核电厂电气贯穿件工厂试验自动控制系统的研究
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上海发电设备成套设计研究院、中广核工程有限公司的研究人员沈志华、俞纪维、郭贺、施沈华、朱琳，在2016年第9期《电气技术》杂志上撰文指出，核电厂电气贯穿件工厂试验中的绝缘电阻试验、工频耐压试验和导体连续性试验基本依靠人工完成，耗费了大量的人力和财力资源。
电气贯穿件工厂试验自动控制系统是以西门子S7-300系列PLC为核心的试验平台,对电气贯穿件产品SAK4型号端子的试验程序进行改良，实现试验过程的自动化，提升了电气贯穿件的产品竞争力。
在全球核安全意识普遍增强，国内二代加核电站大规模应用，AP1000和华龙一号正在快速发展的大背景下，核电厂安全壳电气贯穿件作为核设备中重要的设备，对核电厂反应堆的安全运行起着至关重要的作用[1]。
成熟、稳定和可靠的电气贯穿件产品的是核电发展历程中必不可缺的，它的通用性决定了它良好的市场前景，不但在当前的二代加堆型应用广泛，而且在将来AP1000和华龙一号等新堆型上均会被广泛应用。
根据核电厂安全壳电气贯穿件的国家标准和《电气贯穿件技术规格书》，绝缘电阻试验、工频耐压（介电强度）试验和导体电气连续性试验是电气贯穿件型式试验和功能试验中不可或缺的一部分[2-3]。
这些试验的顺利、快速完成，对整个电气贯穿件产品的性能改善有着重要的意义，同时，也更加有利于完善、深化电气贯穿件的产品技术、节约成本、稳固市场，提高产品的科技创新能力。
1 电气贯穿件工厂试验存在的主要问题
目前，在国内主流二代加核电厂的实际应用中，每台机组共79根安全壳电气贯穿件。电气贯穿件的馈通线接线端子主要采用魏德米勒的SAK4、SAKH10、SAK35等型号。
二代加电气贯穿件中含SAK4型号馈通线接线端子的电气贯穿件共36台，以某核电厂1号机组二代加电气贯穿件为例，其馈通线接线端子组成如表1所示。
表1 二代加电气贯穿件端子的组成
上表说明，二代加核电厂贯穿件SAK4型号的端子数量最多，占所有电气贯穿件端子型号的91%以上。在第三代核电厂中，虽然电气贯穿件的数量减小，但总馈通线数量比二代加电气贯穿件多10-20%。
根据实际工厂试验经验，平均每个核电机组在工厂试验中需要花费4.3月/人，电气贯穿件工厂试验的工作量非常巨大，占用了很大部分的人力资源和管理资源。因此，研制一种自动化、节约人力资源的多功能试验系统具有切实的需求和重要的意义。
2 系统硬件设计
根据已有的电气贯穿件工厂试验的原理和实践经验，设计了工厂试验多功能自动控制系统。自动控制系统硬件原理图详见图1所示。
图1 自动控制系统单线原理图
自动控制系统的硬件主要包含控制子系统、执行子系统和显示子系统，各子系统相应的设计方法和功能如下：
控制子系统：控制子系统是整个试验系统的控制核心，用于对整个试验内容进行完整的控制、数据处理、报警复位等。
控制子系统包含西门子S7-300系列的PLC可编程逻辑控制器及其附件，主要由供电单元(PS)、存储与处理单元（CPU）、接口单元(IM)和信号单元（SM）等组成[4]。
供电单元用于将220VAC控制电源转换为24VDC电源并向控制回路供电；存储与处理单元用于完成对绝缘耐压和直流电阻测试的全部试验内容进行完整的控制、转换和处理数据并与其它单元和显示屏进行通信；
接口单元用于在试验过程中对执行子系统的高低压回路继电器进行控制，确保在各试验环节的测量回路均能正确接通；
信号单元用于向测量单元发送测试、复归等指令，同时接收测量单元的测量数据以用于CPU进行数据甄别与处理，以确保试验过程数据传输的可靠性。
执行子系统：执行子系统是整个试验系统的主框架，主要包含绝缘耐压和导体连续性两个检测回路。绝缘耐压检测回路由绝缘耐压测量单元、特种高压继电器和测试插头等组成，其中绝缘测量输出500VDC，工频交流耐压试验输出2.5kVAC，高压继电器必须确保在测试过程中的可能存在的高压分合闸控制具有较高的可靠性，并且继电器本身必须能承受高电压而不击穿。
绝缘耐压的测量原理如图2所示。由于较高的电压可能对控制回子系统的PLC、通信线等造成电磁干扰，还需增加相应的电磁屏蔽和抗干扰措施。
图2 绝缘耐压测量单元原理图
导体连续性检测回路由直流电阻测量单元、低压控制继电器和测试插头等组成，其中直流电阻测试采用开尔文电桥的原理，其具有测量精度高、回路简单的特点，广泛应用于精密电阻测量回路[5]。
由于直流电阻测试需要形成连通性闭合电流回路，为节省成本需要，将高压继电器也作为电阻测量回路的一部分，并在高低压双回路之间进行闭锁隔离，防止两者之间相互串扰。
显示子系统：主要由一套研华系列工控机和指示灯组构成，用于设备操作与功能框架的指示，完成试验数据的指示、保存和显示。
3 系统软件设计
电气贯穿件工厂试验自动控制系统的主控程序采用集散控制系统(DCS)的原理。系统主控制中心、绝缘耐压测量和直流电阻测量分别采用独立的控制器，并编写相应的控制程序，实现对设备的正常运行和安全保护进行控制。
主控制中心系统西门子S7-300系列PLC为核心，使用西门子STEP7逻辑控制软件，通过CP340模块实现与绝缘耐压回路和导体连续检测回路的通信连接与启动、停止和复位等控制和数据传输。
系统的主控制逻辑如图3所示，其中绝缘耐压和导体连续性均可以独立检测。以耐压试验为例，试验开始前，将测试插头接入待测电气贯穿件端子排，按下耐压试验开始按钮，PLC控制器将启动耐压回路，耐压回路输出电压自动升高至额定值2.5kV，维持1min后，耐压回路自动断电，本端子的耐压试验结束，然后PLC指令待测端子对地短接以消除残余电压，再投入下一个端子，重复上述过程进行耐压试验。
试验完成后，PLC收集试验结果并通过工控机显示相应数据。
图3 系统主程序逻辑框图
系统的数据通信程序主要包含控制通信回路和显示通信回路两部分。
控制通信回路采用RS-232标准串口通信协议，当测试开始时，PLC可编程控制器发出开始测量指令，直流电阻测量单元和绝缘耐压测量单元测量完成后将贯穿件直流电阻值、绝缘电阻值和工频漏泄电流值等试验数据以ASCII码格式通过RS-232发送给PLC的CP340通信模块，然后进行数据转换、甄别和处理。
显示通信回路采用Profibus现场总线将PLC与工控机连接。Profibus现场总线通信技术可以将不同厂家的不同设备进行网络互联，实现多主多从的网络化结构，具有通讯速度快、可靠性高与维护方便等特点，可以非常方便的组成多种类型的控制系统[6]。
工控机接收试验数据后显示试验数据，然后出具与电气贯穿件质保文件相匹配的出厂试验报告，并将试验结果进行封存，以便于试验人员对历史数据的查验和检索。
4 系统测试
电气贯穿件工厂试验自动控制系统制作成功后，进行了整机测试，系统达到了电气贯穿件绝缘电阻试验、工频耐压试验和导体连续性试验的预期功能。
在系统整机测试过程中，当输入电气贯穿件的待测端子序号后，系统可以根据指令自动完成相应的试验项目，并实现了试验数据和记录的自动存储和输出，大幅提高了电气贯穿件工厂试验的自动化水平。同时，系统增加了授权管理，只有特定资质的试验人员可以操作本系统。
5 结论
本文通过对电气贯穿件工厂试验存在的问题进行分析，以快速完成绝缘耐压和导体电气连续性试验为对象，设计了以西门子S7-300系列PLC为核心的工厂试验自动控制系统。
该系统的研究结果，为提高电气贯穿件产品的制造速度、提升产品的竞争力，以赢得更广阔的市场，同时为AP1000、CAP1400和华龙一号等新堆型核电厂电气贯穿件的试验打下了扎实的基础。