红沿河核电站3、4号机组RGL电源柜的设计与调试

摘要：红沿河3、4号机组RGL电源柜的设计，参考了秦山二期和大亚湾核电站棒控系统电源柜的设计特点，采用“一带四”方案，即一组电源机箱控制四台CRDM的运行。文章对RGL系统进行了描述，还介绍了RGL电源柜的功能、工作原理和硬件设计，并采用NI虚拟仪器采集信号和进行系统调试。实验结果表明，设计的电源柜功能正常、电流波形稳定，达到了设计要求。
关键词：反应堆；控制棒；模拟负载；驱动控制；LabVIEW

0 引言
控制棒控制与棒位系统(RGL)作为主要的反应堆控制系统之一，对核电站的安全运行和提高电站负荷因子起着重要的作用，并且它还与电站的效益密切相关。而电源柜(PWE)作为RGL中的关键设备，用于提升、下降和保持控制棒束，使反应堆稳定运行在某一功率水平下，实现反应堆的起堆、运行和停堆。
在秦山二期棒控系统中，电源柜设计采用“一带一”方案，一组电源机箱(三个电源机箱)只控制一台控制棒驱动机构(CRDM)的运行。在大亚湾棒控系统中，电源柜设计采用“一带四”方案，一组电源机箱(四个电源机箱)控制四台CRDM的运行。红沿河3、4号机组RGL电源柜参考了秦山二期和大亚湾的设计特点，采用“一带四”方案，一组电源机箱(三个电源机箱)控制四台CRDM的运行，这大大降低了成本、减小了设备的重量和占地空间。

1 系统描述
RGL棒位控制采用上位机、下位机结构，上位机控制柜(UP)包括平均温度调节和停堆棒束控制子系统(UPAT)、功率控制子系统(UPP)和功率控制监视单元(USP)。下位机电源柜包括控制逻辑(LCS)和可控硅及其控制回路(即CRDM线圈供电回路)。UPAT／UPP接受来自主控制室、过程仪表系统(SIP)、汽机调节系统(GRE)以及中断电路的命令和状态信号，产生相应的棒位移动方向和移动速度命令，并传送到下位机PWE。PWE接受来自UP总线上的子组升／降指令，按特定时序向CRDM各线圈供电，激发保持线圈、传递线圈和提升线圈，实现控制棒的提升或下降。
在红沿河3、4号机组中，每个机组有61束控制棒束(RCCA)，对应61台CRDM，因此一个机组需要16个PWE。在这16个PWE中，除了一个PWE控制一束棒运行外，其余每个PWE控制一个子组四束棒的运行。

2 系统设计
2．1 电源柜主要功能和工作原理
每个PWE接受来自UP总线上的棒位移动命令，结合来自供电回路和某些就地信号后，完成以下这些功能：1)循环功能：产生各线圈电流定值；产生电流定值序列。2)监视功能：检查UP命令的有效性；监视供电回路的工作状态；接收线圈电流反馈信号，监视电流动态特性。

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电源柜结构工作原理图如图1所示。260V三相交流电压来自CRDM龟源系统(RAM)，经过三相半波整流电路变换成带谐波分量的支流向线圈供电。220V交流正常电源和配电系统(LMA)经过变压器板一部分到电源和相位参考模块，一部分到直流电源，一部分到电源风扇。220V不间断直流电源系统(LNE)为辅助电源。电源和相位参考模块给电源模块提供电源，直流电源将220Vac电源转成24Vdc电源，给PLC提供电源。PLC接受来自控制逻辑柜的棒位移动命令，产生相应的移动时序信号，控制电源模块输出电流的定值、波形和变化时序，进而控制CRDM钩爪的动作序列，实现控制棒的移动。
2．2 电源柜硬件描述
一个电源柜主要由以下部分组成：1)3个电源机箱(BCP)：分别是SG电源机箱、MG电源机箱和LC电源机箱。一个BCP由1个电源和相位参考模块、4个电源模块组成。其中控制一束棒的电源柜BCP是由一个电源和相位参考模块和一个电源模块组成。电源和相位参考模块给电源模块提供电源，电源模块用来产生和控制CRDM线圈的电流。2)2个变压器板：滤波整流220Vac电源，提供24Vdc电源。3)2个直流电源：将220Vac电源转为24Vdc电源。4)循环仪可编程控制器：完成循环功能和监视功能。5)人机接口面板(HMI)：能够使操作员控制局部的控制棒的运动，完成测试训练和检查设备的可用性和状态。6)机柜风扇：抽出机柜里的热量，保证循环仪和电源模块在正确的温度范围内操作。7)PLC风扇：给PLC提供冷却。
2．3 CRDM运行程序
线圈通电时序由电源柜PLC产生，并向每个电源机箱发出电流指令，电流指令对应三种电流定值，分别为“零电流”、“小电流”、“大电流”三种。各线圈通断次序和电流脉冲波形如图2所示。

三种线圈小电流、大电流定值分别为：保持勾爪线圈大电流为8 0．3A；小电流为4．7 0．2A；传递勾爪线圈大电流为8 0．3A；小电流为4．7 0．2A；提升线圈大电流为40 1．6A；小电流为16 0．6A。通过PLC发出正确的电流指令，即可实现控制棒的提升和下降。
控制棒提升时，其各线圈的通、断顺序如图2(a)所示，其中包含六个动作：传递勾爪MG抓入、保持勾爪SG退出、提升线圈LC吸合(MG带棒上升)、SG抓入、MG退出、LC释放(MG不带棒下降)。
控制棒下降时，各线圈的通、断顺序为如图2(b)所示，其中包含六个动作：LC吸合(MG不带棒上升)、MG抓入、SG退出、LC释放(MG带棒下降)、SG抓入、MG退出。
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3 系统调试
电源柜调试系统包括电源机柜、模拟负载、电源变压器、NI PXI-RT信号采集机箱、PC、信号转接模块及传感器等七部分，如图3所示。模拟负载是专门给电源柜调试设计的，用来模拟CRDM线圈。电源变压器的作用是将三相交流380V转为三相交流260V。信号转接机箱、NI PXI-RT信号采集机箱和PC三部分组成了PXI系统，如图4所示。

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由于NI设备缺少直接的信号连接，需要将接线盒(即信号转接模块)作为传感器／信号同设备之间的接口，并且接线盒能够轻松访问硬件的输入和输出，选择型号为SCB-68。数据采集卡对信号进行采集调理，选择型号为NI PXI-6220。控制器可运行应用程序并连接PXI模块，选择型号为NI PXIe-8133。PXI机箱提供合适控制器和模块的牢固模块化插槽，还包含高性能PXI背板；背板含有系统的数据、定时和触发总线。机箱型号选择NI PXIe-1075。PC使用NI LabVIEW专业版开发系统(Windows版)。
LabVIEW图形化软件系统具有强大的数据采集、分析和显示三大功能，因此使用LabVIEW进行数据采集、分析和显示十分简单、方便。根据图3进行硬件接线后上电，在LabVIEW软件开发环境下，进行信号采集、调理、处理、显示和数据存储。调试后得到线圈电流波形图，如图5所示。图中信号采集、调理效果良好，波形稳定，各线圈通断次序和电流脉冲跟图2的理论图形相符合。

4 结束语
电源柜是RGL系统中的关键设备，它通过控制流过CRDM线圈的电流来控制控制棒的下降和提升，从而控制堆芯温度和核功率，使反应堆堆芯功率分布保持平衡、稳定。针对电源柜的调试，设计了模拟负载模拟CRDM线圈的功能，并通过LabVIEW软件对电源柜进行了调试，调试出来的效果良好，功能正确，波形稳定。这表明电源柜的设计是成功的，完全满足核电站的功能要求。RGL电源柜部分实现了国产化，这为以后完全实现国产化打下了坚实的基础。