临界装置保护系统中功率保护装置的设计

刘威峰，肖金凤

(南华大学 电气工程学院，湖南 衡阳 421001)

0 引言

在核临界实验中，为了研究理论上的计算方法以及验证计算程序正确与否，需要获取相关数据，临界装置提供了这样一种途径[1]。临界装置存在发生临界事故的可能，其安全性需要得到保证。功率保护装置的主要作用是在临界装置运行功率过高时发出报警信号，并送出停堆信号给安全逻辑，控制停堆。

1 功率保护装置整体方案

功率保护装置与伽马补偿电离室配套使用，作为反应堆的运行功率保护，防止反应堆功率过高[2]。功率保护装置由低压电源提供低压，并经高压模块转换后为伽马补偿电离室提供工作高压。伽马补偿电离室将代表堆功率的中子注入率转换为电信号，经放大、滤波、A/D转换、定值比较后进行显示和保护操作。触发功率保护动作的值可以在全量程范围内任意定值，与放大后的功率信号值进行比较，当功率达到定值的70%时，给出警告信号；当功率达到定值的120%时，给出停堆信号。功率保护装置设有自检功能，可以连续检查0%～120%整个监测范围和报警功能。另外，功率保护装置还具有自监督功能，当出现低压电源故障、高压电源故障、仪器故障或处于自检状态时，给出综合功率保护仪器故障停堆信号。功率保护装置系统框图如图1所示。

图1 功率保护装置系统框图

2 主要硬件电路设计

硬件电路主要由前置I/V变换放大电路、定值比较电路、A/D转换电路等组成。由STM32及其最小系统作为整个功率保护的主控单元，将采集的电压信号、功率信号、系统状态信号传送至上位机进行显示，并控制FPGA进行模数转换，实现数字化的监测与控制。

2.1 前置I/V变换放大电路

前置放大电路的输入来自伽马补偿电离室测得的反应堆功率电流，电流从1×10-11A到1×10-6A变化，范围涵盖6个数量级。这种微弱信号极易受到周围环境的干扰而淹没在噪声中，信号处理时不仅要考虑信噪比，还要考虑零点漂移问题[3]。这样的信号要求使得放大电路对输入级要求较高，前置放大电路选用具有极低输入偏置电流的单片电路静电计型运算放大器AD549，采用电阻直接反馈法的电路形式。为达到高精度的目的，输入偏置电压和输入偏置电压漂移均通过激光调节。这种极低输入电流性能由ADI公司专有的topgate工艺技术完成[4]。同时选择具有低温漂的玻璃釉电阻，组成前置模拟I/V放大器，将代表堆功率的电流转换为对应挡位下的0 V～1.2 V附近的电压,采用高绝缘低泄漏的舌簧继电器进行挡位切换。

功率保护装置可由软件模拟伽马补偿电离室的输出电流作为自检电流对装置功能进行自检。自检电流的大小由软件设定，范围从10-11A至10-8A。

2.2 A/D转换电路

图2 A/D转换电路

2.3 定值比较电路

代表堆功率的电流值经I/V变换放大电路变换为0 V～1.2 V附近的电压值，与定值比较电路中由基准电压分压得到的0.7 V和1.2 V电压进行比较。定值比较电路设计采用REF195作为5 V基准电压，通过电位器调节比较阈值，警告阈值为0.7 V,停堆阈值为1.2 V。为防止转换后代表堆功率的电压在阈值附近时引起继电器反复吸合跳变，采用LM311加入反馈电阻，构成滞回比较器[7]。

代表实时功率值的电压信号接入两个LM311电压比较器的反相输入端，其正向输入端分别接入由基准电压分压得来的0.7 V或1.2 V电压。当功率小于设定值的70%时，输入到比较器的电压小于0.7 V，两个比较器均输出高电平，分别与代表最大定值70%和120%的数字信号经逻辑组合后向达林顿管MC1413D输入低电平，控制继电器断开，不进行报警或停堆。当功率大于设定值70%小于120%时，输入到比较器的电压大于0.7 V且小于1.2 V，控制警告的继电器吸合，发出警告报警信号。当功率大于设定值的120%时，输入到比较器的电压大于1.2 V，控制警告和停堆的继电器均吸合，发出警告报警信号与停堆信号。定值比较电路如图3所示。

图3 定值比较电路

3 软件设计

3.1 软件流程

主控单元采集电路各信号信息，送至上位机进行显示，并接收上位机的命令，对功率保护装置进行相应的操作。主控单元的软件流程如图4所示。

图4 主控单元软件流程

3.2 软件功能

功率保护装置需要与信息系统进行通讯，进行正常工作参数的设置。通过软件的参数设置菜单可以设置并保存工作高压(0 V～800 V)、负高压(0 V～-800 V)、功率/电流显示的选择、保护定值设定等。

每次运行选定最大保护定值后，本次运行期间不得改变。定值分挡可粗调和细调，定值粗调按照1、3进制分挡，分别为1×10-11A、3×10-11A、1×10-10A、 3×10-10A、1×10-9A、3×10-9A、1×10-8A、3×10-8A、1×10-7A，3×10-7A、1×10-6A，共11挡；定值细调为±3%～±30%连续可调。最大定值以下的挡位默认参与保护，均作为中间保护定值。中间保护定值达到时操作员点击即可迅速取消，不需要进一步确认。中间保护定值和最大定值可在操作员的显示器界面清晰的显示，以便操作员随时观察和消除某个中间保护挡位。

正常测量时，软件采集功率保护装置的当前高压值、当前电流值、当前高压状态、当前工作状态(工作/自检)和当前报警状态等信息。对信息进行相应的处理，如存储所有数据并可绘制历史曲线，形成日志；信息传送至各级显示设备；打印报表，报表包括与功率保护有关的所有信息。

4 测试内容及结果分析

4.1 测试内容

将伽马补偿电离室连接至功率保护装置测试仪表，放置在周围无放射源的环境中，测量出伽马补偿电离室的电流值，即可测试出环境本底对应的电流值。

将校验器与功率保护装置连接，选择不同的电流输出，并对功率保护装置进行不同的操作，可测试功率保护装置的输入电流范围、定值误差、响应时间、仪表测量误差、仪表重复性和功率保护功能。

4.2 结果分析

经测试功率保护装置的输入电流范围为1×10-11A～1×10-7A、定值误差为0.6%～0.7%、仪表响应时间小于3 s、仪表测量误差小于3%、重复性小于1%，均达到合格要求，保护功能均能按要求实现。部分测量数据如表1所示，测试现场如图5所示，测试中未连接网络，装置能检测并显示出网络状态，当前代表堆功率的电流大小为0.182×10-8A。

表1 功率保护装置部分测试结果

图5 测试现场