一种有效消除核电厂反应堆落棒时间延长的停堆设计方法与流程

本发明涉及压水堆核电站领域，具体地，涉及一种有效消除核电厂反应堆落棒时间延长的停堆设计方法。

背景技术：

核电站中棒控棒位系统设备用于为控制棒驱动机构提供时序电流，控制反应堆控制棒在堆芯中提升、保持不动和插入，调节反应堆的反应性，从而实现反应堆的启动、带负荷运行和停堆功能；同时监测控制棒在堆芯中的实际位置，并监测控制棒在运行过程中是否存在滑棒、卡棒等异常现象。棒控棒位系统对核电厂的安全可靠运行十分重要。

棒控电源柜(简称电源柜)做为棒控棒位系统中的核心设备，不仅要向驱动机构输出电流时序，提升、插入和保持控制棒束，而且还要实现反应堆正常启堆，停堆和维持反应堆功率。

电源柜为控制棒驱动机构提供时序电流，从而控制其动作。同时电源柜还参与反应堆正常停堆功能，当停堆断路器打开时，从棒电源系统输入到电源柜的三相动力电源随即断开，控制棒在重力的作用下掉入堆底。停堆通道响应时间t3和t4的要求如下：t3为停堆断路器打开的时间(即从失压线圈失电到保持钩爪线圈失电之间的时间)，且t3应小于等于150ms；t4为保持钩爪释放的时间(即从保持钩爪线圈失电到控制棒)，且t4应小于等于150ms。

目前核电厂中部分电源柜的主电路采用igbt方案，使用sr-motor拓扑电路结构实现。其电路拓扑结构示意图如图1所示。

该主电路的设计结合有源抑制控制技术，设计了能量释放回路、续流电路和放电电路，提高了负载放电时的能量转换效率，从而可以减小驱动机构线圈上电流波形下降沿时间。

图1中电压释放回路的作用是当vt1和vt2(vt1和vt2均为igbt)同时关断时强迫驱动机构线圈上的能量由能量释放电路、放电电路和续流电路组成的放电回路来释放，从而形成有源抑制电路。由于驱动机构线圈是感性负载，vt1和vt2同时关断时，可将驱动机构线圈上能量的变化等效为磁场能量和电场能量的转换，这种有源抑制电路的能量转换原理图如图2所示。

电源柜主电路采用有源抑制控制技术有如下优点：①当驱动机构线圈上磁场失磁时，线圈负载的感应引起反电势，使用该有源抑制电路结构可以限制反电势的增大，从而保护了igbt；②当vt1和vt2同时关断时，储存在线圈中的磁场能量通过放电回路迅速转化为电场能量，为下一步启动(vt1和vt2再次同时接通)所利用。特别地，当停堆断路器断开时，通过plc逻辑控制电路实现vt1和vt2同时关断，此时线圈中的磁场能量通过放电回路迅速转化为电场能量，保证线圈上电流下降沿时间尽可能短，从而保证了落棒时间满足要求。

目前在役核电站中棒控棒位系统电源柜主电路只要采用了上述拓扑结构，都只采用了单一的plc逻辑控制电路同时关断igbt，从而实现停堆断路器断开时驱动机构保持钩爪线圈的快速掉电。当该逻辑控制电路失效时，将无法同时快速关断igbt，驱动机构线圈上的能量不能快速转化，造成保持钩爪线圈失电时间延长，从而使得t3和t4时间不能满足设计要求。

技术实现要素：

考虑到保护系统安全功能实现的可靠性，以及结合单一故障准则的相关要求，本发明采用了一种有效消除核电厂反应堆落棒时间延长的停堆设计方法，通过加入一套独立的避免单一故障的停堆断电控制电路，与原有的plc相关逻辑控制电路完全独立开，且该套独立的停堆断电控制电路采用防单一故障与冗余控制相结合的方式进行设计，从而保证停堆通道响应时间在各种工况下均满足要求。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种有效消除核电厂反应堆落棒时间延长的停堆设计方法，所述方法包括：

棒控电源柜中设有相互独立的plc逻辑控制电路和三相监测继电器级联单元；

plc逻辑控制电路用于在当从棒电源系统输入到棒控电源柜的三相动力电源断开时，将棒控电源柜中用于为驱动机构传递线圈供电的第一电源机箱中igbt，以及为驱动机构保持线圈供电的第二电源机箱中igbt同时关断；

三相监测继电器级联单元用于对棒电源系统输入到棒控电源柜的三相动力电源进行实时检测，当检测到从棒电源系统输入到棒控电源柜的三相动力电源断开时，将棒控电源柜中用于为驱动机构传递线圈供电的第一电源机箱中igbt驱动电路的控制电源，以及为驱动机构保持线圈供电的第二电源机箱中igbt驱动电路的控制电源同时关断。

进一步的，plc逻辑控制电路包括：plc处理器模块、plc数字量输入/输出模块、光耦接口电路、fpga主控制模块；plc数字量输入模块接收三相检测继电器的状态信号，并由plc处理器模块进行逻辑处理后，通过plc数字量输出模块将igbt关断命令同时输出到第一电源机箱和第二电源机箱的fpga主控模块中；第一电源机箱和第二电源机箱的控制模块通过光耦接口电路接收到igbt关断命令，并由fpga主控制模块进行逻辑处理后，经igbt驱动电路同时输出关断信号到各自的igbt的栅极，从而驱动igbt同时关断。

进一步的，三相监测继电器级联单元的实现方式为：在棒控电源柜三相动力电源输入侧每一相增加四个继电器模块用于监测每相电源的状态；采用继电器副边常开触点并联与串联相结合的级联式设计，并采用三个级联状态监测继电器监测后级串联的三路并联触点；当监测到三相电源均失电时通过对第一电源机箱中igbt与第二电源机箱中igbt驱动电源输出禁止端进行控制，断开其输出到igbt驱动电路电源。

进一步的，三相监测继电器级联单元，具体包括：

u相对应的四个继电器为rl11、rl12、rl13、rl14；v相对应的四个继电器为rl21、rl22、rl23、rl24；w相对应的四个继电器为rl31、rl32、rl33、rl34；接收上述继电器触点状态的plc数字量输入模块；

rl11、rl12、rl13、rl14继电器的原边均分别与输入动力电源中的u相电源连接，rl11的常开触点与rl12的常开触点并联，rl13的常开触点与rl14的常开触点并联，rl11与rl12的常开触点以及rl13与rl14的常开触点两两并联后再串联，用于关断igbt驱动电源的控制信号经过该级联电路输入到机柜中的控制电源模块；

rl21、rl22、rl23、rl24继电器的原边均分别与输入动力电源中的v相电源连接，rl21的常开触点与rl22的常开触点并联，rl23的常开触点与rl24的常开触点并联，rl21与rl22的常开触点以及rl23与rl24的常开触点两两并联后再串联，用于关断igbt驱动电源的控制信号经过该级联电路输入到机柜中的控制电源模块；

rl31、rl32、rl33、rl34继电器的原边均分别与输入动力电源中的w相电源连接，rl31的常开触点与rl32的常开触点并联，rl33的常开触点与rl34的常开触点并联，rl31与rl32的常开触点以及rl33与rl34的常开触点两两并联后再串联，用于关断igbt驱动电源的控制信号经过该级联电路输入到机柜中的控制电源模块。

进一步的，plc逻辑控制电路的dc接口电源用作rl11、rl12、rl13、rl14、rl21、rl22、rl23、rl24、rl31、rl32、rl33、rl34的接口电源。

进一步的，rl11、rl12、rl13、rl14、rl21、rl22、rl23、rl24、rl31、rl32、rl33、rl34的常闭触点分别接入到plc逻辑控制电路的输入模块中，用于监测各个继电器的状态。

进一步的，第一电源机箱与第二电源机箱中接收用于关断igbt驱动电源的控制信号，该控制信号经过了继电器级联电路后输入到机箱中的控制电源模块，控制电源中的接口电路为光耦冗余电路和三极管冗余电路。

进一步的，所述三相监测继电器级联单元还包括3个级联状态监测继电器，3个级联状态监测继电器的常开触点分别与三相对应四个继电器常开触点的中间点连接，12个三相继电器的自检驱动信号由plc逻辑控制电路的输出模块产生；12个三相继电器的常闭触点接入的状态检查信号由plc逻辑控制电路的输入模块进行采集；通过plc逻辑控制电路逻辑控制按一定的时序进行继电器触点故障检查，从而实现三相监测继电器级联单元的自动检测和故障报警。

本发明将一种有效消除核电厂反应堆落棒时间延长的停堆设计方法应用到反应堆棒控电源柜中，有效解决了传统设备因单一故障而造成的输出到驱动机构线圈电流下降沿时间延长而影响落棒时间，提高了设备的可靠性和可用性。

本发明的创新点在于：

首次在棒控电源柜中原有plc逻辑控制电路的基础上加入独立的停堆断电控制电路，在单一故障时，满足停堆通道响应时间要求，提高了系统设备的可靠性；

该独立的停堆断电控制电路采用继电器级联方式进行设计，当单个监测继电器因故障失效时，不会影响输入到电源机箱控制信号的状态；

该套独立的停堆断电控制电路在电源机箱中采用光耦加三极管的冗余控制接口电路，保证接口控制电路中任意一个器件出现故障时，不会造成控制状态的改变；

同时断开电源柜输出到传递线圈和保持线圈(均用于驱动机构保持)上的电流，确保驱动机构在单保持状态(只有保持线圈通电)或者双保持状态(传递线圈和保持线圈均通电)时均能快速响应停堆落棒命令，使得落棒时间满足要求。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明在使用plc逻辑控制电路通过控制信号关断igbt的基础上，加入一套独立的停堆断电控制电路，同时该套独立的停堆断电控制电路运用了三相监测继电器级联单元和电源机箱中光耦及三极管控制信号接口冗余电路，保证停堆通道响应时间满足系统设计要求，提高了系统设备的可靠性，并满足单一故障准则。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1为电源柜主电路原理图；

图2为有源抑制电路的能量转换原理图；

图3为本发明双路控制关断igbt原理图；

图4为本发明三相监测继电器级联单元设计图；

图5为双路控制停堆方式示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

从图1和图2中驱动机构线圈放电的基本需求出发，只有当主电路中上下两路igbt同时关断时，才能实现驱动机构线圈磁场能量向放电回路中电容电场能的快速转化。igbt的关断方式主要从控制信号控制和驱动电源控制上进行考虑，其他在主电路中额外安装开关器件和控制部件的做法均会增加电路的复杂程度，降低其可靠性。

本发明在使用plc逻辑控制电路通过控制信号关断igbt的基础上，加入igbt驱动回路的电源控制。当停堆断路器打开时，输入到电源柜的三相电源随即失电，通过继电器接收该失电状态，将igbt驱动电路的控制电源切断(igbt驱动电路电源下降到额定电压的70％以下时，igbt将自动关断)，从而实现vt1和vt2同时关断。本发明双路控制关断igbt原理图如图3所示。

根据对输入三相电源的失电状态的判断，同时快速切断电源柜中电源机箱对驱动机构的供电，才能保证系统落棒时间满足要求。因此本发明的关键技术点为：电源柜输入三相电源失电时，通过三相动力电源状态监测继电器级联单元将机柜中用于驱动机构保持的电源机箱1(为驱动机构传递线圈(mc)供电)和电源机箱2(为驱动机构保持线圈(sc)供电)的igbt驱动电源快速切断，从而快速关断对应的igbt管。

三相监测继电器级联单元的设计示意图如图4所示。在电源柜三相动力电源输入侧每一相增加四个继电器模块用于监测每相电源的状态。采用继电器副边常开触点并联与串联相结合的级联式设计，并采用三个级联状态监测继电器监测后级串联的三路并联触点。当监测到三相电源均失电时通过对电源机箱1与电源机箱2中igbt驱动电源输出禁止端进行控制，断开其输出到igbt驱动电路电源，从而实现vt1和vt2同时关断。

从图4中可以看出，本发明设计的独立于plc逻辑控制电路设计的三相监测继电器级联单元中，输入动力电源u、v、w中每相电源均采用四个继电器进行监测，u相对应四个继电器为rl11、rl12、rl13、rl14，v相对应四个继电器为rl21、rl22、rl23、rl24，w相对应四个继电器为rl31、rl32、rl33、rl34。主要设计特点如下：

-上述12个三相继电器的常开触点进行两两并联后再串联的级联形式进行连接，同时将plc的24vdc接口电源用作继电器接口电源，在三相动力电源均失电时，通过三相监测继电器级联电路断开输入到电源机箱1与电源机箱2中的接口电源plc_24v(状态控制信号)，并通过电源机箱中的接口控制电路控制igbt驱动电源输出断开，从而实现igbt的快速关断；

-上述12个三相继电器的常闭触点分别接入到plc的输入模块中，用于监测各个继电器的状态；

-由于采用并联加串联的级联方式，当三相中任意一路继电器出现故障时，不会造成输出到电源机箱控制信号的状态改变；

-电源机箱1与电源机箱2中接收该控制信号(接口电源plc_24v)的接口电路为光耦冗余电路和三极管冗余电路，任意一个器件出现故障时，不会造成电源输出状态的改变。上述的设计满足单一故障准则。

同时，为了在电源柜动力电源上、下电前后能够自动检测12路三相继电器是否有故障，在级联电路中加入级联状态监测继电器。该继电器的自检驱动信号由plc的输出模块产生，状态检查信号(由12个三相继电器的常闭触点接入)由plc的输入模块进行采集。通过plc逻辑控制按一定的时序进行继电器触点故障检查，从而实现三相监测继电器的自动检测和故障报警。

图5为本发明所设计的双路控制停堆方式的示意图，从图5可以看出，本发明采用了plc直接控制电源机箱输出断电和三相监测继电器级联单元控制电源机箱输出断电两种方式，确保在反应堆停堆断路器打开时，电源柜输出到驱动机构用于控制棒束保持线圈(传递线圈和保持线圈)能够快速掉电，使得钩爪打开控制棒束掉落，从而保证落棒时间不会因为单一控制电路故障而造成落棒时间延长。

发明提出了一种有效消除核电厂反应堆落棒时间延长的停堆设计方法，基于该控制方法的停堆断电控制电路已经在试验室环境下进行了plc直接控制、三相监测继电器级联单元控制，以及igbt被控有效关断的各功能反复测试。试验结果表明，该种有效消除核电厂反应堆落棒时间延长的停堆设计方法能够在正常情况下和单一故障时保证驱动机构线圈上电流快速掉电，从而保证驱动机构钩爪在要求的动作时间内打开，控制棒顺利掉入到堆芯，落棒时间满足设计要求。

同时基于该发明的设计已经应用到反应堆棒控电源柜中，设备通过功能性能试验、机电配合试验，试验结果表明在试验现场各种实际工况下落棒时间满足要求。

本发明提出了一种有效消除核电厂反应堆落棒时间延长的停堆设计方法，该方法通过在棒控电源柜中加入一套独立的避免单一故障的停堆断电控制电路，与原有的plc相关逻辑控制电路完全独立开，且该套独立的停堆断电控制电路采用防单一故障与冗余控制相结合的方式进行设计，保证停堆通道响应时间在各种工况下均满足要求，从而提高了系统设备的可靠性。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。