摘要：控制棒是核反应堆堆芯反应性控制的关键设备，核电厂控制棒驱 动采用钩爪步进式磁力提升方式，棒控系统电源柜MDP模块提供驱动机 构线圈的激励电流。为确保两个钩爪按照既定时序正确动作，当静态电 流超限、动态过程电流或调节时间超限，MDP均发出电流故障报警。 以钩爪啮合滞后、晶闸管击穿、控制电路故障、霍尔传感回路异常四种 典型案例，结合CRDM运行原理和MDP电流监测机制，分析电流故障原 因，提供维修建议方案。

关键词：控制棒驱动机构；电源柜；MDP模块；电流故障

Abstract: Rod clusters control assemblies (RCCAs) are the pivotal  equipment for controlling the reactivity of the core of nuclear reactor.  The control rod drive of the nuclear power plant adopts the hook and  claw stepping magnetic lifting mode, and the MDP module of the power  cabinet of the rod control system provides the excitation current of  the drive mechanism coil. To verify grippers operating normally as the  requested sequences, MDP monitors the measured current in the coils.  MDP produces current fault in case that the measured current exceeds  standard in static or dynamic condition, and that the transition time  exceeds the threshold. In this paper, four typical cases, i.e. hook claw  engagement delay, thyristor breakdown, control circuit fault and Hall  sensor circuit abnormality, are taken as examples. Combined with  CRDM operation principle and MDP current monitoring mechanism, the  causes of current fault are analyzed, and maintenance suggestions are  provided.

Key words: CRDM; Power equipment; MDP module; Current fault 

1　控制棒系统概述

核电厂通过能够吸收中子的控制棒与可溶硼实现可控的链式核裂变反应，其中控制棒由Ag-In-Cd合金组成，其吸收中子能力强、响应快，因而是核反应堆堆芯反应性控制的关键设备。

棒控与棒位系统（RGL）用于驱动控制棒束的运 动，并监测每一棒束在堆芯的高度，分为控制棒驱动 （以下简称：棒控）和控制棒位置监测两部分。M310 堆型反应堆芯装配9组（细分16子组）共61束控制棒， 福清核电一厂采用法国RRCN公司生产的RGL设备，系统对应控制棒的16个子组设置16个电源柜。电源柜主要由控制器PLC和保持、传递、提升三个机箱组成， 对应控制棒驱动机构（CRDM）的保持、传递、提升线圈与钩爪。每个机箱包含1个电源与相位参考模块 ALSYN、4个整流与电流监测模块MDP，MDP选用可控硅作为整流器件，将三相交流动力供电整流为直流电，为子组4束棒CRDM线圈提供激励电流。

核电厂控制棒驱动采用钩爪步进式磁力提升方式，CRDM线圈接收MDP模块的激励电流，通过既定电流时序的电磁感应控制钩爪的啮合和脱开、提升和下落，从而带动驱动杆及与其相连的控制棒组件运动，实现控制棒的提升、插入、保持与释放。[1]

2　整流与电流监测原理

控制棒驱动机构电源系统（RAM）产生三相交流 260V，经反应堆停堆断路器送往RGL系统，作为电源柜动力电源。电源柜PLC根据动棒命令信号，按照既定电流时序发送大、小或零电流指令，ALSYN提供三相电相位参考信号，MDP控制电路根据电流指令和参考相位计算晶闸管门极触发角，3个晶闸管组成的可控整流桥对三相260VAC进行整流，产生大电流、小电流、 零电流，晶闸管呈共阴极连接，公共端输出到CRDM 线圈一端，另一端接三相电中线形成回路。

MDP不仅产生线圈激励电流，也实时监测线圈电流大小水平，以确保驱动机构保持、传递钩爪按照既定序列配合动作。由于CRDM线圈为感性负载，其电流变化存在一个暂态的调节过程，不仅静态电流超限， 动态过程电流超限或调节时间超限，MDP均发出电流故障报警；为减小滑棒、落棒风险，线圈电流异常偏低时，报警的同时MDP还会发出双保持命令，触发保 持、传递两个钩爪同时夹持驱动杆。

主电路、晶闸管及其控制电路异常，均可能导致电流故障。MDP两个霍尔电流传感器分别用于整流闭环控制的负反馈、线圈电流监测并供外部测量，霍尔传 感器异常也可能引起电流故障。

3　四种典型电流故障

3.1　执行机构动作滞后导致的电流故障

3.1.1　报警现象

1号机组第一燃料循环，R1-4棒束保持MDP模块数次在动棒期间发生“大电流低于阈值”电流故障，R1 子组进入双保持状态闭锁R棒组动作，影响反应堆一回路冷却剂温度的自动调节。

稳态测试大、小、零电流符合预期，表明该MDP 模块电流输出正常。结合电流监测原理，分析整个动棒 过程CRDM线圈电流波形，确定报警点处于传递钩爪带动驱动杆动棒完成后，保持钩爪重新夹持驱动杆阶段， 保持线圈由零电流到大电流调节过程，大电流指令发出后160ms时刻，保持线圈电流低于大电流下限阈值7A。

3.1.2　原因分析

保持钩爪啮合过程，线圈电流由零开始增大，达到动作电流后衔铁向上运行与保持磁极吸合，从而带动钩爪迅速摆入驱动杆环形槽。保持衔铁动作造成钩爪组件磁路变化，负感应电动势产生使保持线圈电流波形出现凹坑， 凹坑底部出现时间点与保持衔铁吸合时间点相吻合。[2]

如图1所示，R1-4棒束保持钩爪的啮合动作相对滞后。测量R1-3棒束保持钩爪啮合时间约105ms，而 R1-4棒束约142ms，导致保持线圈由零到大电流的调节时间长于阈值，引发MDP模块电流故障报警。 

图1 R1-4棒束保持线圈电流故障步序波

即使是故障步序电流波形，保持钩爪啮合完成依然早于传递钩爪脱开，且有足够时间裕量，判定当前 CRDM提插性能正常，适度放宽MDP模块监测单元对保持线圈电流动态性能的限制并不影响CRDM正常运 行。为减少频繁报警对反应堆操作员的干扰，将零电流到大电流的时间限值由160ms调整到175ms，实际效果显著。但对钩爪啮合滞后仍需保持高度关注，若动作滞后再次引发电流故障，需重新评估CRDM动作性能。

3.2　晶闸管击穿导致的电流故障

3.2.1　报警现象

2号机组第一燃料循环，SB1子组全部4块保持 MDP模块在棒静止状态发出“小电流高于阈值”电流故障，ALSYN同时发出“260V相位故障”报警，子组进入双保持状态。测量结果显示保持机箱4块MDP模块 输出电流为零，且保持机箱三相260VAC进线中有两相动力电熔断器熔断。

3.2.2　原因分析

假设单相动力电保险烧毁，该相电流负反馈迅速 减小，MDP模块通过调整其余两相晶闸管门极触发脉冲导通角，能够实现小电流正常输出，瞬态调节过程可能出现“小电流偏小”而非“小电流偏大”，更不会引发第二相动力保险烧毁。从而判定始发故障位于主电路内部，动力电保险烧毁符合电路保护设计。

理想状态晶闸管阴/阳极电阻为无穷大，测量发现机箱第3块MDP模块中有2个晶闸管阴/阳间电阻仅 0.4Ω、0.3Ω。晶闸管因反向击穿故障无法截止，下一相晶闸管导通后，整流桥在这两相发生相间短路，PN 结电流急剧增大，第二相晶闸管亦被反向击穿，对应的两相动力电保险烧毁，MDP模块监测到“小电流偏 大”符合故障分析。

3.3　控制电路导致的电流故障

3.3.1　报警现象

201大修后控制棒初始提升至5步过程，G1子组提升机箱第1块MDP模块发出“小电流低于阈值”电流故 障，G1子组进入双保持状态。测量证实线圈稳态电流输出真实偏低：稳态输出测试状态下，MDP模块复现 “小电流偏小”。

3.3.2　原因分析

电流波形显示，提升线圈由大电流到小电流调节过程剧烈波动，电流瞬时小于提升线圈小电流下限阈值 12A，从而引起MDP模块电流故障。如图2所示，提升线圈红色曲线明显异常，某相电流较其余两相导通时间更长，换流前线圈承受反相电压时间更长，使线圈稳态输出有效值降低，导致动态调节过程电流负向超调过大超过阈值。

晶闸管为半控型器件，导通后仅在流经阳极的电流下降到接近零才会关断，于MDP模块而言需要整流桥 的下一相晶闸管导通。前一相晶闸管导通时间过长，说明此相晶闸管门极触发脉冲滞后，意味着此相晶闸管门极控制电路存在异常.

图2 G1-1棒束提升线圈电流故障报警步序波形

提升线圈大电流使传递钩爪带动驱动杆向上提升一个机械步后，为避免线圈过热烧毁，电流时序中设置小 电流来维持传递钩爪的位置，等待保持钩爪再次夹持驱动杆环形槽。提升线圈电流偏小，提升力矩不足以维持载荷，可能造成传递钩爪提前下落致使提升失败。

3.4　霍尔回路导致的电流故障

3.4.1　报警现象

2号机组第一燃料循环，R2-2棒束保持MDP模块在棒静止状态发出“小电流低于阈值”电流故障，R2 子组进入双保持状态闭锁R棒组动作。从MDP模块监测单元霍尔回路测量到0V，而后跳变到2.337V（霍尔电 压：线圈电流=1：2）。

3.4.2　原因分析

霍尔回路测量结果跳变，有两种可能原因：线圈实际电流异常；MDP模块霍尔回路异常。通过CRDM 线圈实际电压能够快速判定，R2子组小电流状态保持 线圈电压与霍尔回路电压如表1所示。

表1 R2子组小电流状态保持线圈电压与霍尔回路电压

由于不同CRDM线圈阻抗稍有不同，线圈电压间存在个体差异为正常现象。线圈电压保持稳定未出现跳变且与其他线圈接近，说明线圈实际电流正常，即 MDP模块整流部分正常，而霍尔回路存在异常，导致 MDP模块监测单元接收到的反馈为零，超过规定范围下限3.7A，产生电流故障。

4　综述

最初几个燃料循环，电力电子设备处于“浴盆效 应”早期故障期，设计、材料和制造过程中的缺陷逐步显现。具体到棒控系统，CRDM保持钩爪啮合滞后、 晶闸管击穿及动力保险丝烧毁、晶闸管门极触发脉冲控制电路异常、霍尔传感反馈回路故障，均以MDP模块电流故障形式集中出现，严重影响控制棒对堆芯反应性的自动调节，甚至引发非计划停堆事件。

通过线圈电流波形表征的CRDM钩爪动作点，分析判定缺陷原因。针对不同始发因素引起的电流故障，作为插 拔式模块化设备，有多种用户级紧急故障处理方案：参数调整、拔插/电子复位、模块更换，本文总结相关维修经 验，对于棒控系统的调试、维修工作具备参考意义。AP

作者简介：

姚　伟（1981-），男，浙江嘉兴人，高级工程师，学士，现就职于福建福清核电有限公司，从事核电厂维修管理工作。

 参考文献：

[1] 李国勇, 张英. 棒控棒位系统手册(RGL) [Z]. 中国核动力研究设计院，2010. 

[2] 唐向东, 等. 福清1RGL系统CRDM保持钩爪闭合动作点滞后问题分析报告[Z]. 中国核动力研究设计院. 2015.

摘自《自动化博览》2021年5月刊