方家山核电厂棒位探测器的故障分析及改进措施

楼蕴昊，马一鸣，周 宇

(1.中核海洋核动力发展有限公司,上海 200233； 2.中核核电运行管理有限公司,浙江 海盐 314300)

1 概述

方家山核电厂棒控棒位(RGL)系统是反应堆功率调节与控制的重要装置，通过提升、插入和保持控制棒束来调节堆芯的反应性，从而达到控制反应堆功率的目的，并提供控制棒位置的各种指示和报警信息。棒位探测器作为棒位测量系统的信号源头，是控制棒位置指示系统的核心部分，对核电厂反应堆的运行控制起着至关重要的意义。

1.1 驱动机构

方家山核电厂控制棒驱动机构采用步进式磁力提升系统,主要由驱动轴组件、钩爪组件、隔热套组件、耐压壳、线圈组件等部件组成。其中，耐压壳安装在压力容器顶盖上，是驱动机构的的承压部件，由上段的驱动轴行程套管组件和下端的密封壳组件组成。驱动轴组件安装在耐压壳里面，穿过钩爪组件和隔热套组件，下端通过可拆接头与控制棒组件相连。驱动轴行程套管为驱动轴组件提供了上、下运动空间。钩爪组件安装在密封壳内，线圈组件套装于密封壳外面，它的3个线圈与钩爪组件构成了3个“电磁铁”，分别为提升、保持、传递“电磁铁”。棒位探测器组件安装在驱动杆行程套管外面，当驱动杆移动时，通过电磁感应机理可以测出控制棒的实际位置信号。

1.2 棒位探测器机构

棒位探测器的机构由线圈、屏蔽套、插座、顶板组成，由图1所示。其中线圈主要包括初级线圈、多个次级线圈以及两个辅助线圈。初级线圈贯穿整个驱动杆行程，次级线圈以8 个机械步间隔放置。在探测器顶端有一个连接器并引线到探测器初级线圈、辅助线圈、按葛莱码编组的次级线圈。

图1 棒位探测器结构简图1.插座 2.线圈引线 3.弹簧 4.线圈骨架 5.初级线圈 6.次级线圈 7.屏蔽套管组件Fig.1 The structure of the rod position detector

驱动杆顶端的位置用电磁耦合的方法进行测量。因此驱动杆由磁性材料做成，探测器内套管采用非磁性材料，探测器外套管也采用非磁性材料。

探测器顶部装有一个夹紧装置，以便夹住探测器内套管，从而把探测器固定在应有的位置，并形成上部行程限位器。另外用螺钉拧紧探测器上面的防震板，该板开了一个槽并有一个孔，以便让两个连接器通过(用于驱动机构和棒位探测器)。

通过控制棒的移动来调节堆芯反应性从而控制反应堆功率，而控制棒的移动无法绝对保证与期望值相符。此时，就需要棒位探测器来对棒位进行测量验证。但是控制棒组件位于高温高压的压力容器内，出于对压力边界的完整性的考虑，难以直接测量得到，于是就需要采用其他方式进行间接测量。依靠电磁感应原理，将棒的机械位移量转换成电量是目前常用的一种间接测量棒位的方式。

1.3 棒位探测器原理

方家山的探测器利用差动变压器的原理，棒位探测器安装在控制棒驱动机构承压外罩的外边并与之同心，探测器的原边线圈沿整个行程绕制，次级线圈与原边线圈共轴。原边线圈用于产生交变磁场, 次级线圈用于形成棒位编码。原边线圈通以恒定的交流电源, 随着控制棒驱动杆上下行走在探测器内部产生交变磁场,磁场使次级线圈中产生感应电压。通过监测次级线圈的感应电压就可以确定驱动轴的位置，即控制棒的实际位置。

如图2所示，棒位探测器次级线圈的棒位编码方式基本上由线圈分组方式确定。31个次级线圈分成五组，分别标识为A、B、C、D、E，其中A组：1、3、5、7、…、31；B组：2、6、10、14、…、30；C组：4、12、20、28；D组：8、24；E组：16。每组线圈中的各个线圈依次反向连接。当导磁驱动杆上端进入一对线圈的中间位置时，该组线圈输出的感应电压最高；当导磁驱动杆离开该位置，继续提升进入第二对线圈的中间位置时，感应电压逐渐降至最低。如此往复，继续行进，该组线圈就相继输出交流电压。该感应电压信号经过滤波、放大、整流和整形处理后，再通过数字化梳理可得到对应的五位数码值：a、b、c、d、e，令e、d、c、b、a分别为g4、g3、g2、g1、g0，组成编码g=g4g3g2g1g0，当棒束插入各次级线圈的位移逐渐增大，对应的每一位移值都会输出唯一对应的编码g， 即为得到的葛莱码，作为对棒位的一种编码。由于从一个区间移到相邻区间只有一组线圈输出电压发生变化，所以相邻编码之间只有一位不同，这种循环、单步特性消除了随即取数时出现重大误差的可能。

图2 探测器次级线圈排列及葛莱码波形图Fig.2 The arrangement and Gray code waveform of the detector secondary coil

2 故障查找及问题分析

方家山1号机组棒控棒位系统临界前热态试验时，在做棒位显示线性度试验静态检查过程中，发现SB2子组第二束棒棒位光点理应在24步时，反而突跳至88步，直至棒提升至56步时，该束棒光点恢复正常。重新检查和调整棒位整定值，此现象均无法消除。

针对该棒位光点跳变的现象，分析可能造成此故障的原因有以下几个方面。

(1)机柜接线因素分析

棒位系统的测量柜(PME)向探测器的原边线圈供电,并把探测器的次级线圈信号编码输出,如果测量柜内部的接线出现错误，或者接线出现松脱，可能导致探测器次级线圈的信号编码出现错误。但是接线导致的编码错误会使SU计算机上的棒位光点显示无规则随机跳转，而非此次试验过程中的仅在特定步数出现和消失。并且对照棒位测量柜RGL009AR的测量电缆接线图，对机柜内SB2棒束对应的J03、C07、G13、N09电缆的接线进行逐一核对，确认接线与图纸相符，并且也没有出现线缆松脱现象，故机柜接线缺陷的影响排除。

(2)电缆绝缘因素分析

棒位测量柜通过电缆及电气贯穿件与堆内棒位探测器相连，将测量棒位的模拟信号通过测量柜转变成二进制编码送入棒位处理柜，如果测量柜柜内至棒位探测器的初级线圈和次级线圈的绝缘、初级线圈和补偿线圈的绝缘、次级线圈和补偿线圈的绝缘以及初级、次级和补偿线圈分别对地的绝缘不好，即绝缘小于标准也会导致信号传输不正常，显示在SU计算机上的棒位光点会出现跳变。但是由于绝缘导致的传输异常所呈现棒位光点跳变通常是随机出现的，而非此次试验中，仅在棒位提升到特定的24步时跳到88步，直至棒位提升到56步时才恢复正常，并且用绝缘表测得回路各绝缘电阻大于100 MΩ，远大于标准值(10 MΩ)，所以排除电缆等测量回路绝缘低产生跳变的影响。

(3)系统卡件因素分析

棒位测量柜的系统卡件由MCP10和MCP23组成，MCP10卡件为探测器初级线圈的供电模块，而MCP23卡件则是编码模块，探测器次级线圈的A到E位的数据均送至该卡件内进行集成处理，再将各束棒的测量位置信号送至棒位处理柜。如果MCP23卡件内部A至E位的定值和额定数值相差较大，则SU上的棒位光点翻转将呈现异常。

用万用表电压档测量SB2对应的4块MCP卡件J03、C07、G13和N09内部A到E位的电压，再将测量数值与其他棒束的A到E位电压定值进行比对。根据探测器的返回电压，检查发现整定值的设置合理，并无异常，排除系统卡件定值错误导致的影响。

此外，如果MCP卡件内部其他元器件出现损坏，如元器件的击穿损坏，影响卡件电路的稳定性和可靠性，也会导致棒位光点显示异常，但是这样的损坏并不会在棒位特定步数时出现，而是随机跳变，所以排除卡件内部损坏的影响。

(4)棒位探测器内部因素分析

将8841数字存储记录仪接入棒位测量柜对探测器次级线圈感应电动势进行测量。因为8841数字存储记录仪可以通过输入模块对逻辑信号和模拟信号进行采样监测记录，监测出来的波形可以作为判定的依据。在正常情况下，通过8841记录的棒位全行程往复运动的葫芦波应该和图2葛莱码波形图一致。但是，在重新移动控制棒后，8841记录的SB2棒束在24步的波形图与理想中的葛莱码波形图不一致，见图3，C位波形在未达到B位第4个上升沿时就提前下降为0，而D位波形在C位下降为0后，仍然为1。

图3 因线圈接反导致的错误的探测器波形Fig.3 The wrong detector waveform caused by reverse coil connection

结合葛莱码转换表(见表1)可以看出，正常情况下跳至24步时，A到E位的葛莱码值分别为：0、1、1、0、0；而图3中所示波形对应的葛莱码值却为：0、1、0、1、0，即C位和D位值互换。这在葛莱码表中转换所得步数为88步。这一错误波形初步解释了棒位光点在24步时突跳转至88步的原因可能是由棒位探测器中次级线圈的C位和D位接反所致。如果只是C位、D位接反，那么只有当C、D位葛莱码数值一致时，即同为0或者同为1，棒位光点能恢复正常指示。

表1 棒位葛莱码转换表Table 1 The Gray code conversion table of rod position

接着查图4转换表，在棒位处于56步时，葛莱码值为：0、0、1、1、0，葛莱码的C位、D位同时为1，这与调试过程中棒位光点的异常跳转在棒位行进到56步时恢复正常相吻合，符合之前的假设。

综上，机柜的接线错误、电缆绝缘的不好和系统卡件的损坏均可能导致棒位光点的异常跳变，但通过以上分析得知机柜接线、回路绝缘和系统卡件均正常，而导致棒位光点在特定步数异常跳转的根本原因是由于棒位探测器内部的次级线圈C位和D位相互接反所致。

3 探测器改进措施与后续建议

为防止探测器因其中任一线圈的制造厂缺陷导致步数无法正常指示，失去棒位探测能力，出厂前需加强把关或建立试验台架进行测试验证，以减免同类事件的发生。

此外，棒位探测器之所以出现这样的情况也与其内部的制造工艺相关联的。由于方家山棒位探测器先在线圈骨架槽内绕制次级线圈及补偿线圈，然后再在骨架上密集绕制一层初级线圈，线圈接长引接线互相连接，再加上段与段之间的连接以及插头与线圈接长引接线的连接，导致连接点众多。这种分段绕制方法容易导致线圈接反这样的人因失误。除此之外，随着机组使用年限的增长，连接点容易出现氧化变脆等情况，各处引接线也易出现绝缘下降和断线现象。针对上述问题，解决方案如下：

1)采用整体绕制法，使整个棒位探测器线圈内漆包线不允许有连接点，这样可彻底避免线圈接错和连接点的断线问题。

线圈绕制时，在绕完初级及每绕完一相，对线圈与骨架、初级与次级进行绝缘电阻检查，且检测相应绕组的电阻，绕组的直流电阻偏差满足：

其中，Rcp为绕组电阻实测值(Ω)，R为绕组电阻理论值(Ω)。

2)由于棒位探测器所处环境是在压力容器上，正常工作条件下，内部探测器原、副边绕组的处于平均温度是200 ℃，且辐射强度大，线圈内部接点的可靠性得不到长期保证，秦山30万机组曾出现过由于高温高辐射情况下，插头的引线压接处使用的热缩套管收缩变薄，致使探测器绝缘下降、设备不可用的情况，使电站并网发电推后了三天，对电站造成了较大的经济损失。因此建议使用更高等级的热缩套管产品用在插头引接线与线圈引出线的连接处，如已通过LOCA试验、耐高强度辐照的德国TYCO公司的热缩套管，以使绝缘耐辐射性增强，密封性好，具有长久性,同时也提高了设备的可靠性。

3)堆顶电缆作为棒位探测器回路的一部分，一直处于高温高辐照的环境下，且在反应堆每年开盖进行检修和维护时，容易造成连接部位的损坏。因此，除电缆本身需选用包含耐高温和辐照的材料外，电缆接头需考虑采用耐高温、耐高辐照，耐湿的性能可靠的热缩套管，使其密封性好、强度高。

在此次试验过程中，由于棒位探测器线圈处于密闭环境中，无法当场解体检查调整内部接线，因此先将探测器备件替换上，将换下的探测器送至原厂家检修。在返厂对该探测器进行解体后,发现探测器线圈确实存在线圈接反问题,验证了上述分析的结果。更换后波形恢复正常，见图4。

图4 正确顺序的棒位探测器波形Fig.4 The waveform of the rod position detector in the correct order

4 结束语

棒位探测器是反应堆控制系统的关键部件，其性能对棒控棒位系统设备的可靠性和电厂运行稳定性起着关键作用。本文对方家山棒位探测器在现场调试过程中出现的产品质量问题进行了系统性探讨，通过对棒位探测器原理、应用中出现的问题及解决方案以及潜在问题及风险进行研究分析，为后续避免类似问题发生提出了建议和改进措施。