Система обеспечения электрообогрева петлевого канала
Для поддержания заданного температурного режима узлов ПК (прежде всего источника пара цезия и узлов цезий-вакуумного тракта) в нем размещают электронагреватели. Так как питание нагревателей не должно влиять на линии измерительных датчиков, то старались использовать схему питания постоянным током с плавным регулированием мощности через разделительные устройства. Однако опыт петлевых испытаний показал, что это не всегда рационально и можно использовать сетевое питание с частотой 50 Гц, но через разделительные трансформаторы. Частота 50 Гц не вносила больших возмущений, а от тех токов, которые возникают, оказалось легко экранироваться. Разделительные трансформаторы, кроме предупреждения пробоя изоляции на массу, позволили осуществить защиту электронагревателей ПК от коротких замыканий и перегрузок. Цепи питания нагревателей оборудуются предупредительной сигнализацией как при срабатывании АЗ реактора, так и при резком изменении мощности (как по току, так и по напряжению).
Рис. 4.12. Схема системы стабилизации температуры цезиевого термостата:
1 — разъем на головке ПК, 2 — разъемы в шкафу электротехнических разъемов; 3 — нормировочный преобразователь напряжения; 4 — распределитель сигналов, 5 — переключатель; 6 — миллиамперметр, 7 — трехпозиционный блок типа П1730; 8 — стабилизатор напряжения, 9 — трансформатор, 10 — полупроводниковый регулятор напряжения; 11 — высокоточный регулятор напряжения, 12 — табло аварийно-предупредительной сигнализации, 13 — шкаф питания, 14 — разделительный трансформатор, 15 — вольтметр; 16 — добавочное сопротивление, 17 — термопара; 18 — электронагреватель
Основной нагреватель ПК — нагреватель источника пара цезия (термостата, ГПРТ и др). В зависимости от типа этого источника (и конструкции ПК) его мощность может быть различной, но обычно не превышает 1 кВт. Обычно этот нагреватель для надежности выполняется в виде двух секций, которые при нормальной работе могут эксплуатироваться или на половинной мощности, или при одном выключенном нагревателе. Диапазон изменения температуры источника составляет от 10 до 450 °C при высокой точности измерения (класс 0,1) и поддержания. В цепи питания предусматривается автоматическое регулирование мощности для поддержания установленной температуры источника пара цезия (рис. 4.12) и аварийное отключение нагревателя при срабатывании АЗ реактора. Последнее необходимо для исключения конденсации цезия в элементах цезиевого тракта (в особенности на гермовводах и на краях активной части ЭГС).
В отличие от этого другие электронагреватели, например, нагреватели гермовводов, с помощью автоматизированной системы должны обеспечить стабилизированное значение температуры как при изменении мощности реактора, так и после срабатывания его АЗ. Это связано с тем, что керамические детали гермовводов часто плохо выдерживают термоцилирование. Иногда требуется заданное по времени изменение температуры этих узлов, что и должна обеспечить автоматизированная система электрообогрева. Диапазон регулируемого изменения температуры этих узлов обычно равен 200-450 °C.
Рис. 4.13 Принципиальная электрическая схема питания вспомогательных нагревателей без заземления:
Пр — предохранитель; Тр — трансформатор; ЭН — электронагреватель, V — датчик измерения напряжения, А — датчик измерения тока; ЛАТР — лабораторный автотрансформатор; К — рубильник
Кроме упомянутых агрегатов система включает в себя источники для питания нагревателей общего назначения. Их число и мощность зависят от типа и конструкции ПК и объекта испытаний. Принципиальная электрическая схема питания вспомогательных нагревателей приведена на рис. 4.13.
Системы отвода генерируемой электрической мощности и снятия статических и динамических вольтамперных характеристик
Термоэмиссионная ЭГС при испытаниях генерирует электроэнергию, которую необходимо отвести, поддерживать один из параметров (ток, напряжение, сопротивление нагрузки) и измерять. Под измерением обычно понимают не только значение W= IV, но и снятие ВАХ, которые являются основными источниками информации о характеристиках и возможностях объекта испытаний. Системы отвода генерируемой электрической мощности и снятия статических и динамических ВАХ являются специфическими именно для петлевых установок реакторных испытаний ЭГС, их созданию, отработке и совершенствованию уделялось достаточно много внимания всеми организациями, которые проводили и проводят петлевые испытания ЭГС [21, 29, 43, 44, 149].
Электрическая система петлевой установки предназначена для решения следующих задач:
рассеяния вырабатываемой ЭГС электрической мощности, а также мощности, вносимой от внешних источников энергии в период снятия ВАХ;
управления выходными электрическими параметрами ЭГС;
измерения выходных электрических параметров испытываемой ЭГС;
снятия статических (изотепломощностных) и динамических (изотермических) ВАХ.
Несколько условно электрическую систему петлевой установки разделим на системы: отвода генерируемой электрической мощности и снятия статических и динамических ВАХ.
Система отвода генерируемой электрической мощности. Система отвода генерируемой мощности включает в себя токовыводы с коммутационной аппаратурой, в том числе транзисторного типа, нагрузочные сопротивления, измерительные шунты, устройство управления электрическими параметрами.
Активные сопротивления токовыводов, исключая сопротивления шунтов, ограничиваются обычно значением порядка 10-3 Ом. Особо следует отметить, что участки токовыводов под крышкой реактора могут иметь относительно высокие температуры (в реакторе АМ — до 200 °C) и влажность (до 100%). Поэтому эти участки токовыводов должны иметь хорошую изоляцию для избежания заметных утечек тока. Для реактора АМ установленная прочность этих участков составляет не менее 0,5 кВ. Обычно токовыводы с головки ПК имеют гибкие переходы и легкоснимаемые соединения. Следует иметь в виду, что в процессе длительной эксплуатации контактные соединения могут окисляться и увеличивать электросопротивление токовыводов, а механические соединения — ухудшать свои характеристики при сменах ПК.
Из опыта эксплуатации петлевых установок следует, что токоведущие шины могут обладать достаточно высокой емкостной оставляющей. Это может внести заметные фазовые искажения на частотах 10—100 кГц, что следует иметь в виду, если в программе испытаний предусмотрены исследования частотных характеристик ЭГС, например, при изучении переменных составляющих тока и напряжения в моменты переключения нагрузки, а также при использовании импульсных и радиоимпульсных методов диагностики.
На номинальных режимах работы рассеяние выделяемой в системе мощности происходит или на активной нагрузке, выполняемой, как правило, в виде магазина электросопротивлений и имеющей воздушное охлаждение, или на полупроводниковых элементах транзисторных нагрузок, обычно снабженных водяным охлаждением. Непременное требование: нагрузка должна подключаться без разрыва цепи плавно или ступенчато, обычно от сопротивления равного примерно 0,001 до 10 Ом. Наименьшая ступень изменения электрической нагрузки составляет около 0,001 Ом.
Рис. 4.14. Схема получения аналоговых сигналов с датчиков устройства управления электрическими параметрами при измерении электрической мощности ЭГС:
Rд — сопротивление делителя напряжения; Rш — сопротивление шунта; Rн— сопротивление нагрузки; V — вольтметр; т V — милливольтметр
При испытаниях ПК, содержащих несколько ЭГС (на реакторе АМ по программе ФЭИ и реакторе ВВР-К по программе РКК «Энергия» были испытаны ПК с четырьмя ЭГС (148)), в схему вводились специальные коммутационные устройства, позволяющие в процессе испытаний проводить последовательное, параллельное или последовательно-параллельное соединения испытываемых ЭГС, моделирующих соединения ЭГС в модуле проектируемого ТРП.
При всех переключениях нагрузки неконтролируемый разрыв цепи не допускается и наличие его считается аварийной ситуацией, так как ЭГС переходит в режим холостого хода, что на энергетическом режиме недопустимо из-за резкого (до 200—300 °C) повышения температуры топливно-эмиттерного узла. Схема получения аналоговых сигналов с датчиков устройства управления электрическими параметрами при измерении генерируемой мощности ЭГС приведена на рис. 4.14.
Методы управления электрическими параметрами при снятии ВАХ. На петлевых установках для испытаний ЭГС использовались и используются различные методы управления электрическими параметрами ЭГС и снятия ВАХ. Условно их можно разделить на пассивные и активные методы.
Пассивными считают методы без внесения в систему дополнительной энергии. Они реализуются с помощью переключения активной нагрузки или с помощью полупроводниковых нагрузочных устройств (транзисторных нагрузок), фактически представляющих собой триодные усилители тока, конкретная реализация которых может быть различной. Схема одного из вариантов транзисторной нагрузки приведена на рис. 4.15.
Следует учитывать, что полупроводниковые нагрузочные устройства могут обладать нестабильностью характеристик во времени, особенно при больших токах, поэтому при ресурсных испытаниях предпочтительной нагрузкой следует считать магазин сопротивлений, снабженный транзисторным переключателем для исключения несанкционированного перехода в режим холостого хода при переключениях нагрузки.
Активный метод реализуется путем изменения напряжения ЭГС с помощью внешнего источника напряжения, в качестве которого могут быть использованы: аккумуляторная батарея, электромеханический генератор, электронная нагрузка, выполненная в виде так называемой транзисторной нагрузки (TH), или электронного характериографа осциллографического (ЭХО).
Рис. 4.15. Принципиальная схема транзисторной нагрузки
Аккумуляторная батарея выполняется совместное зарядным устройством и соответствующим оборудованием для коммутирования в цепь ЭГС любого количества аккумуляторов. На практике петлевой установки реактора АМ в экспериментах использовалась кислотная батарея со следующими параметрами: максимальная ЭДС 60 В; ступень переключения 2 В; максимальный разрядный ток (при напряжении 15 В) 400 А (в течение 20 мин).
Рис. 4.16. Схема регистрации вакуумных ВАХ
1 — эмиттер; 2 — коллектор, 3 — источник тока; 4 — образцовое сопротивление; 5 — выносной блок коммутации; 6 — двухкоординатный самописец
Электромеханический генератор, использованный в экспериментах на реакторе АМ на первых этапах петлевых испытаний, представлял собой обратимую машину постоянного тока с жесткой характеристикой и независимым возбуждением. Эта машина была сгруппирована с обратимой машиной переменного тока или с двигателем переменного тока, работающим в режиме торможения. Электромеханический генератор обеспечивал плавное изменение напряжения в пределах от 0 до 30 В и тока в интервале от 0 до 400 А обеих полярностей. Отмстим, что необходимо было принимать специальные меры для того, чтобы работа рассмотренного агрегата была устойчивой при смене полярности при нулевом напряжении. При эксплуатации системы наблюдалось самопроизвольное изменение полярности, что приводило к изменению температуры топливно-эмиттерных узлов ЭГС и соответственно снижению ее ресурсоспособности. Еще одним неудобством использования электромеханического генератора следует считать необходимость охлаждения при относительно низкой температуре, что потребовало установки на агрегат специальной холодильной машины. В настоящее время эта система считается не эффективной.
Отметим, что рассмотренная выше аккумуляторная батарея использовалась в качестве фильтра при работе электромеханического генератора.
Регистрации вакуумных вольтамперных характеристик. Измерение вакуумных ВАХ (ВВАХ) производится на этапе термовакуумной подготовки и осуществляется с помощью измерительной схемы, представленной на рис. 4.16. ЭГС включается в одну цепь с регулируемым источником постоянного тока. Ток в цепи эмиттер-коллектор, протекающий под действием источника тока блока автоматической развертки, создает на образцовом сопротивлении Rш падение напряжения Vш= IRш. Напряжение подается на вход У, а напряжение между электродами ЭГС — на вход X двухкоординатного самопишущего потенциометра типа ПДС-021М. При этом запись ВВАХ осуществляется с погрешностью примерно 1%.
Система снятия статических и динамических вольтамперных характеристик. Система снятия ВАХ испытываемой ЭГС должна обеспечить соблюдение следующих условий:
развертку ВАХ из любой рабочей точки;
высокую наглядность наблюдения ВАХ благодаря электронному формированию системы координат с масштабными шкалами;
отсутствие методической погрешности определения координат исходной рабочей точки в результате симметричной развертки ВАХ;
повышенную информативность наблюдаемой ВАХ применением независимых управлений амплитудой и скоростью изменения тока развертки;
возможность регистрации ВАХ на бумажных бланках;
возможность установления тока в цепи с заданной скоростью.
Конкретное описание систем снятия статических и динамических ВАХ испытываемой ЭГС проведем на примере двух таких систем, используемых на петлевых установках реактора ИВВ-2М и реактора АМ, и различающихся кроме схемотехнических решений, еще и тем, что на петлевой установке реактора ИВВ система предназначена для обслуживания одного испытываемого ПК, а на реакторе АМ — для обслуживания до трех одновременно испытываемых ПК.
Упрощенная система снятия ВАХ, удовлетворяющая перечисленным выше требованиям и используемая на петлевой установке реактора ИВВ-2М, приведена на рис. 4.17. Она состоит из грех функционально законченных блоков: электронного нагрузочного устройства (ЭНУ), часто называемого транзисторной нагрузкой, блока управления ЭНУ, блока индикации ВАХ.
ЭНУ представляет собой регулируемый компенсационный стабилизатор тока последовательного типа, выполненный на транзисторах. Блок управления нагрузкой (БУН) предназначен для формирования координатной сетки, измерительных меток и управляющего сигнала для развертки динамической ВАХ из любой точки (короткого замыкания — холостого хода). Развертка ВАХ осуществляется линейно изменяющимся напряжением относительно любой рабочей точки ВАХ. Параметры развертывающих импульсов имеют следующие значения: длительность импульса при динамическом снятии ВАХ 4 мс, скважность импульсов 2—5. Форма импульсов близка к треугольной. Погрешность регистрации ВАХ в динамическом режиме не хуже 3%. Проверка влияния способа получения ВАХ методом развертки из рабочей точки указанными импульсами на изменение температуры эмиттера, проводимая на лабораторном стенде в одноэлементной ЭГС с установленными в центре эмиттера термопарами, показала, что максимальное изменение температуры эмиттера в процессе развертки ВАХ не превышает 10 К.
Рис. 4.17. Структурная схема системы снятия ВАХ:
1 — блок питания; 2 — синхронизатор, 3 — генератор управления нагрузкой; 4 — блок формирования координатной сетки и измерительных меток; 5 — блок управления каналом яркости; 6 — коммутатор; 7 — входной усилитель тока; 8 — входной усилитель напряжения, 9 — предохранительное устройство, 10 — осциллограф; 11 — входной усилитель тока; 12 — блок питания каскадов предварительного усиления, 13 — усилитель тока, 14 — предварительный эмиттерный повторитель, 15 — компенсирующий источник питания; 16 — устройство тепловой защиты и сигнализации; 17 — измеритель тока, 18 — контактор, 19 — устройство регистрации ВАХ; 20— испытываемая ЭГС; 21 — блок калибровки тока; 22 — блок калибровки напряжения; А — блок управления нагрузкой; Б — блок регулировки тока, В — электронное нагрузочное устройство, Г — входное устройство, Д — блок индикации, Т1 — преобразователь напряжения в ток, Шн — шунт
В качестве второго конкретного примера рассмотрим систему снятия ВАХ петлевой установки реактора АМ, которая позволяет испытывать одновременно три ЭГС и состоит из трех относительно независимых установок (так называемых «петель» ПП-1, ПП-2 и ПП-3). Система снятия ВАХ включает в себя переменную электрическую нагрузку, ЭХО и коммутационные устройства. Как переменная нагрузка, так и ЭХО являются общими для всех трех «петель» и могут переключаться с помощью коммутационных устройств. Одновременное снятие ВАХ на двух установках или даже на двух ЭГС одного ПК невозможно.
Электронный характериограф разработан в СФТИ в 1980 г. и предназначен для снятия статических и динамических ВАХ, а также может быть использован в качестве переменной нагрузки ЭГС при ресурсных испытаниях. Фактически ЭХО представляет собой группу транзисторов, используемых в режиме сопротивления, управляемого либо постоянным током (для снятия статических ВАХ или при использовании ЭХО в качестве нагрузки), либо импульсами прямоугольной или треугольной формы (для снятия динамических ВАХ). Предусмотрены два режима снятия ВАХ: малых токов (до 30 А) для снятия ВАХ в диффузионном и частично в переходном режимах и больших токов (до 350 А) для снятия ВАХ в дуговом режиме.
Снятие статических ВАХ возможно как в ручном, так и в полуавтоматическом режимах. При ручном режиме на базы силовых транзисторов подается управляющее напряжение постоянного тока с прецизионного многооборотного потенциометра, регулируемого вручную. Для полуавтоматического режима в блоке управления формируется напряжение ступенчатой формы. Число ступенек фиксировано и равно 256, поэтому размер ступеньки в единицах тока пропорционален току КЗ испытываемой ЭГС. Так, для тока КЗ уровня 300 А ступенька составляет около 1 А. Длительность ступеньки, определяющая скорость снятия ВАХ, может изменяться в широких пределах. Предусмотрен автоматический останов в заранее заданных точках ВАХ как со стороны максимального, так и со стороны минимального тока ЭГС. Регистрация статических ВАХ проводится двухкоординатным самопишущим прибором.
Для снятия динамических ВАХ на базы силовых транзисторов подается управляющее напряжение в виде прямоугольных импульсов переменной амплитуды длительностью 5 мс. Измерение мгновенных значений тока и напряжения проводится пиковыми детекторами с задержкой 3 мс от переднего фронта зондирующего импульса с целью исключения искажений, вызванных переходными процессами в ЭГС. Напряжения с детекторов через усилители подаются на входы двухкоординатного самопишущего прибора. Предусмотрена также регистрация ВАХ на экране электронно-лучевой трубки. Для этого в качестве управляющих импульсов используются импульсы треугольной формы с периодом 40 или 80 мс. На экране, кроме самой ВАХ, изображаются также оси координат и регулируемые по току и напряжению метки. Данный режим используется только для контроля ВАХ.
Период управляющих (зондирующих) импульсов может меняться от 40 до 640 мс, что при длительности 5 мс соответствует скважности импульсов от 8 до 128.
Снятие динамических ВАХ можно проводить как вручную, так и полуавтоматически. При ручном снятии амплитуда управляющих импульсов меняется при помощи потенциометров (от выбранной рабочей точки независимо в сторону КЗ и в сторону XX). При полуавтоматическом снятии нажатие кнопки «Пуск» приводит к автоматическому возрастанию амплитуды импульсов до режима КЗ, затем происходит реверсирование и уменьшение амплитуды до нуля. Аналогичный процесс происходит в сторону XX от рабочей точки.
Предусмотрена регистрация как статических, так и динамических ВАХ на персональную ЭВМ. Связь объекта испытаний с ЭВМ осуществляется через крейт КАМАК и интерфейсную карту.
