核电厂棒控系统CRDM线圈电流故障报警原因分析

核电厂棒控系统CRDM线圈电流故障报警原因分析
杨城凯
【摘要】FJS棒控系统在机组商运后的首个燃料循环中多次出现控制棒驱动机构(CRDM)线圈电流故障报警,严重影响到了机组的安全稳定运行.本文针对此问题,结合棒控系统CRDM线圈电流监测报警原理,从CRDM线圈电气性能、驱动机构机械卡滞以及电流监测参数与驱动机构的匹配性等方面对报警原因进行了深入分析,找到了故障报警的根本原因.%FJS Rod Control System had appeared many CRDM Rod Coil Current Fault during the first fuel cycle, and it has a strong impact on units" safe and stable operation. Aiming at this situation, the paper combine the alarm principle of rod control system CRDM coil current detection, deeply analysis the cause of this fault from CRDM coil electrical performance, the drive mechanism galling to current monitoring parameters as well as drive mechanism matching, and finally find the root cause of this fault.
【期刊名称】《仪器仪表用户》
【年(卷),期】2018(025)006
【总页数】4页(P89-92)
【关键词】故障报警;控制棒驱动机构;线圈电流;电流监测
【作者】杨城凯
【作者单位】中核武汉核电运行技术股份有限公司秦山分公司,浙江嘉兴 314300
【正文语种】中文
【中图分类】TL362+.6
0 引言
FJS核电厂采用二代改进型压水堆技术，共两台百万千瓦级核电机组。

从2013年设备上电调试至今，两台机组在运行期间多次出现控制棒驱动机构（Control Rod Drive Mechanism --- CRDM）线圈电流故障报警，严重影响机组的稳定运行，
具体情况如下：
2015年6月3 0日，2RGL在R棒组移动过程中，主控报出“2RG L005KA RCS
运行故障”“2RGL006KA RGL运行故障”和“2RGL001KA RGL故障”报警
（均为综合报警），R棒组触发自动双保持，现场机柜处查看后，确认
2RGL016AR电源柜内第三束控制棒的保持线圈SG卡件（R1-3），触发大电流过小故障报警。

故障复位后，报警消失。

2015年8月14日和8月31日，2RGL系统R1-3棒组该故障再次报出，现象与之前相同。

2015年9月2 4日，2RGL系统报出RGL运行故障报警，到现场查阅故障记录得知，在R棒组插棒过程中，2RGL016AR电源柜内第三束控制棒的保持线圈SG卡件（R1-4），触发大电流过小故障报警，现象与之前2RGL系统R1-3棒组故障
一致。

棒控棒位系统是实现反应堆的启、停、功率调节、通量展平和紧急事故停堆的重要系统，通过控制棒驱动机构来实现控制棒的提升、插入或保持，并监视每一束控制棒束在堆芯的位置，使反应堆稳定运行在某一功率水平下。

“无论对核电站的安全或提高核电站的运行业绩而言，控制棒组件、驱动机构及棒控装置都是涉及全局的最重要设备之一。

[1]”面对如此高频度的故障报警，需要对其原因进行深入分析。

图1 R1-3棒束故障时刻电流波形Fig.1 R1-3 Moment current waveform of rod bundle fault
1 控制棒驱动机构（CRDM）及报警原理简介
1.1 控制棒驱动机构（CRDM）简介
控制棒驱动机构采用步进式磁力提升机构，主要包括以下几个部件：驱动杆组件、钩爪组件、隔热套组件、耐压壳、线圈组件等部件[2]。

耐压壳由上段的驱动杆行程套管组件和下段的密封壳组件组成。

耐压壳安装在压力容器顶盖上，它是驱动机构的承压部件，也是反应堆一回路系统压力边界的组成部分。

驱动杆组件安装在耐压壳里面，穿过钩爪组件和隔热套组件，其下端通过可拆接头与控制棒组件相连。

钩爪组件安装在密封壳内。

线圈组件套装在密封壳外面，它的3个线圈与钩爪组件相对应的磁极、衔铁一起，构成了3个“电磁铁”。

从上到下分别为“提升电磁铁”“传递电磁铁”和“保持电磁铁”。

3个“电磁铁”按照给定的时序通电和断电时[3]，可以使钩爪组件带动驱动杆组件及其相连接的控制棒组件上下运动、静止不动或断电时落棒。

1.2 CRDM线圈电流监测报警原理
CRDM线圈电流调节控制与监测功能都是由MDP卡件来实现的。

由于CRDM线圈为感性负载，其内部电流在变化时存在一个暂态的调节过程。

为了判断CRDM 线圈实际输出电流与CRDM动作时序定值相一致，确保驱动机构按照既定序列正确动作，并满足相应的响应时间要求。

MDP 卡件专门设计了电流监测单元来对CRDM线圈电流进行监测，其具体形式为“min-max windows”，以提升时序为例，当电流超出电流限值边界时，MDP卡件将产生“current fault”报警，同时触发子组棒束“双保持”，即保持、传递钩爪同时夹持控制棒驱动杆。

电流监测参数Thresholds（线圈电流上下限值）与Transition Delays（调节时间）共同确定线圈电流的“minmax windows”。

这些参数均由RRCN参考棒控技术规格书设定。

2 CRDM线圈电流故障报警原因分析
2.1 直接原因分析
结合就地机柜MDP卡件锁存的电流状态指示来看，报警触发时刻，控制命令为Full Current（大电流），而控制棒驱动机构（CRDM）线圈实际电流在限定时间内未达到大电流报警下限阈值（FC min），MDP卡件产生“current fault”子组所有棒束进入“Double hold”（双保持）状态。

现场用万用表测量该SG线圈实际的反馈电流，大电流输出值均正常，在8±0.3A
范围内，且数值稳定。

由于万用表只能测得电流稳定时的有效值，无法对电流的动态变化过程、纹波和扰动等进行直观的反映，于是接入示波器，抓取并记录故障时刻保持线圈电流，如图1所示。

根据故障时刻的波形可以看出，保持线圈SG电流输出波形无异常，无缺相或其他扰动。

但通过测量双保持触发时刻SG的电流大小和时间点，发现SG电流大小为7.10A（反馈测量回路存在一定误差，设定值为7.00A），SG从零电流到报警点，共耗时160ms。

此时间正好与电流监测参数ZC～CAct～FC（零电流 - 吸合点 -
满电流）：160ms（100ms +60ms）相吻合。

由此可见，造成方家山棒控系统CRDM线圈电流多次报警的直接原因是，CRDM 保持钩爪吸合动作点滞后，CRDM保持线圈由零电流上升到大电流的过程中，经
过160ms，线圈电流实际未达到7.00A（FC min），触发“大电流过低”报警。

2.2 根本原因分析
2.2.1 CRDM钩爪动作与线圈电流的联系
控制棒驱动机构的步进动作是依靠线圈电流产生的磁力来驱动的，衔铁受到磁力的
影响吸合或者释放，带动钩爪啮合与释放，按既定的动作顺序带动控制棒驱动杆上下移动。

驱动机构衔铁吸合的过程可分为3个阶段：
1）开始阶段：线圈通电，由于线圈是感性负载，电流不能突变，电磁力随着电流和线圈励磁增加而增加，在电磁提升力小于衔铁自重、弹簧力和驱动杆与控制棒自重的作用力之和时，衔铁不产生运动位移，这一阶段只是电路和磁路相互耦合的动态过程。

2）吸合阶段：电磁力大于负载时，衔铁向上运动，这时电流和线圈励磁仍在增加，同时衔铁上部气隙减小，这两种因素都将促使电磁提升力增加。

此外，衔铁在线圈内部位置发生改变，导致磁通量发生变化，线圈电感增大，线圈电流值降低。

此阶段为电路-磁路-机械运动相互耦合的动态过程[4]。

图2 FJS与法国CRDM电流波形对比Fig.2 Comparison between FJS and French CRDM current waveform
3）吸合结束：衔铁向上运动到最大行程后，运动终止，此时线圈电流仍未达到稳态，线圈电流继续增加达到稳态电流，在线圈电流达到稳态的过程中，电磁力仍然继续增加，直到电流达到稳定。

这一阶段也是电路和磁路相互耦合的动态过程。

因此，工作线圈中的电流波形蕴含着衔铁的位移信息，在整个电流的上升过程中会出现一个凹坑，凹坑的底部便是衔铁（钩爪）的吸合点。

可以依据此来判断钩爪的动作情况。

CRDM线圈电流波形和CRDM钩爪动作相互作用、相互影响，针对FJS棒控系统多次出现CRDM线圈电流故障报警的情况，其根本原因是在于电流控制部分，还是执行机构负载部分，需要进一步探究。

2.2.2 波形数据分析
通过对电流波形的大量采集和分析，发现CRDM钩爪的吸合时间存在一定的差异，个别棒束保持钩爪动作较为滞后。

以出现电流故障报警的FJS2号机组R1-3棒束
为例，将其与同组中其他棒束比较，R1-3棒束保持钩爪吸合时间较R1-1明显滞后。

R1-3保持钩爪吸合时间为123.5ms，比R1-1滞后13.5ms，从而其电流上
升至稳态的时间180.0ms也较R1-1的172.5ms稍慢。

且从吸合开始160ms时刻，其电流仍处于上升的过程中，未达到稳定状态，且偏小，非常贴近报警值，仅为7.10A。

造成保持钩爪吸合时间滞后的原因，在后面进行研究。

2.2.3 磁轭线圈电气故障的因素
CRDM电气部件的可能故障有电连接器、引接线、绕组线绝缘故障。

当上述绝缘
下降到一定程度时，相当于给负载（此处即为保持线圈）并联了一个电阻，将输入电流分流走一部分，削减了流入保持线圈的激磁电流，使得电磁力减弱，从而表现出保持钩爪动作电流增大，动作点滞后。

在FJS2号机组首次大修中，对R1-3相关电气部件的绝缘性能进行了检查，测量
了该线圈的电阻和电感值，将其与技术规格书和其他棒束的参数进行了对比，各项参数均在正常要求范围内，无明显异常。

因此，磁轭线圈电气故障的因素也可排除。

2.2.4 机械部件卡滞的因素
从机械的角度，如果保持钩爪吸合时间增大的现象由保持衔铁运动卡滞造成，那么导致保持衔铁运动卡滞的原因有以下可能：
1）杂质进入钩爪组件内部。

2）保持弹簧偏磨。

3）钩爪偏磨。

以上因素均有可能造成R1-3保持钩爪吸合滞后，但最终确认需要进行机械解体检查。

由于目前的电流故障报警是偶发的，且没有发生无法正常动作、滑棒等故障，进行机械解体是不现实的，也是没有必要的。

但通过分析该钩爪动作的波形及历史数据可以从另一个角度推断出其机械特性。

对FJS2号机组功率运行期间R1-3棒束保持钩爪的吸合时间进行了统计，统计表
明R1-3保持钩爪的吸合时间基本上稳定在117ms左右，保持钩爪吸合需要的电
磁力是基本恒定的，即钩爪动作时机械阻力是恒定的。

将FJS2号机组R1-3与其他棒束（以R1-1和G1-1为例）首次临界前（商运前）保持钩爪的吸合时间进行比较，R1-3棒束保持钩爪的吸合时间相对其他棒束要慢。

将FJS2号机组R1-3棒束首次临界前（商运前）和首次大修热态时保持钩爪的吸
合时间进行比较，R1-3棒束CRDM保持钩爪的动作时间在经过一个燃料周期的
使用后，并无明显增加。

由以上分析可知，R1-3棒束CRDM保持钩爪的机械特性与其他棒束存在差异，
钩爪组件和保持衔铁的动作阻力偏大，造成其钩爪动作较其他棒束偏慢。

由于钩爪动作时间基本稳定，经过一个燃料循环并无恶化趋势。

因此，机械偏磨或存在杂质卡滞的可能性较小。

2.2.5 电流控制与监测参数与驱动机构特性匹配的因素
虽然R1-3保持钩爪的吸合时间相对于其他棒束偏慢，但远小于厂家给出的保持钩爪吸合时间不大于150ms的标准。

即便如此，还是出现了电流在要求的时间（160ms）内未达到稳定值，且低于监测值7A，触发“大电流过小”的故障报警。

通过观察所有棒束保持线圈电流波形（热态），发现大多数控制棒束保持电流从零上升至稳态的时间已经接近160ms，部分棒束已经超过160ms。

功率运行期间可能会达到180ms（由于温度升高会导致磁导率发生变化）。

FJS棒控系统机柜由法国RRCN公司生产，其电流调节控制参数已固化，且与法
国生产的CRDM相匹配，在法国使用这套系统的核电厂未出现过类似报警。

将法国的CRDM电流波形与FJS机组国产的CRDM电流波形进行比较（冷态工况，
控制系统相同），如图2所示。

通过对比可以看出，保持钩爪的吸合时间无明显差别，但FJS机组CRDM保持钩
爪吸合后电流的上升速度明显要慢于法国CRDM。

可见，国产与法国产的驱动机
构在性能上还是有差别的。

由于驱动机构的差异性，导致电流控制与监测的参数在与国产驱动机构的匹配上有些不合理，保持电流从零上升至稳定的报警时间裕量过小，容易误发电流异常报警。

3 结论
本文通过对CRDM线圈电流波形的分析和历史数据的对比，笔者认为，造成CRDM线圈电流故障报警的根本原因是：
驱动机构的机械特性存在个体差异，钩爪组件和保持衔铁的动作阻力偏大，造成钩爪动作较其他棒束偏慢，使得CRDM电流易超出监测限值，触发报警。

电流监测报警参数与驱动机构特性的匹配不是很合理，报警值裕量过小，易误发电流异常报警。

参考文献：
[1]卢才华.长棒控制装置老化管理与改进研究[D].上海:上海交通大学,2006.
[2]周诗光.秦山一期CRDM关键部件失效机理及可靠性分析[D].上海:上海交通大学,2008.
[3]中国核动力研究设计院.棒控棒位系统手册[Z].
[4]沈小要.控制棒驱动机构动态提升特性研究[J].核动力工程,2012,33(1):51-55.。