CANDU-6重水堆停堆棒電源模塊問題分析及改進

王曉峰，丁林樸，林 熙，祁陸凱

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

一號停堆系統(tǒng)是CANDU-6型重水堆的兩個應急停堆系統(tǒng)之一，它通過向反應堆中插入停堆棒來終止反應堆的自持鏈式裂變反應，減少核燃料中產(chǎn)生的能量，保護反應堆的安全。因此，作為一號停堆系統(tǒng)的執(zhí)行機構，停堆棒及其棒控回路對機組的穩(wěn)定運行起著重要作用。

本文將介紹近年來發(fā)生在一號停堆系統(tǒng)棒控回路上的電源切換造成奇系列停堆棒落入堆芯這一故障。通過對這些問題的分析，處理與改進落實，期望能夠對今后的檢修工作提供有意義的參考。

1 停堆棒棒控回路介紹[1]

1.1 停堆棒

停堆棒是一個空心的鎘圓柱體，外包不銹鋼。每臺機組共有28根停堆棒，分成奇偶兩組，每組各14根。停堆棒布置在反應堆廠房501房間反應性機構平臺上。

1.2 棒控回路

每組停堆棒有2個電源模塊，1主1備。主電源模塊由III級電源供電，整流后輸出95VDC的電壓，備用電源模塊由II級電源供電，整流后輸出92.5VDC的電壓。主、備電源模塊的輸出由二極管進行選擇，正常運行時主電源模塊輸出的95VDC送到現(xiàn)場，備用電源模塊作為熱備用。一旦主電源模塊故障失去輸出，輸出自動切換到備用電源模塊，輸出92.5VDC的電源。

每個主電源模塊的正、負輸出端經(jīng)過公用的一號停堆系統(tǒng)3取2邏輯模塊后，分別送到14個停堆棒的單獨離合器線圈邏輯模塊及線圈供電回路。每個單獨的停堆棒供電回路包括一塊停堆棒離合器線圈邏輯模塊，一個離合器線圈、連接電路及接頭等組成。如果任一通道的兩副觸點打開，離合器的電流可通過另兩個通道的閉合觸點繼續(xù)維持。然而，如果打開任意兩個通道的觸點，則停堆棒離合器線圈電流被切斷，停堆棒下落。控制原理圖見圖1。

圖1 停堆棒控制邏輯圖[2]Fig.1 Stopping the stack rod control logic diagram[2]

2 停堆棒電源模塊問題分析及改進

2.1 背景介紹

奇系列離合器主電源模塊由III級電源開關供電、備用電源模塊由II級電源供電。正常情況下，奇系列離合器通過主備中任何一個電源模塊帶電，都能夠將停堆棒保持在反應堆頂部。

2.2 問題描述

某重水堆核電站1號機組處于保證停堆狀態(tài)，奇系列停堆棒離合器的95VDC電源模塊因為上級電源停役檢修斷電，停堆棒的電源自動切換到備用的92.5VDC電源模塊。在此期間發(fā)生了備用電源模塊的上級開關跳閘，奇系列停堆棒離合器因為同時失去主電源模塊和備用電源模塊而自動脫開，導致14根停堆棒落入堆芯。

2.3 問題分析

2.3.1 電源模塊輸入電流值的測量

92.5 VDC備用電源模塊的II級電源開關型號為cutlerhammer公司的QCR1030，額定容量為30AAC。經(jīng)電氣專業(yè)人員檢查該開關為熱跳，重新送電后，使用HIOKI3283測量電源模塊的120VAC供電電流為34.5AAC，超出了30AAC的設定值。

儀控人員測量的結果卻不相同，使用LH41測量的結果是22.24AAC，低于開關的設定值。兩者同時測量的結果見圖2。為了確認哪一個數(shù)據(jù)更準確，使用了另外了一種型號的鉗形電流表HIOKI3288進行測量，測量的結果是36AAC。

圖2 鉗形電流表現(xiàn)場測量Fig.2 Field measurement of clamp ammeter

為排除個體差異，均使用多個同樣型號的電流表進行測量，結果表明型號相同的不同電流表的讀數(shù)都是一致的，不同的讀數(shù)僅存于不同型號的電流表之間。而這些電流表都是經(jīng)過計量院鑒定合格的，并在有效期內(nèi)。為了確認電流的真實值，采取如下的行動：

在車間用標準信號發(fā)生源對LH41和HIOKI3288、HIOKI3283進行了檢查，在交流50Hz 的10A～30A不同輸入信號下，3塊表的指示基本一致，絕對偏差小于0.5A。

在20AAC和5ADC信號同時存在的情況，3塊表的指示也基本一致，為交流信號＋直流信號的值，絕對偏差小于0.5A。

直接用120VAC帶約6.5Ω的滑線變阻器，3塊表的指示也基本一致約為18A，絕對偏差小于0.5A。

在MCC開關下測量95VDC電源模塊的供電電流，HIOKI3288（29A）和HIOKI3283（28A），LH41（20A），與在95VDC電源模塊上測量的結果類似，存在明顯的絕對偏差。

在MCC開關下給某個風機的供電電流測量，HIOKI3288（17A）和HIOKI3283（16A），LH41（11A），電流值之間同樣也有明顯的差距。

根據(jù)以上結果，判斷可能是由于電源模塊的輸入電流不規(guī)則，導致不同型號的鉗形電流表測量時產(chǎn)生了系統(tǒng)性的偏差。為了驗證這個猜想，并確認真實的電流值讀數(shù)是多少，在車間搭設了與現(xiàn)場類似的模擬回路，見圖3。

在回路中串入指針式電流表與3種鉗形電流表（LH41型、HIOKI3283型、HIOKI3288型）的測量結果進行對比，同時記錄儀采集電壓數(shù)據(jù)。從圖4中可以明顯看出，95VDC電源模塊的輸入電壓的波形是不規(guī)則的。同時，根據(jù)公式I=U/R，將通道3的電壓轉換成電流，結果見圖5。

圖3 電源模塊檢測示意圖Fig.3 Power Module detection diagram

圖4 部分通道電壓數(shù)據(jù)Fig.4 Partial channel voltage data

從表1可以看出，HIOKI3283與記錄儀和指針表最接近。因此，在現(xiàn)場用HIOKI3283型鉗形電流表測得的數(shù)據(jù)最為可信。根據(jù)HIOKI3283的測量結果，可以斷定現(xiàn)場掉棒的直接原因是95VDC電源模塊的效率降低，消耗的輸入電流增加，超過了II級電源開關的設定值而引起開關跳閘。

同時，這也確認了鉗形電流表的特性，當測量對象為交流重疊直流的波形、半波整流、全波整流時，都會有一定誤差。因此，不能進行非常精確的測量，但從車間的實際測試結果來看，HIOKI3283型比LH41型和HIOKI3288型都要準確，測量數(shù)據(jù)最為可信。

2.3.2 備用電源模塊效率降低的原因分析

電源模塊主要由電源開關、輸出開關、變壓器線圈、指示表、電解電容和控制電路板組成，見圖6。

95V電源由可控整流主回路和晶體管觸發(fā)控制電路組成。95V電源在電源開關閉合的情況下，通過電源變壓器將交流電網(wǎng)電壓變成整流電路要求的120VAC交流電壓，控制電路板通過控制回路中的晶體管的通斷，將交流工作電壓經(jīng)4個電解電容濾波轉換成直流工作電壓，然后經(jīng)輸出開關送負載[3]。并利用兩個整流二極管和可控硅晶體管構成單相橋式半控整流電路。電源模塊的電路原理圖見圖7。

圖5 通道3電流圖Fig.5 Channel 3 current diagram

圖6 電源模塊結構圖Fig.6 Power Module structure diagram

表1 測量數(shù)據(jù)對照表Table 1 Comparison of measurement data

通過檢查發(fā)現(xiàn)備用電源模塊中的電解電容失效，從而導致電源模塊的直流工作電壓下降。

當前，在機組的運行周期內(nèi)，主電源模塊的輸出電壓95VDC，輸出電流10A；而備用電源模塊的輸出電壓92.5VDC，輸出電流0A。平常的大修期間也沒有進行主、備電源互換。因此，主電源模塊一直處于帶載工作狀態(tài)，而備用電源模塊則一直處于空載備用狀態(tài)。由于電解電容中的電解液因長時間處于斷電狀態(tài)，品質(zhì)下降更為明顯，這應該是備用電源模塊比主電源模塊性能下降更快的原因。

圖7 電源模塊電路圖Fig.7 Power module circuit diagram

對II級電源原供電開關的設定值進行檢查，也沒有發(fā)現(xiàn)漂移。因此，也從另一方面驗證了備用電源模塊故障是造成本次故障的根本原因。

根據(jù)這一推測，檢查了兩臺機組其它的主、備電源模塊大修時的測量記錄，發(fā)現(xiàn)帶載時備用電源模塊的輸入電流都明顯高于主電源模塊，說明這是一個普遍的現(xiàn)象。

2.4 改進措施

2.4.1 增加主備電源的定期切換

根據(jù)一般電源的使用壽命，當前的預防性維修計劃是每9年整體更換電源模塊。對于正常帶載使用中的電源模塊，該更換周期沒有問題。但是從兩臺機組停堆棒離合器電源模塊當前的狀態(tài)對比來看，停堆棒離合器主、備兩個電源模塊在帶同樣負荷的前提下，主電源模塊所需的輸入電流均小于備用電源模塊，說明主電源模塊的轉換效率均高于備用電源模塊。升版預防性維修大綱（PMP），增加定期互換主電源模塊和備用電源模塊的工作內(nèi)容。

2.4.2 鉗形電流表的使用

雖然對電源模塊的預防性維修中包含了對輸入電流的測量，但是由于對鉗形電流表的特性了解不夠，使用LH41測量的結果一直偏低，所以得出了錯誤的結論，沒有及時發(fā)現(xiàn)電源降級的風險。后續(xù)測量工作中要明確使用HIOKI3283的鉗形電流表。對于其它的風機等類似設備也建議使用HIOKI3283測量電流。

3 結論

當95V電源出現(xiàn)故障直接會產(chǎn)生嚴重后果，停堆棒直接插入堆芯。隨著時間的推移，現(xiàn)場的系統(tǒng)和設備逐漸地老化。因此，必須對現(xiàn)場的系統(tǒng)和設備進行深入地調(diào)查和了解，掌握現(xiàn)場設備的特點，對容易出現(xiàn)問題的設備和元器件進行及時地更換，以提高設備和系統(tǒng)的可靠性。

通過對這一問題的深入分析，熟悉和了解了95V電源的工作特性和測試方法，并積累了檢修經(jīng)驗。文中所提出的糾正措施在落實之后，取得明顯的效果，有效避免了類似事件的重復發(fā)生。希望以上的分析能夠給各位同行提供一些參考和借鑒。