CN112599263A - 一种不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法，通过棒位探测器探测A组线圈的感应电压信号，包括以下步骤：步骤S1：监测A组线圈电压，捕捉落棒信号；步骤S2：将落棒信号起始点P0作为T4止；步骤S3：监测到落棒信号后查找局部峰值点P1、P2、…、P19；步骤S4：从落棒信号起始点回溯查找DROPref从最大值降至其33％值的时间点T4始。本发明公开的不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法，可以取消测试前的激磁电源关闭工作，提高测量分析自动化水平，同时解决非人工触发的落棒事件落棒时间测量问题。

Description

一种不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法
技术领域
本发明属于核电站控制棒落棒时间测量技术领域，具体涉及一种不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法。
背景技术
压水堆核电厂快速调节反应堆功率主要通过控制棒束的提升、下插来实现。棒束的提升、下插动作由一套电磁驱动机构(CRDM：Control Rod Drive Mechanism——控制棒驱动机构)驱动，参见附图的图1，控制棒静止时由保持线圈通电，保持勾爪(又称夹持销爪)摆入驱动轴齿槽。
反应堆紧急停堆是靠停堆断路器打开，切断CRDM动力电源，让控制棒束在重力作用下掉入堆芯来实现的。棒束掉落时间的长短直接关系到安全停堆能否实现，落棒时间要求小于安全分析值(典型如秦山第二核电厂为2.4秒)，所以每次启堆前都要对落棒时间进行测量。
落棒时间由六段构成，参见附图的图2所示。其中，
T4＝从保持线圈电流降到33％额定值到棒束开始降落之间的时间，应＜150ms；
T5＝从棒束开始降落到进入缓冲段之间的时间；
T6＝从棒束进入缓冲段到其到达缓冲段底部的时间，热态时T4+T5+T6应小于3s。
控制棒掉落时间受整个驱动线的影响，控制棒驱动线由驱动机构、导向筒组件、燃料组件和控制棒组件等构成，控制棒掉落过程中可能与导向筒组件、燃料组件中的控制棒导向管发生摩擦，控制棒掉落时的缓冲由燃料组件中的导向管缓冲段和控制棒组件下方的缓冲弹簧提供。典型电厂燃料组件中的控制棒导向管缓冲段长度是640mm，控制棒掉落到堆底时进入缓冲段长度约550-560mm，合34.5步；控制棒组件缓冲弹簧全长约22.45mm，掉落时最大压缩长度约5mm。
因控制棒及相连的驱动轴都位于核应堆高温高压环境中，对其位置的测量普遍利用电磁感应原理，通过棒位探测器进行，对T4、T5、T6三个时间段的测量同样只能利用棒位探测器进行非接触式测量。
典型棒位探测器主要包括原边线圈、测量线圈、辅助线圈、线圈骨架、密封壳及外套管。以秦山第二核电厂为例，棒位探测器全长为4006mm，内径154mm，外径300mm。原边线圈为一长螺线管，约2000匝，线径1.97mm，沿整个行程绕制。测量线圈和辅助线圈都是副边线圈，每个1700匝，宽2cm，线径0.23mm，与原边线圈共轴。原边线圈用于产生交变磁场，测量线圈用于形成棒位编码，辅助线圈用于原边电流调节。
驱动轴由磁性材料制造，而探测器密封壳、骨架、外套管以及探测器内的其它介质磁导率很低，这样测量线圈中有无驱动轴穿过感应出的电压相差很大，通过监测某一位置的测量线圈感应电压即可获知驱动轴顶端在其上面还是在其下面。只要设置足够数量的测量线圈，监测各线圈的感应电压信号，就可以大致确定驱动轴——控制棒的位置。
为了大致确定控制棒的位置，必须设置足够数量的测量线圈。测量线圈的个数和间距要根据驱动轴行程的长度和希望达到的分辨率来确定。为了减少探测器与信号处理通道之间接线的数量，减少信号处理设备的数量，还必须对测量线圈进行分组。
以秦山第二核电厂为例，控制棒驱动轴每个机械步长度为15.875mm，全行程为228步。探测器分辨率为8步(127mm)，测量线圈31个，分成A、B、C、D、E五个组，整个测量行程为256机械步。测量线圈分组方式如下。
首先，如果在探测器测量行程的1/2高度处绕一测量线圈C1，通过监测其感应电压(有效值，以下同)V1，就可以得知棒位是在[0，128)区间还是[128，256)区间。
进一步，如果在1/4和3/4高度处绕制线圈C21、C22，通过监测C21的感应电压V21，就可以得知棒位是在[0，64)区间还是[64，128)区间；通过监测C22的感应电压V22，就可以得知棒位是在[128，192)区间还是[192，256)区间。
实际上，这三个线圈已经将整个测量行程分成长度相等的四个区间，通过监测这三个线圈的感应电压就可以得知棒位是在哪个区间；可以将感应电压高低和对应的棒位列成下表。
Figure BDA0002818146920000031
如果将C21、C22反向串联成一组(称为C2)，因为V21、V22始终同相，所以C2输出电压V2＝|V21－V22|，感应电压高低和对应的棒位如下表所示。
Figure BDA0002818146920000032
同样地，在1/8、3/8、5/8、7/8高度处再绕制C31、C32、C33、C34四个线圈，并将其依次正反串联成C3组，就可以将整个测量行程分成长度相等的8个区间，通过监测V1、V2、V3(＝|V31－V32+V33－V34|)三个电压，即可确定棒束位于哪个区间，测量分辨率达到32步。
再在1/16、3/16、5/16、7/16、9/16、11/16、13/16、15/16高度处绕制C41、C42、…、C48八个线圈，并将其依次正反串联成C4组，就可以将整个测量行程分成长度相等的16个区间，通过监测V1、V2、V3、V4(＝|V41－V42+V43…－V48|)四个电压，即可确定棒束位于哪个区间，测量分辨率达到16步。
再在1/32、3/32、5/32、…、31/32高度处绕制C51、C52、…、C516十六个线圈，并将其依次正反串联成C5组，就可以将整个测量行程分成长度相等的32个区间，通过监测V1、V2、V3、V4、V5(＝|V51－V52+V53…－V516|)五个电压，即可确定棒束位于哪个区间，测量分辨率达到8步。
通常将C1、C2、C3、C4、C5组分别称为E、D、C、B、A组，将线圈按照位置从低到高编号，则各组线圈编号为：
E组(第一组)线圈16
D组(第二组)线圈8 24
C组(第三组)线圈4 12 20 28
B组(第四组)线圈2 6 10 14 18 22 26 30
A组(第五组)线圈1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
探测器结构及线圈编号参见附图的图3。
典型落棒时间T5长度约为1.5-2秒，因正常棒位测量信号处理时间较长，落棒时间不能通过正常棒位测量信号求取，一般是通过测量棒位探测器原边线圈感应电压计算得出。参见附图的图2，通过保持线圈电流、原边线圈感应电压两个参数求取落棒时间。棒位探测器正常运行时需在原边线圈中加交流激磁电源，测量落棒时间时需将此激磁电源切除，以便获得控制棒掉落时在原边线圈中产生的感生电动势。
这种落棒时间测量方式需在棒位测量柜上进行激磁电源开关切断操作，无法捕捉非人工触发的落棒事件并进行落棒时间测量。
发明内容
本发明针对现有技术的状况，克服以上缺陷，提供一种不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法。
本发明专利申请公开的不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法，其主要目的在于，可以取消测试前的激磁电源关闭工作，提高测量分析自动化水平，同时解决非人工触发的落棒事件落棒时间测量问题。
本发明专利申请公开的不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法，其另一目的在于，不需切断棒位探测器激磁电源，可有效减少落棒时间测量占用的核反应堆启动计划关键路径时间，同时适用于正常运行期间异常落棒情况下的落棒时间记录。
本发明专利申请公开的不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法，其另一目的在于，在棒位测量柜设置(集成)带电落棒时间测量分析模块，所述带电落棒时间测量分析模块具有(集成)带电落棒时间测量分析功能。
本发明采用以下技术方案，所述不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法，通过棒位探测器探测A组线圈的感应电压信号，包括以下步骤：
步骤S1：监测A组线圈电压，捕捉落棒信号；
步骤S2：将落棒信号起始点P0作为T4止；
步骤S3：监测到落棒信号后查找局部峰值点P1、P2、…、P19；
步骤S4：从落棒信号起始点回溯查找DROPref从最大值降至其33％值的时间点T4始；
步骤S5：将P13对应时间点作为T5止保守值；
步骤S6：求P15-P16，P16-P17，P17-P18，P17-P18与0轴的交点作为t6、t7、t8、t9；
步骤S7：计算分析结果并以文件形式保存输出。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，步骤S1具体实施为以下步骤：
步骤S1.1：对A组线圈电压Ua进行数字滤波处理；
步骤S1.2：波形折线化并合并多余端点；
步骤S1.3：计算中值序列；
步骤S1.4：查找中值序列首个极小点P2:tmin,Vmin；
步骤S1.5：从首个极小点回溯查找<Vmin/2的中值点P1；
步骤S1.6：求极小点P2、中值点P1与0轴交点P0；
步骤S1.7：如P0、P2连线斜率、时间差、幅值差在特定范围内则判断为落棒开始。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，步骤S4具体实施为以下步骤：
取DROPref数值序列落棒信号起始点P0之前的子序列，求取其最小值、最大值点，从其最小值点回溯查找>最大值33％的点。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，步骤S7具体实施为以下步骤：
步骤S7.1：计算T4止-T4始＝T4，T5止-T4止＝T5，T6止-T5止＝T6；
步骤S7.2：验证T4、T5、T6在阈值范围内；
步骤S7.3：验证t7、t8、t9>0；
步骤S7.4：将计算结果以文件形式保存输出。
本发明公开的不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法，其有益效果在于，可以取消测试前的激磁电源关闭工作，提高测量分析自动化水平，同时解决非人工触发的落棒事件落棒时间测量问题。
附图说明
图1是控制棒驱动机构结构示意图。
图2A是落棒时间的构成示意图。
其中，T4＝从保持线圈电流降到33％额定值到棒束开始降落之间的时间，应＜150ms；T5＝从棒束开始降落到进入缓冲段之间的时间；T6＝从棒束进入缓冲段到其到达缓冲段底部的时间，热态时T4+T5+T6应小于3s。
图2B是落棒波形特征点示意图。
图3是棒位探测器线圈布置及连接方式示意图。
图4是缓冲段理论起点、通常计算点与A组电压峰值对比示意图。
其中，缓冲段理论起点离堆底约565mm，合36步，与A组电压第12个峰值基本重合与通常作为缓冲段起点的T5止相差170mm，时间上差50ms。
其中，通常作为T5终点的时间点与过A组第13个峰值的时间点非常接近,约相差25ms。
图5是带电落棒A组电压信号处理后(点状线)与断电落棒信号对比示意图。
图6是本发明优选实施例的棒位测量系统构成示意图。
图7是本发明优选实施例的A组线圈落棒波形特征点示意图。
其中A1……A15为A组线圈编号；P0..P19为波形特征点编号；P12对应T5终点准确值；P13对应T5终点保守值。
图8是本发明优选实施例的带电落棒时间测量分析算法流程图。
图9A是本发明优选实施例的落棒信号捕捉算法流程图。
图9B是本发明优选实施例的落棒波形示意图。
图10是本发明优选实施例的带电落棒时间测量方法与一般落棒时间测量方法结果比较示例示意图。
其中，上图(图10中左侧区域)，一般落棒时间测量方法：
T4＝0.062正常<＝0.15，
T5＝1.2855正常<＝2.4，
T5+T6＝1.778正常<＝3.2；
首次弹跳T7正常，
弹跳时长T7正常，
二次触底T8正常，
二次弹跳T9正常。
其中，下图(图10中右侧区域)，带电落棒时间测量方法：
T4＝0.0565正常<＝0.15，
T5＝1.3135正常<＝2.4，
T5+T6＝1.7865正常<＝3.2；
首次弹跳T7正常，
弹跳时长T7正常，
二次触底T8正常，
二次弹跳T9正常。
具体实施方式
本发明公开了一种不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法，下面结合优选实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。
参见附图的图1至图10，图1示出了控制棒驱动机构结构；图2A示出了落棒时间的构成；图2B示出了落棒波形特征点；图3示出了棒位探测器线圈布置及连接方式；图4示出了缓冲段理论起点、通常计算点与A组电压峰值对比；图5示出了带电落棒A组电压信号处理后(点状线)与断电落棒信号对比；图6示出了本发明优选实施例的棒位测量系统构成；图7示出了本发明优选实施例的A组线圈落棒波形特征点；图8示出了本发明优选实施例的带电落棒时间测量分析算法；图9A示出了本发明优选实施例的落棒信号捕捉算法；图9B示出了本发明优选实施例的落棒波形；图10示出了本发明优选实施例的带电落棒时间测量方法与一般落棒时间测量方法结果比较示例。
优选实施例。
优选地，参见附图的图7和图8，所述不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法，通过棒位探测器探测A组线圈的感应电压信号，包括以下步骤：
步骤S1：监测A组线圈电压，捕捉落棒信号；
步骤S2：将落棒信号起始点P0作为T4止；
步骤S3：监测到落棒信号后查找局部峰值点P1、P2、…、P19；
步骤S4：从落棒信号起始点回溯查找DROPref从最大值降至其33％值的时间点T4始；
步骤S5：将P13对应时间点作为T5止保守值；
步骤S6：求P15-P16，P16-P17，P17-P18，P17-P18与0轴的交点作为t6、t7、t8、t9；
步骤S7：计算分析结果并以文件形式保存输出。
进一步地，参见附图的图9A，步骤S1(监测A组线圈电压捕捉落棒信号)具体实施为以下步骤：
步骤S1.1：对A组线圈电压Ua进行数字滤波处理；
步骤S1.2：波形折线化并合并多余端点；
步骤S1.3：计算中值序列；
步骤S1.4：查找中值序列首个极小点P2:tmin,Vmin；
步骤S1.5：从首个极小点回溯查找<Vmin/2的中值点P1；
步骤S1.6：求极小点P2、中值点P1与0轴交点P0；
步骤S1.7：如P0、P2连线斜率、时间差、幅值差在特定范围内则判断为落棒开始。
进一步地，步骤S2(将落棒信号起始点P0作为T4止)具体实施为以下步骤：
将求取的落棒信号起始点P0作为T4止。
进一步地，步骤S4(从落棒信号起始点回溯查找DROPref从最大值降至其33％值的时间点T4始)具体实施为以下步骤：
取DROPref数值序列落棒信号起始点P0之前的子序列，求取其最小值、最大值点，从其最小值点回溯查找>最大值33％的点。
进一步地，步骤S5(将P13对应时间点作为T5止保守值)具体实施为以下步骤：
将P13对应时间点作为T5止保守值。
进一步地，步骤S6(求P15-P16，P16-P17，P17-P18，P17-P18与0轴的交点作为t6、t7、t8、t9)具体实施为以下步骤：
求P15-P16，P16-P17，P17-P18，P17-P18与0轴的交点作为t6、t7、t8、t9。
进一步地，步骤S7(计算分析结果并以文件形式保存输出)具体实施为以下步骤：
步骤S7.1：计算T4止-T4始＝T4，T5止-T4止＝T5，T6止-T5止＝T6；
步骤S7.2：验证T4、T5、T6在阈值范围内；
步骤S7.3：验证t7、t8、t9>0；
步骤S7.4：将计算结果以文件形式保存输出。
值得一提的是，本发明各个实施例公开的不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法，其主要工作原理的控制基础阐述如下。
具体地，本方法基于棒位探测器A码线圈感应电压与落棒过程的对应关系。
参见附图的图5，分析正常落棒波形，可看到通常作为T5终点的时间点与其穿过A组电压第13个峰值时间点非常接近，更精确的分析可得知T5止时间点比A组电压第13个峰值提前约85mm，时间上提前25ms＝0.025s。
更进一步，参见附图的图5，经计算得知，缓冲段理论起点离堆底约565mm，合36步，与A组电压第12个峰值基本重合，比通常作为缓冲段起点的T5止提前170mm，时间上提前50ms＝0.05s，即通常落棒时间求取方法得到的落棒时间比实际时间长约0.05s。
由此可知，通常落棒时间测量方法得到的T5值比实际值偏大约0.05秒；如以A组电压第12个峰值时间点作为T5终止点比通常计算方式更准确；如以A组电压第13个峰值时间点作为T5终止点，则所得T5值比实际值偏大约0.075秒，验收准则一般要求T5<2.4s，故以A组电压第13个峰值时间点作为T5终止点是保守的，偏差值可接受。
参见附图的图5，在堆底，A组线圈电压比原边线圈电压对棒位更敏感，可更灵敏反映控制棒组件缓冲弹簧压缩、反弹振荡过程。
综合以上分析，断电情况下计算A组线圈电压第12个峰值时间点可得到T5精确值，计算A组线圈电压第13个峰值时间点可得到T5偏大保守值；通过其振荡情况可求取控制棒到达堆底、反弹、再触底、再反弹过程各个时间点。
另外，试验验证可知带电情况下A组线圈落棒感应电压经过一定算法处理后与断电情况下A组线圈电压吻合度小到可忽略。
由以上分析可知，可通过对A组线圈带电落棒感应电压的分析求取落棒时间。
值得一提的是，本发明各个实施例公开的不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法，其主要工作原理阐述如下。
参见附图的图6，棒位测量设备100包含棒位测量柜20，在所述棒位测量柜20设置(集成)带电落棒时间测量分析模块21，所述带电落棒时间测量分析模块21具有(集成)带电落棒时间测量分析功能。根据棒位探测器10反馈的原边线圈电压Up、测量线圈电压Ua,Ub,Uc,Ud,Ue及从驱动机构监测柜50中引入落棒参考信号DROPref进行计算分析，以得到落棒波形及落棒时间。
落棒时间测量时，由主控室反应堆操纵员分别提升各组控制棒，提到堆顶后不需在棒位测量柜20切断激磁电源，直接在棒控配电柜断开相应子组动力电源，动力电源断开信号通过落棒参考信号DROPref传送到棒位测量柜20。
值得一提的是，本发明改变传统上切断棒位探测器激磁电源后再测量落棒时间的方法，在所述棒位测量柜20中设置(集成)带电落棒时间测量分析模块21，所述带电落棒时间测量分析模块21具有(集成)带电落棒时间测量分析功能，根据棒位探测器10反馈的测量线圈电压Ua及从50驱动机构监测柜中引入落棒参考信号DROPref进行计算分析得到落棒波形及落棒时间。其中落棒参考信号DROPref由各子组中各取一个保持线圈电流信号相加运算得出。
落棒时间测量时，由主控室反应堆操纵员分别提升各组控制棒，提到堆顶后不需在棒位测量柜上切断激磁电源，直接在棒控配电柜断开相应子组动力电源，动力电源断开信号通过落棒参考信号DROPref传送到20棒位测量柜。在此过程中带电落棒时间测量分析模块自动捕捉落棒信号，对其进行记录、处理，分析计算落棒时间。
值得一提的是，带电落棒时间测量方法与一般落棒时间测量方法结果比较示例，可参见附图的图10。
值得一提的是，本发明专利申请涉及的控制棒的具体选型等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法，其特征在于，通过棒位探测器探测A组线圈的感应电压信号，包括以下步骤：
步骤S1：监测A组线圈电压，捕捉落棒信号；
步骤S2：将落棒信号起始点P0作为T4止；
步骤S3：监测到落棒信号后查找局部峰值点P1、P2、…、P19；
步骤S4：从落棒信号起始点回溯查找DROPref从最大值降至其33％值的时间点T4始；
步骤S5：将P13对应时间点作为T5止保守值；
步骤S6：求P15-P16，P16-P17，P17-P18，P17-P18与0轴的交点作为t6、t7、t8、t9；
步骤S7：计算分析结果并以文件形式保存输出。
2.根据权利要求1所述的不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法，其特征在于，步骤S1具体实施为以下步骤：
步骤S1.1：对A组线圈电压Ua进行数字滤波处理；
步骤S1.2：波形折线化并合并多余端点；
步骤S1.3：计算中值序列；
步骤S1.4：查找中值序列首个极小点P2:tmin,Vmin；
步骤S1.5：从首个极小点回溯查找<Vmin/2的中值点P1；
步骤S1.6：求极小点P2、中值点P1与0轴交点P0；
步骤S1.7：如P0、P2连线斜率、时间差、幅值差在特定范围内则判断为落棒开始。
3.根据权利要求1所述的不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法，其特征在于，步骤S4具体实施为以下步骤：
取DROPref数值序列落棒信号起始点P0之前的子序列，求取其最小值、最大值点，从其最小值点回溯查找>最大值33％的点。
4.根据权利要求2所述的不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法，其特征在于，步骤S4具体实施为以下步骤：
取DROPref数值序列落棒信号起始点P0之前的子序列，求取其最小值、最大值点，从其最小值点回溯查找>最大值33％的点。
5.根据权利要求3所述的不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法，其特征在于，步骤S7具体实施为以下步骤：
步骤S7.1：计算T4止-T4始＝T4，T5止-T4止＝T5，T6止-T5止＝T6；
步骤S7.2：验证T4、T5、T6在阈值范围内；
步骤S7.3：验证t7、t8、t9>0；
步骤S7.4：将计算结果以文件形式保存输出。
6.根据权利要求4所述的不需切断激励电源的控制棒落棒时间测量方法，其特征在于，步骤S7具体实施为以下步骤：
步骤S7.1：计算T4止-T4始＝T4，T5止-T4止＝T5，T6止-T5止＝T6；
步骤S7.2：验证T4、T5、T6在阈值范围内；
步骤S7.3：验证t7、t8、t9>0；
步骤S7.4：将计算结果以文件形式保存输出。
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