核电厂停堆断路器停堆控制接口设计

周叶翔 田亚杰 任立永 刘光明 江 辉

(深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518172)

0 引言

核电厂总体设计要求保护系统与控制系统互相分离［1］。目前，压水堆核电厂紧急停堆系统归属保护系统范畴，棒控系统归属控制系统范畴，因此紧急停堆系统执行机构普遍采用停堆断路器。停堆断路器通过切断棒控系统供电，使反应堆所有棒组由重力驱使插入堆芯，从而达到紧急停堆的目的。

停堆断路器为核电厂关键电气设备，其控制由核级DCS 平台实现。当前二代至三代的压水堆核电厂设计中，停堆断路器设计原理相似，停堆断路器开关盘控制接口包括合闸控制、分闸控制等，其中分闸控制分为带电线圈(SHTR)分闸控制及欠压线圈(UV)分闸控制。DCS 手动控制指令，同时通过带电线圈和欠压线圈打开停堆断路器，而保护系统自动停堆指令仅通过欠压线圈实现分闸。因此，欠压线圈的控制接口设计也是紧急停堆系统的设计关键。

通过对在运及在建核电厂的典型停堆断路器带电线圈和欠压线圈控制接口方案的对比分析，结合核电厂调试运行经验，发现不同的停堆断路器开关盘内部电器元件特性差异明显。因此，停堆断路器控制接口方案应用具有局限性，容易出现控制系统与断路器线圈负载不匹配问题，甚至在某些工况下，停堆断路器控制回路之间出现电流耦合现象，将直接导致停堆断路器的控制出现异常。采用二极管实现控制回路解耦是一种经济的改进措施，也容易实现，但是无法解决带载失配问题。采用继电器隔离解耦方法，虽改造成本较大，但能够同时解决带载失配和控制回路电流耦合问题。

1 标准规范

停堆断路器的控制接口方案设计需遵循紧急停堆系统设计的相关标准要求［1-4］，主要有如下几点设计规范。

1.1 单一故障准则

要求:设计应冗余，任何的单一故障都不会造成停堆功能丧失。

实现:停堆断路器分为四组，由四个通道独立控制，满足单一故障准则。

1.2 定期试验能力

要求:为了检测内部故障和验证系统性能是否满足功能要求，停堆功能应能在反应堆运行期间开展定期试验。

实现:紧急停堆系统可逐个通道开展定期试验，当一个通道旁通后，另外三个通道保持正常工作，且满足单一故障要求。

1.3 防共模故障

要求:设计上应采用功能多样性设计，预防共模故障的影响。

实现:停堆控制通过带电线圈和失电线圈实现，两者的控制接口设计保持多样化;停堆控制接口优化方案进一步保证UV 线圈的控制回路保持独立性［5］。

1.4 手动执行停堆功能

要求:停堆动作可以从控制室进行手动控制。

实现:手动停堆控制指令同时通过带电线圈和失电线圈控制实现。

2 停堆断路器

2.1 停堆断路器硬接线逻辑

压水堆核电厂紧急停堆系统配备八个停堆断路器，分为四组，并按四取二的硬接线逻辑形成通断回路。图1 为停堆断路器硬接线示意图，图中虚线连接的两个停堆断路器为一组，四组停堆断路器分别由保护系统的四个通道控制。其中:RPA100JA 与RPA101JA 对应Ⅰ通道，RPB100JA 与RPB101JA 对应Ⅱ通 道，RPA200JA 与 RPA201JA 对 应Ⅲ通 道，RPB200JA 与RPB201JA 对应Ⅳ通道。

图1 停堆断路器硬接线示意图Fig.1 Hard wiring connections of the reactor trip breakers

2.2 停堆断路器开关盘

停堆断路器开关盘分为A、B 两列。每列控制两组停堆断路器，其中保护系统Ⅰ、Ⅲ通道控制指令送至A 列开关盘，Ⅱ、Ⅳ通道控制指令送至B 列开关盘。

带电线圈由110 V 直流电驱动，通过中间继电器控制，中间继电器由保护组机柜48 V 直流电控制。欠压线圈由48 V 直流电直接控制，其控制回路中包含失电监测继电器、计时继电器。部分产品中欠压线圈的供电回路也采用48 V 直流电控制的中间继电器间接控制。

3 停堆控制接口

核电厂停堆断路器分闸控制指令包括自动停堆指令、应急停堆盘(ECP)手动控制指令以及测试指令。控制指令通过四个保护组通道分别送出，每个通道与停堆断路器的控制接口设计保持一致。

自动停堆指令驱动同一通道内的两个欠压线圈;每个通道针对两个停堆断路器分别设置两个分闸测试指令，测试指令仅控制带电线圈。ECP 指令分为A、B两列，每列控制两组停堆断路器。ECP 控制指令同时控制两种分闸线圈，但是对每种线圈的控制实现方式存在区别，详见章节3.1 和3.2 的具体分析内容。

3.1 带电线圈控制接口

带电线圈控制接口设计包含ECP 手动控制指令和分闸测试指令的接口设计。图2 以保护组I 通道RPA100JA 和RPA101JA 为例，给出一种可靠性较高的方案。

图2 SHTR 控制接口Fig.2 SHTR control interface

图2 中 Test1与 Test2分 别 为 RPA100JA 和RPA101JA 的测试指令，测试指令与ECP 指令并联，实现或逻辑。ECP 停堆指令通过继电器RL10，同时控制SHTR1中间继电器(对应RPA100JA)与SHTR2中间继电器(对应RPA101JA)。控制回路的供电通常由DCS电源分配卡件提供，根据不同的需求可以分配48 VDC或24 VDC 供电。SHTR 线圈控制回路的供电应与UV线圈控制回路的供电保持多样化设计。

3.2 欠压线圈控制接口方案及分析

欠压线圈控制接口设计包含自动停堆指令和ECP手动停堆指令控制接口设计。对于二代改进型及三代核电厂，欠压线圈控制指令还包括远程停堆站的手动停堆指令。停堆断路器的测试信号并不针对欠压线圈。电站正常运行期间，欠压线圈及其控制回路保持带电状态。根据核电厂的安全设计理念，DCS 失电或停堆断路器开关盘失电，停堆断路器能够自动分闸实现紧急停堆。这一安全功能通过欠压线圈的控制接口设计实现。

因不同类型停堆断路器开关盘中的电器元件特性差异明显，当前欠压线圈的控制接口设计也略有不同。在运核电厂中主要有两种控制接口方案(简称A 方案、B 方案)，两者的主要区别在于DCS 控制指令是否通过中间继电器间接控制欠压线圈供电回路。章节3.2.1 至3.2.3 同样以I 通道RPA100JA 和RPA101JA的欠压线圈为例，阐述接口设计方案。

3.2.1 保护系统欠压线圈控制逻辑

UV 控制硬逻辑和UV 控制接口如图3、图4 所示。紧急停堆系统功能由核级DCS 平台实现，图3 中端子324/329 与图4 中端子324/329 一致，分别接至停堆断路器开关盘中的48 V 直流控制回路中。保护系统每个通道分为两个子组(P1C1 与P1C2)，每个子组的停堆指令(RT)都可以单独断开欠压线圈控制回路。对应的两个子组的旁通指令(BP)全部触发，自动停堆指令旁通。而ECP 停堆开关采用常闭开关，硬接线直接串联在UV 线圈控制回路中。

图3 UV 控制硬逻辑图Fig.3 UV hard control logic

3.2.2 A 方案

如图4 所示，欠压线圈控制接口方案由DCS 直接控制UV 线圈控制回路，其中012FU 为停堆断路器开关盘48 V 控制回路保护空开，022XR 为48 V 电源失电监测继电器。

图4 UV 控制接口(A)图Fig.4 UV control interface(A)

A 方案结构简单，是一种可靠性较高的设计方案。但是A 方案对于欠压线圈负载设计及DCS 卡件的DO卡件容量有严格的匹配要求。在核电厂建设中，核级DCS 的卡件一般采用标准化设计，为特定的设备开发特定的DO 卡件可行性较低，而停堆断路器开关盘供货设计差异也无法避免。因此，A 方案的推广应用有一定的局限性。目前常见的停堆断路器欠压线圈电气参数如表1 所示。

表1 欠压线圈电气参数Tab.1 Electric parameters of UV coil

核级DCS 自动停堆指令输出DO 卡件的负载参数上限为6 A(持续100 ms)、10 A(20 ms)。因一个通道同时控制两个欠压线圈，参考表1 所列参数，DO 卡件实际承载的冲击电流将达到8.34 A(80 ～160 ms)。该冲击电流已经达到DO 卡件带载能力上限，在停堆断路器动作瞬间容易导致DCS 卡件烧毁。同时，A 方案中RPA100JA 与RPA101JA 的控制回路间存在电流耦合问题。

在以下两种工况中，有可能造成停堆指令发出时UV 线圈拒动。

①RPA100JA 空开012FU 因人为操作或故障断开，而RPA101JA 的控制电正常。

②RPS 停堆DO 点打开(停堆工况或者DCS 失电)

在这种工况下，RPA100JA 控制回路中的继电器022XR 及UV 线圈与RPA101JA 的UV 线圈串联在RPA101JA 的控制回路中。即UV 线圈并未失电，分压计算如下:

因UV 线圈等效阻抗(RUV)远大于022XR 的等效阻抗(R022XR)，考虑到项目48 V 直流源实际电压在50 V左右，因此UV 线圈实际分压约24.5 V。该分压大于UV线圈可靠动作电压，导致UV 线圈存在拒动风险。

3.2.3 B 方案

UV 控制接口B 方案如图5 所示。

图5 UV 控制接口(B)图Fig.5 UV control interface(B)

B 方案与A 方案的主要区别在于DCS 通过中间继电器012XR 间接控制UV 线圈供电回路［6］。中间继电器的引入可以有效处理UV 线圈冲击功率过大而烧毁DO 卡件的问题，但是这一方案没有根本解决电路耦合问题。同样以A 方案所示工况为例，电路耦合导致的问题主要有两点。

①RPA100JA 的失电监测继电器022XR 与RPA101JA 的UV 线圈中间继电器012XR 串联在RPA101JA 的控制回路中，分压计算如下:

022XR 与012XR 的等效阻抗在同一数量级，但是不完全相等，因此不同的停堆断路器开关盘设计将导致实际分压不一致。如R022XR明显大于R012XR时，有可能出现在RPA100JA 控制回路失电情况下，因022XR 非正常带电而无法触发失电报警的问题;与此同时012XR 有可能因分压过少导致RPA101JA 误打开。

②RPA100JA 的UV 中间继电器消耗二极管正向导通，有烧毁可能。

4 停堆断路器控制接口优化

针对方案A、B 的缺点，提出两种欠压线圈的控制接口优化方案。

4.1 改进方案一

如图4、图5 所示的UV 控制接口示意图中，在RPA100JA 和RPA101JA 控制回路的端子256 和324之间各增加一个限流二极管，确保同一通道内的两个UV 控制回路不会交叉供电。该方案简单、经济、易于实现，能够有效解决电路耦合问题。

4.2 改进方案二

改进方案二如图6 所示，该方案针对图5 所示的B方案作了电路设计改进。DCS 通过独立供电的中间继电器012XR，同时控制同一保护通道内的两个欠压线圈。其中，中间继电器012XR 的供电与UV 控制回路的电源可以保持一致，确保无论是停堆断路器控制失电还是中间继电器失电，欠压线圈都能断开，进而停堆断路器打开实现紧急停堆。该方案将同一通道内的两个停堆断路器的控制回路隔离开，彻底地解决了电路耦合问题;同时该方案能够避免停堆断路器各种线圈负载与DCS 卡件带载能力失配的问题，具有普遍适用性。

图6 UV 控制接口(优化)图Fig.6 UV control interface(optimized)

5 结束语

通过对当前二代至三代压水堆核电厂的停堆断路器控制接口方案的总结分析，指出带电线圈控制接口设计相对稳定可靠。欠压线圈控制功能需求较为复杂，需考虑失电安全等特殊设计，且不同的停堆断路器开关盘的欠压线圈电气参数差异显著，导致控制接口设计多样化。针对目前各类控制接口方案中突出的控制回路耦合问题，提出一种简单经济的改进方案。该方案适用于在运核电的快速改造。同时，提出另一种具有普遍适用意义的优化方案，该方案彻底解决了带载失配及欠压线圈控制回路耦合的问题。但是，应用该方案时，需考虑中间继电器的供电设计既要满足失电安全动作要求，也需满足欠压线圈与带电线圈控制设计多样化的要求。

［1］ RCC - P -2000 Design and construction rules for nuclear power plants-2006［S］.2000.

［2］ IAEA NS-R-1-2006 Safety of nuclear power plants:design［S］.2006.

［3］ IEEE 279 -1971 Criteria for protection systems for nuclear power generating stations［S］.1971.

［4］ IEEE 379 -2000 IEEE Standard Application of the Single -Failure Criterion to Nuclear Power Generating Station Safety Systems［S］.2000.

［5］ GB/T 13286 -2008 核电厂安全级电气设备和电路独立性准则［S］.2008.

［6］ 郑添，陈卫华，黄伟军.核电厂仪表和控制系统的隔离和解耦［J］.核科学与工程，2013，33(S2):44-48.