昌正科 董治國(guó) 常樂(lè)莉

(中核核電運(yùn)行管理有限公司1，浙江 海鹽 314300;中國(guó)核電工程有限公司2，北京 100840)

0 引言

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(control rod drive mechanism，CRDM)是控制棒的驅(qū)動(dòng)裝置。它是核反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)唯一的可動(dòng)部件，如果出現(xiàn)故障或性能退化將導(dǎo)致卡棒、滑棒事故，嚴(yán)重影響機(jī)組可用性［1－3］?？刂瓢趄?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作故障的原因可分為兩個(gè)方面。一方面是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電氣控制設(shè)備故障導(dǎo)致線圈電流波形異常，這可以通過(guò)監(jiān)視線圈電流大小、紋波、過(guò)渡過(guò)程來(lái)確認(rèn)。另一方面是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械部件磨損或故障導(dǎo)致機(jī)構(gòu)動(dòng)作不正常，這種故障可以通過(guò)檢查線圈電流波形上的動(dòng)作點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，也可在動(dòng)作故障積累到一定程度導(dǎo)致控制棒位置故障后，通過(guò)監(jiān)視控制棒位置發(fā)現(xiàn)。

國(guó)內(nèi)核電站普遍沒(méi)有對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械故障所導(dǎo)致的動(dòng)作點(diǎn)故障或喪失動(dòng)作點(diǎn)的情形進(jìn)行監(jiān)視，而是在故障不斷累計(jì)，使控制棒實(shí)際位置與給定位置之間產(chǎn)生較大的偏差后，由棒位測(cè)量設(shè)備診斷出來(lái)［3］。在棒位測(cè)量設(shè)備監(jiān)測(cè)到故障以前，這些故障很可能使驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)軸受到損壞，或者造成棒束掉落，進(jìn)而引起停堆事件，給核電機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成較大的影響。

通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈電流波形特征進(jìn)行分析判斷，可以綜合判斷驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其電流控制裝置的故障情況，彌補(bǔ)原有設(shè)備在監(jiān)測(cè)和故障診斷方面的不足。

1 CRDM故障診斷方法概述

1.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作原理

每臺(tái)CRDM裝置包括提升、傳遞、保持線圈各一個(gè)，線圈和磁軛構(gòu)成電磁鐵;銜鐵、勾爪受這3個(gè)磁鐵的控制，線圈通電時(shí)銜鐵上升、勾爪嚙合。3個(gè)線圈按一定時(shí)序通電/斷電，帶動(dòng)兩副勾爪抓入/退出驅(qū)動(dòng)軸齒槽，從而帶動(dòng)控制棒提升/插入。線圈通電時(shí)，勾爪插入驅(qū)動(dòng)軸環(huán)形槽，使控制棒驅(qū)動(dòng)軸保持不動(dòng);線圈失電時(shí)勾爪從驅(qū)動(dòng)軸環(huán)形槽退出［5－7］。

提升線圈控制提升銜鐵，線圈通電時(shí)，提升銜鐵使整個(gè)傳遞勾爪組件向上移動(dòng)一步;斷電時(shí)，傳遞勾爪組件在重力作用下下降一步，如果傳遞勾爪帶有控制棒，則控制棒一同下降一步。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作所需要的線圈通電時(shí)序由電源柜產(chǎn)生。受線圈電流過(guò)渡時(shí)間限制，控制棒移動(dòng)的最大速度為72步/min，對(duì)應(yīng)提升、插入時(shí)序周期833 ms。為使銜鐵吸合時(shí)間正常，提升、傳遞、保持3種線圈的電流定值分別為40 A、8 A、8 A，銜鐵吸合后保持在吸合位置需要的電流不大;為了限制長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行時(shí)提升線圈的溫度，提升銜鐵吸合后將提升線圈電流降到16 A;為了限制控制棒長(zhǎng)期不動(dòng)時(shí)保持線圈的溫度，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)序完成后將保持線圈電流降到4.7 A。線圈電流故障后需觸發(fā)雙重保持，同時(shí)給保持、傳遞線圈通以8 A大電流，再持續(xù)通以4.7 A的小電流，防止這兩個(gè)線圈過(guò)熱。

棒束移動(dòng)一步需要7個(gè)機(jī)械動(dòng)作點(diǎn)，正常提升時(shí)7個(gè)動(dòng)作依次為:①傳遞勾爪抓入;②保持勾爪退出;③負(fù)荷傳遞(從保持勾爪落到傳遞勾爪);④提升銜鐵吸合(傳遞勾爪帶棒上升);⑤保持勾爪抓入;⑥傳遞勾爪退出;⑦提升銜鐵釋放(傳遞勾爪不帶棒下降)。

正常插入時(shí)7個(gè)動(dòng)作依次為:①提升銜鐵吸合(傳遞勾爪不帶棒上升);②傳遞勾爪抓入;③保持勾爪退出;④負(fù)荷傳遞(從保持勾爪落到傳遞勾爪);⑤提升銜鐵釋放(傳遞勾爪帶棒下降);⑥保持勾爪抓入;⑦傳遞勾爪退出。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各動(dòng)作點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間典型值如表1所示。

表1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間典型值Tab.1 Typical values of the action times of drive mechanism

1.2 CRDM 故障分析

CRDM動(dòng)作故障模式可以分為以下幾種。

①電流大小故障:指CRDM電流控制回路故障導(dǎo)致輸出電流與設(shè)定值有偏差。電流太大可能使線圈過(guò)熱，電流太小可能使銜鐵無(wú)法動(dòng)作。監(jiān)視電流大小必須結(jié)合通電指令時(shí)序進(jìn)行，通電指令發(fā)出一定時(shí)間后，檢查輸出電流是否達(dá)到要求值，允許偏差±5%［1］。

社團(tuán)招新方式及活動(dòng)策劃單一，院校間交流較少，需多組織外出活動(dòng)，打破封閉的社團(tuán)模式；新組建社團(tuán)由于經(jīng)驗(yàn)不足等問(wèn)題，宣傳力度不夠，例如，在調(diào)查中學(xué)生反饋希望新增動(dòng)漫社、古風(fēng)社等社團(tuán)，但在其院校中已組建，同時(shí)，由于鮮有人知此類社團(tuán)已存在，因此，組建過(guò)程因人力等原因，常維持不久；社團(tuán)活動(dòng)的宣傳不夠到位，加強(qiáng)、重視宣傳，讓學(xué)生更懂得加入社團(tuán)的意義。

②電流過(guò)渡過(guò)程太長(zhǎng):指電流上升沿、下降沿過(guò)于平緩，后果是銜鐵動(dòng)作點(diǎn)滯后，嚴(yán)重時(shí)使勾爪負(fù)荷傳遞出現(xiàn)問(wèn)題，發(fā)生拉扯現(xiàn)象或滑棒現(xiàn)象，劃傷驅(qū)動(dòng)軸［2］。

③無(wú)動(dòng)作點(diǎn):CRDM銜鐵上升、磁隙閉合時(shí)，電感瞬時(shí)增大，使輸出電流短時(shí)間下降，表現(xiàn)在線圈電流波形上是電流上升到一定程度后出現(xiàn)一個(gè)凹坑。如監(jiān)視到電流上升段無(wú)凹坑，則可確認(rèn)相應(yīng)勾爪未動(dòng)作。

④電流振蕩:為加快CRDM電流過(guò)渡過(guò)程，每個(gè)線圈都有一個(gè)帶輸出反饋的閉環(huán)電流調(diào)節(jié)回路。若調(diào)節(jié)回路參數(shù)不合適，將使輸出電流產(chǎn)生振蕩，使CRDM動(dòng)作點(diǎn)出現(xiàn)混亂。

⑤輸出電流紋波大:輸出電流紋波大可能意味著調(diào)節(jié)回路出現(xiàn)了振蕩或者三相半波整流中某一相出現(xiàn)了故障，其后果是動(dòng)作點(diǎn)混亂，或是輸出電流達(dá)不到目標(biāo)值，甚至出現(xiàn)滑棒事故。

⑥動(dòng)作點(diǎn)銜接有問(wèn)題:移動(dòng)一步需要7個(gè)動(dòng)作，這需要保持勾爪、傳遞勾爪、提升銜鐵之間相互銜接，密切配合，稍有差錯(cuò)即可能出現(xiàn)拉扯、掉棒或升降失靈問(wèn)題。對(duì)動(dòng)作點(diǎn)銜接情況進(jìn)行監(jiān)視，最好采用振動(dòng)探頭監(jiān)測(cè)CRDM動(dòng)作時(shí)的聲音曲線進(jìn)行診斷。但一般振動(dòng)探頭不耐輻照，調(diào)試時(shí)使用的振動(dòng)探頭在正常運(yùn)行期間已拆除，無(wú)法用于在線監(jiān)視，動(dòng)作點(diǎn)只能通過(guò)線圈電流波形變相進(jìn)行檢查。

2 系統(tǒng)平臺(tái)選擇

若要實(shí)現(xiàn)集中處理和在線故障診斷，在選擇硬件時(shí)需要考慮運(yùn)算速度和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量?jī)蓚€(gè)問(wèn)題。

CRDM線圈電流為50 Hz的交流電源經(jīng)三相半波整流形成，紋波頻率為150 Hz。為正確判斷失相、電流紋波太大等故障情況，采樣周期小于1 ms較好，最好能小于0.5 ms，相應(yīng)采樣頻率為2 000 Hz。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)處理要求可知，即使現(xiàn)有高性能PLC設(shè)備也難以滿足以上要求。因此，經(jīng)過(guò)多方調(diào)研，選用美國(guó)國(guó)家儀器公司(以下簡(jiǎn)稱NI)提供的虛擬儀器技術(shù)，開(kāi)發(fā)平臺(tái)為L(zhǎng)abVIEW。系統(tǒng)硬件為PXI架構(gòu)8 槽標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱［4］。

3 軟件算法流程

軟件處理流程包括:①數(shù)據(jù)采集;②數(shù)字濾波;③求取極值點(diǎn)，對(duì)波形進(jìn)行折線化處理;④分提升、傳遞、保持3種情況識(shí)別波形特征點(diǎn)，檢查電流大小及波動(dòng)幅度;⑤步序、動(dòng)作時(shí)間判別及故障診斷;⑥對(duì)一個(gè)子組4個(gè)棒束動(dòng)作的一致性進(jìn)行比較，完成子組波形的單步分析;⑦對(duì)一個(gè)子組的多個(gè)波形進(jìn)行連續(xù)處理;⑧采集波形顯示、有效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、動(dòng)作記錄存儲(chǔ)。

3.1 數(shù)據(jù)濾波和波形處理

對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作情況的判斷，是基于銜鐵磁隙閉合、分開(kāi)過(guò)程對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電流造成的影響，這種影響持續(xù)時(shí)間通常為40 ms以上，相應(yīng)電流波形是一種帶150 Hz紋波的平滑曲線。晶體管導(dǎo)通、關(guān)斷、相序切換對(duì)交流電源電壓造成的瞬時(shí)影響，或者采樣過(guò)程中的其他高頻干擾均可導(dǎo)致采樣波形中存在階躍型的奇異點(diǎn)。如果采用一般基于延時(shí)平均的低通濾波算法進(jìn)行濾波，動(dòng)作點(diǎn)判別所需要的紋波特征會(huì)被一并濾除，所以需要采用特殊的奇異點(diǎn)濾除算法。濾除算法如下。

根據(jù)某一點(diǎn)與其前后幾點(diǎn)的關(guān)系進(jìn)行處理，判斷為異常值時(shí)，以預(yù)測(cè)值替代當(dāng)前值。設(shè)c點(diǎn)為待處理點(diǎn)，a、b為其前面連續(xù)2 點(diǎn)，d、e、f為其后面連續(xù) 3 點(diǎn)，根據(jù)c與其前后幾點(diǎn)的大小關(guān)系判斷其是否異常。如果 min{|c－b|、|c－d|}＞2max{|a－b|、|b－d|、|de|}，則稱“c偏離 a、b、d、e”。預(yù)測(cè)值分以下 3 種情況:若|a－b|＞ |b－d|，則預(yù)測(cè)值為(b+d)/2;否則當(dāng)波形上升時(shí)預(yù)測(cè)值為b+(b－a)/2，下降時(shí)預(yù)測(cè)值為b+(b－a)(因?yàn)樯仙瓤偸侵饾u減小，而下降幅度總是逐漸增大)。

完成濾波處理后，搜索一維標(biāo)量數(shù)組中的局部極大極小點(diǎn)，消除因毛刺產(chǎn)生的非正常端點(diǎn)，去除較寬噪聲形成的單峰。

3.2 波形特征辨識(shí)

分提升、傳遞、保持3種情況對(duì)波形特征進(jìn)行辨識(shí)，檢查電流大小及波動(dòng)幅度。設(shè)定觸發(fā)各狀態(tài)轉(zhuǎn)換的判據(jù)，這些判據(jù)是保證良好的波形辨識(shí)效果的關(guān)鍵。線圈電流波形特征辯識(shí)狀態(tài)機(jī)如圖1所示。

圖1 線圈電流波形特征辨識(shí)狀態(tài)機(jī)Fig.1 Feature identification of the coil current waveform

提升線圈電流波形狀態(tài)分為:①初始狀態(tài);②零電流平臺(tái);③上升0→40 A;④吸合平臺(tái);⑤大電流平臺(tái);⑥下降40 A→16 A;⑦小電流平臺(tái);⑧下降16 A→0;⑨終止。求取提升起點(diǎn)、提升吸合起點(diǎn)、提升吸合動(dòng)作點(diǎn)、提升大平臺(tái)終點(diǎn)、提升小平臺(tái)起點(diǎn)、提升小平臺(tái)終點(diǎn)、提升終點(diǎn)7個(gè)動(dòng)作點(diǎn)。提升線圈電流波形特征辨識(shí)狀態(tài)機(jī)如圖1(a)所示。

傳遞線圈電流波形狀態(tài)分為:①初始狀態(tài);②零電流平臺(tái);③上升0→8 A;④吸合前下降;⑤吸合后上升;⑥大電流平臺(tái);⑦下降8 A→4 A;⑧小電流平臺(tái);⑨下降4 A→0;⑩終止。求取傳遞起點(diǎn)、傳遞吸合起點(diǎn)、傳遞吸合動(dòng)作點(diǎn)、傳遞大平臺(tái)起點(diǎn)、傳遞大平臺(tái)終點(diǎn)、傳遞小平臺(tái)起點(diǎn)、傳遞小平臺(tái)終點(diǎn)、傳遞終點(diǎn)8個(gè)動(dòng)作點(diǎn)。傳遞線圈電流波形特征辨識(shí)狀態(tài)機(jī)如圖1(b)所示。

保持線圈電流波形狀態(tài)分為:①初始狀態(tài);②小電流保持;③上升4 A→8 A;④大電流保持;⑤下降8 A→0;⑥零電流平臺(tái);⑦上升0→8 A;⑧吸合前下降;⑨吸合后上升;⑩大電流平臺(tái);○11下降8 A→4 A;○12終止。求取保持起點(diǎn)、保持前平臺(tái)起點(diǎn)、保持前平臺(tái)終點(diǎn)、保持釋放歸零點(diǎn)、保持重吸合起點(diǎn)、保持動(dòng)作起點(diǎn)、保持吸合動(dòng)作點(diǎn)、保持大平臺(tái)起點(diǎn)、保持大平臺(tái)終點(diǎn)、保持終點(diǎn)10個(gè)動(dòng)作點(diǎn)。保持線圈電流波形特征辯識(shí)狀態(tài)機(jī)如圖1(c)所示。

3.3 步序及動(dòng)作時(shí)間判別

對(duì)一個(gè)棒束的提升、傳遞、保持這3個(gè)線圈電流波形進(jìn)行分析處理，形成動(dòng)作點(diǎn)數(shù)組;判斷是否為正常步序;判斷動(dòng)作點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作點(diǎn)的差異是否在正常范圍內(nèi)，各動(dòng)作點(diǎn)前后關(guān)系是否滿足要求。

動(dòng)作點(diǎn)數(shù)組包含30個(gè)數(shù)據(jù)，其中7個(gè)提升動(dòng)作點(diǎn)、6個(gè)傳遞動(dòng)作點(diǎn)、10個(gè)保持動(dòng)作點(diǎn)、5個(gè)動(dòng)作時(shí)間數(shù)據(jù)、2個(gè)有效數(shù)據(jù)起止點(diǎn)信息。

在單棒束動(dòng)作時(shí)間判別的基礎(chǔ)上，對(duì)子組內(nèi)4個(gè)棒束動(dòng)作的一致性進(jìn)行比較。動(dòng)作點(diǎn)一致性比較設(shè)置了偏差大、偏差嚴(yán)重兩種閾值。

3.4 波形顯示及結(jié)果存儲(chǔ)

系統(tǒng)顯示原始波形及處理后的波形，以表格形式顯示步循環(huán)的動(dòng)作時(shí)間信息;如波形異?；虬行?dòng)作，則保存波形，并將動(dòng)作信息、動(dòng)作時(shí)間存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，在監(jiān)視畫(huà)面中顯示異?；蚬收闲畔ⅰ?/p>

利用消息傳遞機(jī)制實(shí)現(xiàn)9個(gè)子組并行采集處理，對(duì)故障、異?；虬行?dòng)作的波形進(jìn)行保存、顯示。

采集所得波形和產(chǎn)生的動(dòng)作信息、動(dòng)作時(shí)間及故障記錄信息，通過(guò)消息傳遞機(jī)制發(fā)送到總線上，同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并將動(dòng)作時(shí)間信息、故障記錄信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

系統(tǒng)將所有波形特征信息在線存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。用戶可根據(jù)機(jī)組號(hào)、子組、棒束、特征、記錄時(shí)間、動(dòng)作時(shí)間等各種信息進(jìn)行組合查找，比較、分析各CRDM動(dòng)作時(shí)間差異及動(dòng)作時(shí)間變化趨勢(shì)。數(shù)據(jù)經(jīng)長(zhǎng)期積累后可進(jìn)行長(zhǎng)周期趨勢(shì)分析。

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況

系統(tǒng)已在秦山二期4個(gè)機(jī)組上應(yīng)用多年。第一套設(shè)備于2006年6月11日起安裝在秦山二期2號(hào)機(jī)上，在6月19日捕捉到1次波形異常，當(dāng)時(shí)觸發(fā)了硬件報(bào)警，其后連續(xù)多次捕捉到異常波形，但硬件報(bào)警電路未報(bào)出故障。根據(jù)這一情況，幾天后更換了故障機(jī)箱。事后分析確認(rèn)故障是因機(jī)箱中C相晶體管上并聯(lián)的阻容電路中電容失效斷路產(chǎn)生的。這屬于元器件完全失效導(dǎo)致的故障，在硬件電路中只觸發(fā)了一次報(bào)警。對(duì)于元器件性能退化的情形，硬件電路更難發(fā)現(xiàn)故障，即使發(fā)現(xiàn)了，但事后檢查時(shí)可能故障現(xiàn)象已經(jīng)消失，無(wú)法定位故障。這種情況可充分體現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的優(yōu)勢(shì):能盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，完全保留故障現(xiàn)場(chǎng)，以方便故障精確定位。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功能全面，數(shù)據(jù)處理迅速，特征點(diǎn)辨識(shí)準(zhǔn)確，能夠在機(jī)構(gòu)性能退化早期和控制設(shè)備電子元器件老化變性的早期發(fā)現(xiàn)故障苗頭和偶發(fā)故障，便于對(duì)CRDM性能變化進(jìn)行長(zhǎng)期趨勢(shì)分析。同時(shí)，該系統(tǒng)易于安裝;采用霍爾傳感器進(jìn)行電流采集，抗干擾能力強(qiáng);與在線系統(tǒng)設(shè)備沒(méi)有電氣連接，已建成電廠增設(shè)CRDM在線監(jiān)測(cè)設(shè)備不會(huì)影響其現(xiàn)有設(shè)備運(yùn)行。

經(jīng)測(cè)試、驗(yàn)證和多年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明，該系統(tǒng)采用的技術(shù)方案是可行的，可以普遍用于國(guó)內(nèi)各壓水堆機(jī)組CRDM在線監(jiān)測(cè)及故障診斷。

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