中科华核电技术研究院  罗传杰

    大亚湾核电运营管理有限公司 文 华

    北京广利核系统工程有限公司 左 新
                       
    罗传杰（1972-）男，湖南人，高级工程师，研究生，毕业于武汉水利电力大学自动化专业，现就职于中科华核电技术研究院，主要研究方向为核电站仪控领域的工程改造以及产品研发。

    摘要：保护系统是核电站最重要的安全系统之一。为了保证系统的可用性，根据核安全法规的要求，必须对系统的功能进行定期试验以便及时发现系统内部潜在的故障。大亚湾核电站的试验台由于老化，可靠性降低，影响了核电站的安全。遵循相关设计标准，充分考虑现场实际使用需求、技术可靠性等因素，研制了新型的试验台。大亚湾核电站一年多的现场运行表明，新研制的试验台完全达到了预定的设计要求。

    关键词：核电站；保护系统；试验台；研制

    Abstract: Protection system is one of the most important systems in nuclear power station. According to the requirement of nuclear regulation, and in order to ensure the system availability, periodic test must be done to test system function to find potential fault. The reliability of tester in Daya Bay nuclear power station decreased because of aging, which affects nuclear safety. A new tester was developed by considering the related design standards, requirement from site operation and technique reliability. The more than one year operation in Daya Bay nuclear power station demonstrated that this new tester meets the expected requirement.

    Key words: Nuclear power station; Protection system; Tester; Development

    1前言

    根据核安全法规的要求，核电站的保护系统必须执行定期试验，以确保保护系统的准确性和可用性。如果试验台故障，无法进行有关试验，核电站将被迫停堆，因此试验台是核电站安全运行必须的设备。

    国内包括大亚湾核电站在内的百万千瓦大型核电机组的保护测量系统试验台（T1试验台）均由国外核岛设备供应商设计和供货。长期以来，技术由国外公司垄断。由于国内厂家不掌握核心技术，无法对原系统进行维护和更新。经过十多年的运行，大亚湾核电站的T1试验台已经老化，经常出现问题，严重影响了机组的安全运行，因此大亚湾核电站决定对其进行升级改造。为了打破国外的技术垄断，大亚湾核电站与北京广利核公司联合研制了新的试验台，以满足核电站安全和运行的要求。

    2 T1试验台的工作原理

    百万千瓦压水堆核电机组保护测量系统（KRG系统）是核电站仪控系统的重要组成部分，对于核电站的安全运行起着重要的作用。KRG系统接收来自现场过程测量仪表的模拟信号（包括4~20mA信号、热电阻信号、热电偶信号、频率信号等），同时给现场二线制变送器配电，然后系统根据设计要求对现场模拟信号进行处理，再送到相关系统和设备进行显示、记录、处理。根据安全和功能要求，KRG系统分为保护测量机柜（1E级，又称为SIP系统）和控制测量机柜（非核级）。KRG系统的总结构图见图1。
          
                     
                                         图1  KRG系统总结构图

    SIP系统保护测量通道完成安全信号的处理，因此该系统的工作正常与否直接影响到核电站的安全，这就要求SIP系统保护测量通道在核电站运行期间，要绝对可靠地工作，所以根据核安全法规和国家标准的要求，必须有手段在核电站运行期间对保护测量机柜内的组件进行定期试验，此类定期试验称为“T1试验”。

    试验可在停堆和功率运行工况下进行。如果因故无法进行试验，反应堆必须停堆检修。保护测量通道的典型回路图见图2。
               
                   
                                  图2   保护测量通道典型回路图

    SIP系统使用BAILEY公司的FE9H12组件作为T1试验的信号接口卡，与保护测量回路的BAILEY 9020组件安装在一起。保护系统正常工作时，FE9H12组件中的信号继电器（CC）将现场信号接至保护测量回路；FE9H12组件中的输出继电器（XX）将保护测量回路的报警组件输出接至保护系统，从而完成保护测量回路的正常功能。

    当保护测量回路需要进行T1试验检测时，将电缆插头插入需要测试的回路端口上，这时FE9H12组件接收来自T1试验台的启动信号。首先是FE9H12组件中的XX继电器动作，将原来接至保护系统的报警组件输出转接至试验台进行监视；一定延时后FE9H12组件中的CC继电器动作，送入保护回路的输入信号从原来的现场信号转接至T1试验台送出的标准测试信号。T1试验台根据预先编制的测试程序，对保护测量回路中的信号转换组件、运算组件、报警组件等进行测试。当试验完成后，FE9H12组件中的CC、XX继电器恢复顺序与启动顺序相反。送入保护回路的输入信号又重新接至原来的现场信号。T1试验完成。

    3 T1试验台技术方案及参数

    3.1 系统方案

    虽然T1试验台的实验对象SIP系统执行安全功能，属于安全相关系统，但T1试验台本身并不执行安全功能，不属于核级设备，不需要按照核级设备的设计准则进行设计。因此在T1试验台的设计中需要考虑的重点是防止试验台内部的故障（如短路，过电压等）影响SIP保护通道，具体的措施包括采取可靠的设计进行电源和输入输出信号的隔离。

    新研制的T1试验台的核心部分是配有两块NI公司的M系列数据采集卡的高性能GE工控机和信号调理板。工控机上运行由LABVIEW 专家版生成的T1试验台上位机监控程序，并通过人机接口设备实现对整个T1试验台的操控；NI公司的M 系列数据采集卡实现模拟量信号和开关量信号的采集和输出功能；信号调理板和NI卡之间通过标准电缆连接，信号调理板通过55芯电缆（带航空连接器）和被测试对象（SIP机柜）连接。

    自检、年检航空连接器插座均和自检、年检接口板相连接，完成系统的自检和年检功能。

    人机接口部分包括两个设备：一台打印机，用于生成纸质的测试结果，便于定期试验过程中的签字确认及存档；一体化IO设备（键盘+显示器+鼠标），作为定期试验过程中的人机交互手段。
           
                 
                                    图3  T1实验台结构示意图

    对于新研制的T1试验台，还增加了以下功能：

    将T1试验台送往测试回路的信号读回到试验台，以检查I/O模块的精确度。

    当对某个回路进行T1试验时，需把试验电缆插头插入待测试回路的插座上，如果不小心把电缆错插到别的回路插座上，则没法对该回路进行测试。为了有效避免维修人员的误操作，根据SIP机柜接线情况，自动实现此判断功能。

    T1试验台具备通道自检和定期检验功能，将55芯电缆插到相应的自检（定期检验）航空连接器插座上，即可实现自检（定期检验）功能。

    自检航空连接器插座和自检、年检接口板连接。自检接口板将来自55芯电缆的输入和输出信号相互连接在一起（模拟量输入对应模拟量输出，开关量输入对应开关量输出）。从输出通道注入一个信号，再从对应的输入通道读取数据，通过两者比对，即可得到这两个通道的状态，完成自检。

    试验台的通道信号一共有4种类型，开关量输入，开关量输出，模拟量输入，模拟量输出（均相对于试验台而言）。每种信号的定期检验方法如下：

    开关量输入：通过定期检验接口板输入0、1变位信号。

    观察试验台的测量结果，判断通道质量。

    开关量输出：通过实验台输出0、1变位信号，观察定期检验接口板的状态指示电路，判断通道质量。

    模拟量输入：通过定期检验接口板的信号输入端子，使用标准表输入模拟量信号。观察试验台的测量结果，判断通道质量。

    模拟量输出：通过实验台输出模拟量信号，使用标准表测量定期检验接口板相应的测量端子上的信号精度，判断通道质量。

    模拟量输出处理及回读（AO）：由于M 系列数据采集卡的模拟量输出通道为电压型输出，而待测试通道需要4～20mA电流型或-10V~10V电压型激励信号，因此，进行通道试验过程中，必要时需将采集卡输出的电压型信号转换为T1试验需要的电流信号（4～20mA）。同时，提供模拟量输出信号回读功能，以便确认测试信号已经施加到待测试通道。

    开关量输出处理（DO）：定期试验需要向待测试通道发送控制指令将通道切换到试验状态，这些指令是由开关量输出实现的，例如控制FE9H12的“CC”的节点转换；采集卡的开关量输出不能直接驱动这些设备，因此需要设计开关量输出处理电路实现信号转换。

    开关量输入处理（DI）：待测试通道的阈值继电器在越限时会发生动作，T1试验台需要采集并记录这些开关量输入动作；待测试通道的特征信息（如机组、SIP组、系统和通道标识等）作为判定试验电缆连接正确与否的依据，以开关量输入形式提供给试验台，这些开关量动作经过处理后发送给采集卡进行采集。

    模拟量输入处理（AI）：待测试通道中的模拟量信号（如中间运算结果等），经过模拟量输入处理电路处理成DAQ模块可以处理的信号后，送到工控机平台进行采集、显示、记录。
在研制过程中，先后进行了软件仿真测试和硬件模拟回路测试，验证了SIP保护通道数学模型和试验台设计原理的正确性。

    3.2 总体技术指标

    新T1试验台的总体技术指标如下：

    一般工况条件下（指温度25±10℃，相对湿度60±15%，大气压力96±10kPa，振动和电磁干扰小到可忽略不计的环境条件，下同），各类信号的误差。

    AI：0～10V；通道数量13个；优于模块量程的0.1%。

    AO：-5V～5V，0～10V和0～20mA；通道数量：电压型和电流型的信号各4个；优于模块量程的0.08%。

    D I ： 通道数量1 0 个； 现场接点的查询电压。18V~32VDC；

    48VDC电压型开关量输入：通道数量10个；逻辑0对应的电压范围：0～12V，逻辑1对应的电压范围：18V～55V。

    DO：通道数量4个；每个通道的最大开关容量（电阻性负载）为48VDC/200mA。
    
                    
                                   图4  硬件原理框图

    响应时间：

    模拟量输出响应时间：25ms/全通道。

    模拟量输入采集时间：25ms/全通道。

    开关量输入/输出通道扫描时间：10ms/所有通道。

    鼠标键盘响应时间：不大于1秒。

    显示终端动态元素更新时间：不大于1秒。

    4 现场应用情况

    目前，新研制的T1 试验台已经在大亚湾核电站正式投入使用，取代了原试验台，用于执行现场的T1试验。一年多的运行经验表明，新研制的试验台功能完善，操作简便，质量可靠，完全达到了预定的设计要求。

    与原试验台相比，新的T1试验台具有以下特点：

    设计时充分考虑了人工因素，界面友好，操作简便。

    从使用者的角度出发，从硬件和软件上考虑了防止误操作的各种措施和提示，最大程度上降低了人为因素导致保护系统误动的可能。

    数据库功能强大，可以在此基础上进行二次开发，如数据处理，趋势分析，故障诊断等。

    5 结束语

    百万千瓦压水堆核电机组保护系统试验台(T1试验台)的自主研制，标志着国内已经掌握相关设备的核心设计技术，打破了国外厂家在这一技术上的垄断，是核电设备国产化的成功尝试。该技术可以应用于其它同系列百万千瓦核电机组保护系统试验台的设计制造。这一国产化项目的成功，不仅为核电站节省了数百万元的成本，而且提升了企业的技术水平与核心竞争力，具有极大的经济效益和社会效益。

    其他作者：文华（1973-），男，山西人，工程师，本科，毕业于清华大学物理系，现就职于大亚湾核电运营管理有限公司，主要研究方向为核电站仪控领域的工程改造。

    左新（1976-），男，河北人，工程师，本科，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要研究方向为核电站仪控系统的研发。

    参考文献：

    [1] 陈济东. 大亚湾核电站系统及运行[M]. 北京: 原子能出版社, 1994.

    [2] GB/T 5204-2008, 核电厂安全系统定期试验与监测[S].

    [3] GB/T13284.1-2008, 核电厂安全系统第1部分: 设计准则[S].

     摘自《自动化博览》2010年第九期