照規范“IEC60880”規定,系統必須進行軟件可靠性安全性確認(V＆V)測試認證,測試流程十分復雜,系統設計過程中將花費大量的人力物力來執行V＆V 測試認證過程,導致系統的實現變得及其復雜[9-10],因此,本系統將采用非智能電子元器件來實現矢量和計算,系統信號轉換與邏輯處理均使用純硬件來實現,相比智能芯片與嵌入式軟件構建的系統,通過純硬件實現的系統具備結構簡單、性能穩定可靠,電氣邏輯清晰等特征,由于未采用嵌入式軟件或可編程邏輯功能模塊,系統無需依照規范“IEC60880”進行核安全級設備的軟件驗證與確認過程(V＆V),降低了系統的邏輯復雜程度,增強了系統的可靠性[11]。

系統結構如圖1 所示,主要由信號轉換和濾波模塊、絕對值轉換模塊、矢量和計算模塊以及閾值判別模塊和地震報警模塊組成。由于破壞性地震信號的頻帶主要集中在低頻帶1 Hz～10 Hz[12],因此設置了信號轉換和濾波模塊,對加速度傳感器的輸入信號進行1 Hz～10 Hz 的帶通濾波。加速度傳感器安裝時,垂直軸向可使用水平儀或水泡進行校準,精度較為容易保證,因此垂直軸向無需進行矢量和計算。而根據本文前言的分析,水平方向的安裝角度的精度很難達到要求,需要通過水平矢量和計算的方式可消除安裝角度誤差,因此,對水平軸向X、Y進行矢量和計算后,再進行閾值比較。

圖1 地震自動停堆系統結構圖

2 系統電路設計

本系統采用純硬件功能模塊實現地震信號的轉換和邏輯判別,信號處理流程為:加速度傳感器輸入的電壓信號經差分轉單端電路轉換、帶通濾波器濾波后,再經絕對值轉換電路轉換后,進行矢量和計算,計算結果再進行閾值判別,當閾值超限時,發送地震停堆報警信號。

2.1 信號轉換與濾波模塊設計

本系統設置了三套信號轉換與濾波電路模塊,分別對加速度傳感器的X、Y、Z三個軸向輸入的電信號進行轉換和濾波,根據設計需求,信號轉換應能對±10 V 電壓信號進行轉換處理,濾波電路模塊應具有輸入信號進行1 Hz～10 Hz 的帶通濾波功能,設計方案如圖2 所示。

圖2 信號轉換與濾波電路

由OP2277 型雙運放U1 對傳感器差分輸入信號進行電壓跟隨轉換、運放采用雙電源供電,可對±10 V 電壓信號進行轉換處理,運放U2 將差分信號轉換為單端信號,傳送到濾波電路中進行濾波處理；帶通濾波電路由初級的二階高通壓控濾波器和次級的二階低通壓控濾波器組成,低通與高通濾波電路的截止頻率可由式(1)與式(2)進行計算[13]:

高通:

低通:

圖1 中,電容C1、C2、C4、C6采用CBB 電容,容值分別為0.47 μF、0.47 μF、0.47 μF 和0.22 μF,電阻R5、R6、R8、R9均為精密電阻,阻值分別為240 kΩ、480 kΩ、48 kΩ、48 kΩ,代入式(1)和式(2)中,可得高通濾波器的截止頻率為0.99 Hz、低通濾波器的截止頻率為10.2 Hz,滿足設計要求。

2.2 絕對值轉換電路

由于本系統通過純硬件來實現相關功能,為了計算加速度信號的矢量和,必須使用模擬乘法器芯片執行乘法運算。由于加速度傳感器的信號是隨頻率變化的交流信號,信號幅度也存在正負變化,為了方便后續的乘法運算,并保障模擬乘法器的運算的穩定性,采用圖3 所示的絕對值轉換電路,將濾波后的加速度電壓信號轉換為全波整流信號,消除負電壓信號。

圖3 絕對值轉換電路

2.3 矢量和計算

矢量和計算電路對水平軸向X、Y的加速度值進行矢量和計算。根據設計需求,系統矢量和計算電路模塊應能實現最大加速度閾值為0.3 gn的加速度矢量和閾值判別,閾值大小能修改,設計方案如下:

水平軸向的加速度電壓值經絕對值轉換后,分別傳送到模擬乘法器進行平方運算,再由加法器計算平方和,最后由電壓比較器進行閾值超限判別,若信號超過設定基準電壓閾值,將發送地震停堆報警信號。

具體實現電路參見圖4 所示,采用兩片模擬乘法器AD633JN 芯片對水平方向X、Y兩個軸向的信號電壓值進行平方運算[14],由于加速度傳感器采集的加速度電信號是與頻率相關的電信號,可設定輸入信號為Vax＝Vx*sin(ωt),Vay＝Vy*sin(ωt),Vx、Vy分別為輸入信號的峰值電壓,根據AD633JN 芯片的傳遞函數關系,計算結果如下:

圖4 乘法計算模塊和閾值判別與報警模塊

設定水平向X、Y矢量和報警閾值為Vs(換算成與加速度閾值對應的電壓值),參照圖4 電路的信號運算傳遞關系,代入式(3)、式(4)中可得Vax與Vax的矢量和平方值為:

從式(5)可知,矢量和報警閾值Vs的平方與輸入信號Vax與Vay的矢量平方和存在單一的遞增換算關系,若需要判別比較輸入信號的矢量和是否超標,可直接通過運放U4 對矢量和平方電壓值進行判別比較,不需再增加開方運算電路計算出報警閾值Vs,簡化電路,減少誤差的引入。

為了進一步對電路進行簡化,在設計參數上,取R1＝R2＝R3/5,當水平軸方向的矢量和為最大峰值時,式(5)簡化為Vs2＝(Vax2＋Vay2)/2。因核電站的地震停堆報警閾值不會超過電廠安全停堆地震SSE(SSE 對應0.3 gn,gn為重力加速度值),對于量程為±10 V、1 gn的加速度傳感器,0.3 gn對應的電壓輸出峰值為3 V,則Vx和Vy最大設定閾值對應電壓為3 V,根據式(5)計算,對應的電壓閾值設定值最大為9 V,滿足運放的工作電壓范圍,若需要設定其他較小的閾值,可根據式(5)進行計算后,調節可變電阻R4阻值進行設定。

2.4 地震閾值判別邏輯與報警保持電路

為了有效剔除高頻脈沖干擾或快脈沖群信號干擾導致的誤報警,根據地震信號的特性,設計了地震閾值判別邏輯與報警保持電路。

圖4 中,運放U4 實現施密特觸發器功能,對矢量平方和電壓值與設定電壓閾值進行比較判別,若超限,將輸出接近＋12 V 高電平,發送地震報警信號至報警邏輯。為了消除高頻脈沖信號導致的誤報警,同時對報警輸出信號進行自保持延時,本設計采用了MC14538 型雙精度單穩態觸發器,通過兩個觸發器分別延時,實現報警信號的誤報警屏蔽和報警延時。由于破壞性地震信號是頻率和幅度在不斷變化的動態信號,頻率范圍在1 Hz～10 Hz 內,而噪聲信號的頻率遠遠超過這個頻率段,如果因噪聲導致的誤報警信號發出后,通過延時100 ms 的時間(對應10 Hz),在100 ms 時間內,屏蔽報警輸出,可消除單脈沖噪聲干擾導致的誤報警。具體實現邏輯參見圖4:設置芯片內的兩個單穩態觸發器的延時時間分別為100 ms 和1 000 ms,當運放U4 組成施密特觸發器發出地震報警高電平,輸入到單穩態觸發器A1,引腳Q1 輸出高電平,延遲100 ms,此時由于引腳Q2 保持低電平,邏輯門U6、U7 輸出為邏輯0,地震報警輸出被屏蔽；100 ms 時間結束后,引腳Q1 輸出低電平,下跳沿觸發引腳Q2 輸出高電平,如果此時運放U4 輸出依然為高電平,表明是真實的地震報警,將由U7 輸出地震報警高電平,并持續保持1 s。

3 系統調試

采用數字信號發生器對本系統各電路模塊進行分段測試。分別向系統X、Y、Z三個信號接口輸入正弦電壓信號,并使用數字示波器查看系統電路中的濾波與信號轉換模塊輸出的信號,檢測到圖5 所示的電壓信號,從示波器截圖可看出,系統濾波模塊在2 Hz～9 Hz 內響應平坦,對頻帶外信號具備較強的濾波抑制性能,達到了設計要求的1 Hz～10 Hz 頻率響應要求。

圖5 信號轉換與濾波電路輸出(示波器屏幕畫面拷貝)

分別向系統X、Y、Z三個信號接口輸入峰值為4 V、頻率為5 Hz 的正弦電壓信號,經模擬乘法器運算和加法器對計算結果求和后,使用數字示波器觀察信號輸出口,檢測到圖6 所示的波形圖,峰值幅度為4 V,從示波器截圖中可看出,信號波形滿足式(5)的幅度放大倍數關系和倍頻關系,與理論計算結果相符。

圖6 信號輸入與輸出波形對比圖(示波器屏幕畫面拷貝)

向傳感器水平軸向X、Y軸分別輸入不同幅度、不同頻率的正弦信號,測試報警判別的準確性。測試結果如圖7 所示,圖中虛線為4 V 報警閾值(對應0.2 gn)的理論計算值,實線為實際測量值,在2 Hz～9Hz 內誤差范圍內,最大誤差為4.9%(均方根誤差),小于參考文獻[7]規定的地震儀表最大準則誤差5%,滿足設計要求。

圖7 報警閾值測試

系統設計完成后,制作了模擬件樣機,依照“NB/T 20344”、“EJ/T1197”等核級電子設備鑒定規程,系統必須通過相關測試與試驗,才能取得核級認證和核電應用準入證,其中的三個關鍵試驗為電磁兼容、高低溫環境耐受性試驗和抗震試驗。系統樣機在蘇州電器科學研究院進行了上述三個試驗,測試流程嚴格依照規范進行測試,測試結果表明,系統電磁兼容性能達到了GB/T17626 系列規范規定的使用要求[15],具有很強的工業環境EMC 抗干擾能力,測試結果參見圖8,高低溫環境耐受性能達到了GB/T2423 系列規范規定的溫度使用范圍要求,其他各項功能與性能指標達到了核安全級設備的規定要求。

圖8 EMC 鑒定試驗(EMI)

4 結論

采用純硬件方式實現了核電站地震自動停堆報警,并通過水平矢量和報警方式解決了單軸向報警閾值設定的誤差問題。系統設計完成后,依照“GB/T 12727 核電廠安全級電氣設備鑒定”和相關規范執行核級設備取證流程,并在蘇州電氣科學研究院實驗室進行了電磁兼容、高低溫與抗震試驗流程,設備各項指標滿足核安全級設備的參數要求,即將在我國霞浦核電站進行應用。