曹新民 秦裕強

摘 要：本文設計了一款通過人力手搖發(fā)電的核電站爆破閥點火器。首先介紹了該點火器的功能要求，然后詳細分析了系統(tǒng)電路設計，最后對實物樣機進行驗證。驗證結果表明，各項測試參數(shù)均符合設計要求。

關鍵詞：爆破閥點火器;手搖發(fā)電;自愈式電容

中圖分類號：TM623 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）34-0047-03

Design of the Igniter for the Squib Valve of Nuclear Power Station

CAO Xinmin QIN Yuqiang

（State Nuclear Power Automation System Engineering Company，Shanghai 200245）

Abstract： In this paper， a kind of igniter of explosion valve in nuclear power plant was designed. Firstly， the functional requirements of the ignitor were introduced， then the circuit design of the system was analyzed in detail， and finally the prototype was verified. The verification results show that all the test parameters meet the design requirements.

Keywords： squib valve igniter;manual power generation;self-healing capacitor

1 研究背景

爆破閥是AP1000三代核電站非能動設計的關鍵設備之一，其通過點燃閥門藥桶內的火藥以驅動閥門快速打開，從而保證事故工況下非能動堆芯冷卻系統(tǒng)可靠運行。這種閥的閥體動作本身是通過火藥爆炸能量驅動的，因此在缺乏廠外電源的情況下仍能被可靠驅動。點燃爆破閥藥筒內的火藥目前設置了兩種方式：一種是通過爆破閥控制器，由控制信號的轉換得到高能短時的大電流引爆火藥;另一種是通過爆破閥點火器，爆破閥點火器是一種人力手搖發(fā)電裝置，由人力手搖曲柄將機械能轉換為電能，最終輸出短時強脈沖電流，從而點燃爆破閥藥桶內的火藥[1]。

在工業(yè)控制領域，尤其是核電站的設備控制中，需要穩(wěn)定可靠的直流電輸出驅動現(xiàn)場設備。為了保證電流的可靠性和穩(wěn)定性，常常通過設置多層次、多冗余的電源來實現(xiàn)。目前，在核電站內，除了配置UPS電池進行后備供電外，還需要配置人力手搖發(fā)電裝置進行多樣化的后備供電。用于核電站作為爆破閥點火器的傳統(tǒng)的人力手搖發(fā)電裝置存在諸多缺點，如可靠性低、無法提供短時強脈沖電流、輸出穩(wěn)定性差等。由此，本文設計了一款新的核電站爆破閥點火器。

2 設計過程

2.1 功能要求

由人力手搖發(fā)電的爆破閥點火器，需要在規(guī)定時間內由人力搖動手搖曲柄進行充電，并通過電容器進行儲能，最后實現(xiàn)可控輸出。功能要求主要包括以下幾方面。

2.1.1 發(fā)電。手搖發(fā)電機輸出接變壓器組，經(jīng)二極管整流器將交流電轉換為直流電。在開始搖動手搖充電曲柄后15s的時間內，四個儲能電容器應被充電到DC220V。

2.1.2 儲能。儲能電路需要進行冗余配置，當失去任一個電機繞組、一個變壓器、一組二極管或一組電容器時，爆破閥點火器仍能執(zhí)行其功能。儲能電容采用金屬化聚丙烯薄膜電容器。金屬化薄膜電容器耐擊穿，且被擊穿后，能形成新的絕緣層繼續(xù)使用，具有自恢復能力及長期高可靠性。

2.1.3 輸出。在接收到點火指令后，需要向最終負載輸出短時脈沖高能電流。輸出保持恒流模式，輸出電流控制在約6A。當充滿電輸出后，該脈沖輸出電流應能在4Ω的輸出負載上持續(xù)至少20ms[2]。

2.1.4 自身供電。將儲能電容器中的高壓電轉換為低壓供控制電路板使用。一旦充滿電，可以持續(xù)供電至少50s。電路不依靠任何外部電源或電池供電。

2.1.5 按鈕與指示。提供“啟動按鈕”“測試按鈕”和“點火按鈕”，以控制對爆破閥點火器的啟動、測試和最終點火輸出。同時，還需要在醒目的位置設置指示燈，以指示充電電量和測試通斷情況。

2.1.6 結構要求。該爆破閥點火器應便于安裝、維護和移動，重量要控制在5kg以內，應設置有保護性外殼，電路板和重要電子器件都裝在該保護性外殼內，能適應核電站內的溫濕度環(huán)境和電磁環(huán)境，提供抗震加固措施。

2.2 系統(tǒng)電路設計

爆破閥點火器實質上是一個采用電容器組進行儲能的脈沖電路輸出系統(tǒng)。爆破閥點火器主要由手搖發(fā)電模塊、變壓電路、整流電路、電容儲能電路和恒流輸出電路等組成，配以按鈕和指示燈進行控制和指示（見圖1）。

通過手搖曲柄搖動產(chǎn)生電能的手搖發(fā)電模塊是整個系統(tǒng)的功率源，需要通過變壓電路和整流電路輸出220V直流電送入電容儲能電路進行儲能，其中的變壓電路、整流電路和電容儲能電路都進行了冗余配置，以保證單一故障下仍能正常工作。同時，為了匹配手搖發(fā)電模塊輸入的功率，充電過程中，根據(jù)反饋電壓信號實時控制對電容的充電，防止過充。

電容儲能電路是把從手搖發(fā)電模塊獲得的能量存儲一定時間，這個時間不會預先設定，取決于系統(tǒng)輸出要求和實際的電路測試調整[3]。電容充電時間由手搖發(fā)電模塊和使用的儲能電容性能決定。整個系統(tǒng)對電容儲能的要求很高，不僅需要高耐壓強度、高儲能能量密度、高充電與放電效率，還需要低能量泄露，能重復使用并具有較長的使用壽命。

恒流輸出電路是將存儲的能量轉化為電流脈沖，經(jīng)過半導體快速開關器件傳遞給最終負載。之所以選用半導體開關器件，主要考慮了其正向阻斷電壓高，通過電流能力強，導通時間快，適宜長期重復使用。開關頻率選型參數(shù)可達100MHz，實際輸出根據(jù)負載變化自行調整開關頻率，有效保證了瞬態(tài)放電的恒流效果。

整個電路系統(tǒng)還包括關鍵的開關保護、多余能量放電保護及其他輔助功能電路控制，如指示燈狀態(tài)指示、按鈕控制、負載測試功能等。

爆破閥點火器電路設計的關鍵技術問題是：手搖發(fā)電模塊的功率能效、自愈式電容的短時儲能、脈沖恒流輸出波形的可控性及邏輯控制和快速開關技術。

同時，在整個電路系統(tǒng)設計中，還需要防止放電過程電路對電容反向充電，增加適當?shù)幕芈冯姼?、電阻設計，做好浪涌電壓和浪涌電流對放電回路的影響，以確保能順利通過納秒級的快速開關將所存儲的電能在短時間釋放到最終負載上。

2.3 充放電計算與分析

電容器利用電場儲能，其所儲能量與電容值[C]和充電電壓[U]成正相關性，但通常又要限制電容器組的充電電壓，使其低于額定電壓，這樣才能保證電容的使用壽命。

采用電壓恒壓充電對小容量電容器組比較實用。對于大容量電容器組，采用恒壓充電會導致充電時間過長。因此，設計先選用恒壓充電測試，不能滿足要求應采用恒流充電，盡量縮短充電時間，達到15s內能完成充電的設計要求。設計時可以考慮采用雙邊充電回路，在相同的輸出電壓下，級數(shù)[N]可以減少一半，充電的不均勻、充電時間都可以得到顯著改善，前提是必須考慮增加每一路開關控制的一致性。

電容器組放電電路為R-L-C串聯(lián)電路，電路方程為：

[Ri+Ldidt+1Cdidt=u0]? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

微分計算得到：

[L（didt）2+Rdidt+iC=0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

因此，無論放電電流是周期性的還是非周期性，脈沖電流的幅值[i]都與電容器組儲能[W]和電感量[L]相關。要調整增大電流，應增大電容、電壓，減少電感。同時，減少放電回路的電感和電阻，有利于實施電容器組保護。

根據(jù)電路中[R]、[L]、[C]的參數(shù)不同，可以分三種情況進行分析。

當[R2>4L/C]時，過阻尼狀態(tài)，非振蕩放電，放電電流為：

[i（t）=uβle-αtsinβt]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

當[R2=4L/C]時，臨界阻尼狀態(tài)，放電電流為：

[i（t）=ulte-αt]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

當[R2<4L/C]時，欠阻尼狀態(tài)，振蕩放電，放電電流為：

[i（t）=uωle-αtsinωt]? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

其中，[α]、[β]和[ω]為：

[α=R2L]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

[β=1LCR2C4L-1]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

[ω=1LC1-R2C4L]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

因此，系統(tǒng)振蕩會對電容器組反向充電，續(xù)流電路采用快速開關技術，為負載慣性電流釋放提供一條通道;同時，阻止反向電壓對電容組充電，可以提高儲能電容組的壽命，提高能量自電容組向負載傳送的效率，有助于形成單方向的脈沖輸出電流。

與儲能電路并聯(lián)的一個短路電路，阻止振蕩放電情況下，電路對儲能電容組反向充電。此外，可以利用二極管單向導通的特性，在儲能電容器組反向偏置時，也就是電容器組釋放能量完畢時，導通續(xù)流電路，保證電感磁場儲存的能量繼續(xù)向負載釋放能量。

當充電完成，充電開關打開，放電開關閉合后，儲能電容器組開始放電，電容上的正向電壓慢慢減小，放電電流逐漸增大，當電容上的正向電壓減少到零時，放電電流升到最大。但是，電流還是維持向負載方向，繼而電流逐減小，這使得電容器組反向充電。接著，電容器反向電壓充電到極致，電流減小到零。然后，電容器組會反向放電，這樣會形成電路的振蕩放電過程。所以，必須在電容器組放電回路中并聯(lián)一個續(xù)流電路，電路中增加續(xù)流二極管，當放電電流達到最大時，電壓剛好為零。此時，二極管剛好導通，將儲能電容器組短路，阻止放電電路向進行反向充電。此時，電容器組上的電壓一直為零，放電電流也會維持同一方向。

3 測試

上述所述的設計方案已經(jīng)通過實施進行實物樣機驗證，通過對樣機的測試表明，各項測試參數(shù)均符合設計要求。圖2為爆破閥點火器在充滿電后，向4Ω的電阻負載上點火輸出的波形圖。

根據(jù)圖2數(shù)據(jù)進行計算可以得出，脈沖輸出電流5.5～6.6A持續(xù)時間達32.9ms，達到了輸出電流約6A需持續(xù)20ms的設計要求。

4 結語

爆破閥點火器是一款提供爆破能量且不依靠任何外部電源或電池的裝置。通過曲柄的搖動，將機械能轉換成點火裝置所需的電能。該爆破閥點火器結構簡單、操作方便、功能可靠，集手搖發(fā)電、電量儲存、回路檢測、點火起爆功能于一體。此外，該點火器內部進行了雙電路冗余配置，能高效快速充電，6A左右恒流輸出能維持20ms以上，待機耗電小，充滿電后能保持有效工作時間50s以上。這種高可靠性、高性能的爆破閥點火器的試制成功，在工業(yè)控制領域將會有較為廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]周志敏，紀愛華.充電器電路設計與應用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[2]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3]楊幫文.實用電池充電器與保護器電路集錦[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.