重水堆停堆棒棒位卡件故障原因分析及应对措施

重水堆停堆棒棒位卡件故障原因分析及应对措施

王猛

（中核运维有限公司，浙江 海盐 314300）

摘要：本文结合近年来CANDU-6型重水堆停堆棒棒位卡件发生的故障，介绍了重水堆停堆棒棒位卡件回路的基本原理、回路的构成和特点，并就如何安全、快速地处理类似故障进行了总结。对解决同类问题及提高重水堆棒位棒控系统的可靠性提供了重要的参考。

关键词：停堆棒；棒位卡件；故障处理

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0.引言

停堆棒、调节棒和吸收棒是CANDU-6型重水堆的三种调节反应性的控制与保护装置。其中停堆棒是一号停堆停堆系统的执行机构，其正常位于堆芯顶部，当一号停堆系统触发后，停堆棒由堆芯顶部迅速插入堆芯，实现停堆保护的功能，其工作原理图见图一；调节棒正常位于堆芯底部，当反应性不足时，可以通过将调节棒提升出堆芯以提高反应性；吸收棒与停堆棒类似，其正常也是位于堆芯顶部，当反应堆快速降功率信号触发或其他需要吸收棒插入的信号触发时，吸收棒快速插入堆芯实现反应堆功率控制的功能。

CANDU-6型重水堆配置有28根停堆棒，21根调节棒和4根吸收棒。每根棒配备一个驱动电机和棒位卡件（即控制单元）用以控制和实时显示棒位。棒位卡件作为棒位控制和显示的核心部件，其可靠性直接关系到单根棒的可用性。同时，由于核电的特殊性，其对于涉及反应性控制和保护相关的设备的可靠性要求相当严格，这就意味着一旦棒位棒控回路出现故障，必须要在规定的时间内准确定位故障原因并消除故障。本文将结合重水堆棒位棒控系统运行历史上出现的故障分析讨论棒位棒控系统的故障特点及故障处理方法的优化。

图1： 一号停堆系统停堆棒控制原理示意图

1.棒位棒控系统回路构成和功能简述

重水堆棒位棒控系统设备和部件构成如下：棒（包含停堆棒、吸收棒、调节棒），使用特殊材料制作的机械结构，主要依靠材料本身吸收中子的特性，实现对反应堆功率的控制和调节；驱动机构，包含了驱动电机、离合器和齿轮卷轴等组成部分，安装在堆芯顶部，通过钢丝绳与棒连接，用于提棒和插棒；棒位电位器，该电位器与棒的驱动机构主轴同心安装，跟随棒的驱动主轴转动而转动，将棒在堆芯的实际位置转化为电阻信号；航空接头，航空接头内有3根导线，通过航空接头将棒位电位器的棒位信号传送至棒位卡件；棒位卡件，接收电位器的棒位信号，转化输出为电压信号（0.5~4.5V）供后续指示回路，同时在棒位的顶部为和底部位置送出触点信号，用于控制电机转动和报警相关的信号。驱动机构结构图和棒位卡件工作原理图见图2和图3：

图2：停堆棒驱动机构结构图

图3：棒位卡件回路工作原理图

棒位电位器与棒位卡件之间通过三根信号线相连，当电位器的跟随驱动停堆棒的主轴旋转而转动时，电位器的输出电阻信号也跟随着变化。如图4所示，P1为棒位电位器，P2和P3为安装在棒位卡件上的电位器，用于调节棒位电位器P1两端的电压，P4和P5也是安装在棒位卡件上的电位器，分别用于顶部限位和底部限位。AF1和AF2分别是顶部和底部限位比较器。当棒位于顶部时，即棒位反馈电位计的反馈电压值高于顶部限位点位器P4的电压值，AF1输出高电平，LED1点亮，继电器RL1线圈得电，通过触点的闭合实现后续的控制功能。此时，AF2输出低电平，LED2熄灭，继电器RL2线圈失电。当棒位于中间位置时，AF1和AF2均输出低电平，此时LED1和LED2均熄灭，继电器RL1和RL2线圈均失电。当棒位于底部时，即棒位反馈电位计的反馈电压值低于底部限位电位器P5的电压值，AF2输出高电平，LED2点亮，继电器RL2线圈得电，通过触点的闭合实现后续的控制功能。此时，AF1输出低电平，LED1熄灭，继电器RL1线圈失电。

图4：棒位卡件电路原理图

以1号停堆棒为例，对棒位卡件在不同棒位时的状态进行说明如下：

表一 棒位卡件的输出状态说明

2. 棒位棒控系统缺陷梳理

2.1 电位器故障判断及应对措施

电位器与驱动机构主轴同心安装，它可以将棒位的变化线性地转换为电阻信号，电阻信号通过棒位卡件转化为成比例的线性电压信号，用于棒位实时显示和棒位的控制。因此，电位器的输出信号的稳定性直接关系到下游信号的稳定性。由于电位器内部通过触头与匝间线圈的相对位置不断变化来产生电阻变化的。其工作过程中，棒位变化时，其输出电阻往往大幅波动，忽上忽下变化，以致于无法正常显示棒位。

图4：正常棒位曲线与电位计故障的棒位曲线对比

如图所示，三条曲线显示的分别是3根棒从堆芯底部提到堆芯顶部的棒位曲线，棒在堆芯底部时棒位显示为100%插入，棒在堆芯顶部时棒位显示为0%插入。蓝色和绿色曲线为正常波形，黄色曲线为电位器故障波形。从曲线可以看到，正常电位器工作时，其输出电阻变化与电位器转轴的转动成线性关系，而故障电位器工作时，其输出电阻变化与电位器转轴的转动不是线性关系，在局部位置存在电阻的跳变。因此，其故障特点表现为在棒的移动过程中，其棒位波形曲线上有尖峰或突变。当棒位电位器发生故障时，通过棒位曲线的变化趋势比较容易进行判断。

当电位器故障时，需要整体更换电位器，更换电位器的前提条件是棒处于手动控制模式，不能在自动控制模式的原因是，当更换电位器时，棒位卡件的输入信号失效，棒位卡件输出到棒的电机驱动回路的电机切断逻辑触点会闭合，电机会转动带动棒向上移动，而如果此时棒已经在顶部了，电机的工作电流会持续增大，导致电机的供电回路发生热跳，这也势必会导致棒的实际位置发生改变。另外，更换电位器时，棒位需保持不变，可以通过测量更换下的电位器a、b、c三点之间的电阻来对电位器的位置进行定位，更换上的电位器与更换下的电位器a、b、c三点之间的电阻保持一致即可。但是，当棒位所在位置正好处于电位器的故障区间时，无法准确测量电位器a、b、c三点之间的电阻，这时需要改变棒位，使棒位处于一个稳定的区间再进行更换。一般更换电位器时都是将棒位置于顶部或底部位置时进行更换。

2.2棒位卡件故障判断及应对措施

棒位卡件作为棒位控制的核心部分，其故障主要表征为棒位卡件的输出状态与预期不一致和棒位卡件的输出状态不稳定两种现象。但是以上两种现象也同时受其他因素影响，因此，当出现上述现象时，如何准确定位故障原因为棒位卡件是需要重点关注的。

根据表一可知，无论棒在顶部或底部时，指示灯LED1和LED2状态，机电指示器的状态，棒位AI数据等，均是一一对应的，当棒到位后，如果其中一个指示器的状态不对，而其他指示器状态均正常，则故障原因很可能就是棒位卡件本体的指示器故障，可以通过单独更换指示器或整体更换棒位卡件来解决该故障。根据实践经验，出现该类型故障，棒位卡件本体上的继电器或LED灯出现故障可能性较大。

当棒在顶部时，棒位卡件上的顶部就位指示灯LED1始终点亮，机电指示器指示水平，但是棒位曲线波动幅度较大超过0.2%时，正常情况下，棒位曲线是稳定无波动。这种情况本身是矛盾的，根据实践经验当棒位曲线波动超过0.2%后， LED1灯的状态会受到影响，不能持续点亮。通过LED1点亮和机电指示器处于水平状态可以判断现场电位器反馈信号是稳定的，故障点是在棒位卡件的的输出回路上。棒位卡件的输出信号是将棒位电位器的反馈电压通过跟随器的进行输出的。因此，故障原因就锁定在跟随器故障或跟随器的供电电源异常。对于跟随器故障可通过测量跟随器输入信号和输出信号的一致性来进行判断，对于电源故障可通过测量电源输出电压波形的稳定性进行判断。

当棒位卡件本体出现故障，只能通过更换棒位卡件来消除故障。在停堆大修期间，停堆棒可以在堆芯全行程的移动，因此更换棒位卡件后，可以通过全行程的棒位移动来对棒位卡件的顶部和底部限位进行调整。但是，如果在日常期间更换棒位卡件，为了不对反应堆功率产生实质影响，棒只能在顶部不大于8%的行程内部分移动。这时是无法对棒位卡件的底部限位进行调整的，这时需要通过历史数据，将电位器备件的电阻调整至棒在底部时电位器a、b、c三点之间对应的电阻值，作为棒位卡件的输入信号，调整棒位卡件的输出，使其满足要求。在线下对棒位卡件的进行预标定，安装到现场后在顶部通过棒位的短距离移动使棒位卡件输出满足要求。这样就可以保证在任何时候都可以对棒位卡件进行更换。

2.3电位器接线回路故障

如图所示，电位器本体分为a、b、c三点，其中a点和c点之间的电阻是恒定不变的，其阻值为电位器的总电阻，b点与a点的电阻，b点与c点的电阻是随着电位器的转动而改变的，其变化关系为，Rac=Rab+Rbc。

在实际工作中，当棒的驱动电机转动带动电位器转动时，b点的对地电压随之变化。根据设计要求，棒在顶部就位时，b点的对地电压为4.500V，当棒在底部就位时，b点的对地电压为0.500V。由于a、b、c三点的接线在驱动机构侧通过航空接头连接，再通过接线传输到控制室的棒位卡件输入端。因此回路中的电阻对棒位卡件输出的影响非常关键。

电位器a、b、c三点到棒位卡件之间接线的电阻主要受三个因素影响，一是回路接线的线电阻，这个电阻主要跟接线的长度有关，是恒定不变的；二是航空插头内的插针和插孔之间的接触电阻，该接触电阻正常情况应小于1Ω，但是如果插针或插孔锈蚀、变形或内陷会对插针和插孔的接触电阻造成较大影响；三是航空接头的插针和插孔与导线的连接处接触电阻，通常导线与插针或插孔是通过专用的压线钳压接在一起的，在实际制作接头时，接头的质量与剥线、压接的操作规范、接头的制作工序流程密切相关，在以往的运行经验中，这一环节发生故障的概率较高。

电位器器a、b、c三点的对应的接线电阻异常所表现出的故障现象也有明显区别。在车间搭设棒位卡件工作回路，模拟棒在顶部时，分别在a、b、c三点上串接可变电阻，验证a、b、c三点接线阻值变化对棒位卡件状态的影响。试验结论如下：

模拟棒在顶部位置时电位器a端接线电阻异常：a点接线电阻变化对棒位卡件的工作状态影响较为明显，当接线中串接的电阻增大至8欧姆左右时，棒为指示电压下降约7mV，换算成棒位百分比约为0.2%，同时，棒位卡件的输出继电器触点发生翻转，指示棒未在顶部就位。

模拟棒在顶部位置时电位器b端接线电阻异常：b点所对应的接线，对电阻变化不敏感，当回路中所串入的电阻为最大为5K欧姆时，棒位卡件的输出电压会降低约0.001V，棒位卡件继电器状态不会改变。换言之，当b端接线电阻异常时，对于棒位指示和棒位卡件输出不会产生明显的影响。

模拟棒在顶部位置时电位器c端接线电阻异常：c点所对应的接线，对电阻变化敏感，棒位指示电压随着串入的电阻的增大而增大，但是棒位卡件的继电器状态不会改变。换言之，当c端接线电阻异常时，棒位指示会显示为负值，棒位卡件的继电器输出状态不会改变。

综上所述， 当电位器接头的a、c两点出现故障导致导通电阻变大时，都会影响到棒位指示和棒位卡件的输出，而b点对应的接线导通电阻增大对棒位卡件输出的影响可以忽略，除非发生断路。当棒位卡件因电位器a、b、c三点接线异常时，唯一的解决方法是对电位器的航空接头重新进行制作以替换现场的电位器接头。制作航空接头需严格按照规范进行制作，除此之外还要重点关注导线与插针和插孔压接时，不能损伤导线，对于导线与插针和插孔压接后存在的空隙可以使用电烙铁将焊锡融化后进行填充以确保连接的牢固性和接触电阻尽量小。

2.4停堆棒驱动机构电机供电回路或棒的机械结构故障

停堆棒的驱动机构电机供电回路故障，主要表现为当提棒或落棒控制信号送出后，棒的实际棒位未发生改变。要确定驱动机构电机供电回路故障，首先要确定提棒或落棒的信号有效输出，其次要排查棒是否发生机械卡棒。以上两点明确后，则棒无法移动的原因就锁定在棒的驱动电机回路。

确定提棒或落棒的信号有效性的目的是排除棒位卡件本体故障，导致触点信号没有真实送出，使得驱动电机没有正常供电。在实际工作中，可以通过主控室操作按钮进行提棒或落棒操作，然后在送往电机的控制信号处测量信号的状态，进行提棒或落棒信号有效性的判断。如下图所示，以提棒回路进行说明，当没有发出提棒信号时，即上游的控制回路未导通，控制信号测量点会把控制回路负端的电压传导到控制信号测量点，因此该测量点的对地电压约为-26V。当提棒信号发出后，上游的控制回路导通，控制信号测量点的对地电压会变为约26V左右。在提棒信号发出前和提棒信号发出后，分别测量控制信号测量点的对地电压值，通过该电压值即可判断控制信号是否有效的送出。

图5 棒位驱动控制回路

机械卡棒是因为驱动机构电机的扭矩无法克服因卡棒而产生的额外的阻力。判断是否发生机械卡棒有两种方式，一种在提棒过程中监测驱动电机的工作电流，如果棒停止移动后，电机电流较正常工作电流明显增大，则说明电机的扭矩在不断增加，可能发生了卡棒，另一种方式是在驱动电机的端部使用专用扳手对电机的转轴进行转动，在转动过程中，如果手动施加的力是均匀的，则未发生卡棒，如果转动过程中，施加的力是波动的，不均匀的，则发生了卡棒。

排出棒位卡件故障和棒发生机械卡棒这两个因素后，则故障原因就能确定为电机回路的故障。可能是电机本体故障，也可能是电机的供电回路故障。电机供电回路的热继器发生故障的概率较高。在以往运行历史上，曾经发生过两次棒无法移动的故障，最后定位的故障原因均是供电回路的热继电器故障。通过更换热继电器消除了故障。

综上所述，棒位控制回路的故障现象、故障原因和故障解决方法对应关系如下：

表2 棒位回路故障判断图表

5. 结束语

停堆棒、吸收棒和调节棒作为反应堆功率调节和保护的重要执行机构，其棒位棒位系统的可靠性直接影响到这些控制棒的可用性，进而影响到反应堆的安全稳定运行。本文介绍了棒位棒控系统的几种典型缺陷，从回路工作原理、故障机理和应对措施三个方面进行总结和提炼。本文对分析重水堆棒位棒控回路故障做了深入分析， 为机组检修工作具有重要的指导意义。

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作者简介：王猛，1985年生，男，汉族，吉林，大学本科学历，工程师，测控技术与仪器专业