核電廠核儀表系統(tǒng)信號異常原因分析及改進

李天友 田亞杰 任立永 劉光明

(深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

核儀表系統(tǒng)(RPN)采用分布于反應(yīng)堆壓力容器外的一系列中子探測器來測量反應(yīng)堆功率、功率變化率及軸向功率偏差等，是關(guān)系到反應(yīng)堆安全的重要系統(tǒng)［1］。目前，法國大部分機組、國內(nèi)在運在建機組、核電三代技術(shù)機組在核儀表系統(tǒng)源量程通道所使用的探測器為涂硼正比計數(shù)管。其信號屬于極微小信號，易受到干擾，而用于傳輸該信號的通道存在不同的薄弱環(huán)節(jié)，干擾源易通過這些薄弱環(huán)節(jié)使源量程信號異常。

對于源量程通道信號異常事例，國外鮮有報道。在國內(nèi)某核電項目上，RPN 源量程出現(xiàn)了多頻次信號異常情況，對現(xiàn)場調(diào)試、機組商運工作帶來了極大干擾。而對于RPN 源量程信號的異常處理，國內(nèi)外也無成熟處理經(jīng)驗，所以對RPN 源量程信號異常的薄弱環(huán)節(jié)及預(yù)防措施進行系統(tǒng)性研究，具有現(xiàn)實性和必要性。

1 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)分析

根據(jù)IEC 61226“核電站重要安全性儀器儀表和控制功能分級”［2］要求，核儀表系統(tǒng)(RPN)需可靠穩(wěn)定地執(zhí)行其安全功能。

GB_13284“核電廠安全系統(tǒng)準(zhǔn)則”［3］規(guī)定核電廠安全系統(tǒng)需要考慮電磁干擾對系統(tǒng)可能導(dǎo)致的運行異常或者損壞。GB_11684“核儀器電磁環(huán)境條件與試驗方法”［4］提到核電廠反應(yīng)堆儀器具有顯著的電磁敏感性，具有長電纜、低信號水平和寬頻帶等特點，需結(jié)合安全性與可靠性的嚴(yán)格要求，謹(jǐn)慎對待電磁干擾效應(yīng)。本文根據(jù)核儀器電磁環(huán)境條件與試驗方法的規(guī)定，以RPN 源量程信號異常事件為研究對象，通過開展現(xiàn)場實地測試，分析核電廠RPN 系統(tǒng)信號異常薄弱環(huán)節(jié)并制定改進措施。

2 源量程通道及信號異常

2.1 源量程通道

RPN 源量程測量通道由CPNB44 型涂硼正比計數(shù)管探測器、連接板、連接電纜及一個包含調(diào)理單元與處理單元的保護機柜組成，其測量信號送至反應(yīng)堆保護機柜進行處理及參與保護。源量程通道組成及示意圖如圖1 所示。

圖1 RPN 源量程通道組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of the composition of RPN source range channels

2.2 信號異?，F(xiàn)象

在某核電項目上數(shù)次出現(xiàn)RPN 源量程信號異常現(xiàn)象，異常信號以閃發(fā)尖峰形式波動，最大閃發(fā)尖峰值達到1E+5 cps(表征計數(shù)率)之上。閃發(fā)以幾個小時一次頻率出現(xiàn)，部分異常事件導(dǎo)致反應(yīng)堆跳堆。

3 信號傳輸分析

源量程通道由CPNB44 型探測器產(chǎn)生脈沖信號，信號經(jīng)由一體化電纜、連接板、貫穿件及生物屏蔽電纜通路傳輸，進入RPN 保護機柜進行放大、甄別、數(shù)據(jù)處理等。

中子探測器有一個密封的包殼，探測器計數(shù)管內(nèi)壁涂硼，管內(nèi)充以氬氣和少量的二氧化碳，并外加高壓直流電(850 V)形成一個電場。每個中子與硼碰撞發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生α 粒子和γ 射線。其中，α 粒子使計數(shù)管內(nèi)的氬氣電離，產(chǎn)生正負(fù)離子。在外加電場作用下，離子分別向正、負(fù)電極運行，形成電脈沖。核反應(yīng)方程式如下:

信號的處理由RPN 保護機柜完成，保護機柜包含調(diào)理單元與處理單元。調(diào)理單元執(zhí)行功能包括提供探測器工作高壓，進行脈沖信號前置放大、后置放大、濾波、甄別，以消除γ 射線噪聲影響。處理單元實現(xiàn)計數(shù)率計算、計數(shù)率轉(zhuǎn)換為電流、對數(shù)放大、計算倍增周期和輸出模擬信號等功能。

從RPN 機柜進入RPS 機柜的信號，在RPS 內(nèi)部將對數(shù)電流信號，反轉(zhuǎn)換為計數(shù)率信號，同時在RPS 機柜內(nèi)部完成閾值比較，實現(xiàn)反應(yīng)堆保護、記錄、指示及報警功能。

結(jié)合上述傳輸路徑，源量程信號通過探測器的生成、電纜通路傳輸、疊加干擾，進入RPN 機柜，在機柜中經(jīng)前置放大、甄別放大和濾波整形，以對數(shù)電流形式進入RPS 機柜，在RPS 機柜中進行閾值比對、參與反應(yīng)堆保護和觸發(fā)報警信號。RPN 信號傳輸波形如圖2 所示。

圖2 RPN 傳輸波形示意圖Fig.2 Schematic diagram of RPN transmission waveform

4 等效電路分析及理論干擾源

通過對源量程通道組成及信號傳輸?shù)姆治觯?］，建立源量程通道等效電路圖，如圖3 所示。圖3 中，Id為探測器等效脈沖電流，Il、Rd分別對應(yīng)泄漏電流、絕緣電阻，Ie對應(yīng)電磁干擾等效電流源電流，Im、Rm分別對應(yīng)測量電流、測量電阻，R1、R2、R3分別對應(yīng)傳輸線路電阻，Cd、Cm分別對應(yīng)探測器及傳輸線路分布電容、測試電路輸入電容，Ud為探測器高壓電壓源電壓。

圖3 探測器回路等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit of the detector loop

在CPNB44 正比計數(shù)管的陰極和陽極之間施加一個直流高壓源，當(dāng)探測器穩(wěn)態(tài)工作時，其測量電流為:

其中，Id受供電電壓、探測器靈敏度、中子通量密度影響。

其泄漏電流為:

由于Rd＞＞(R1+R2+R3+Rm)，泄漏電流的貢獻是小的，所以一般來說:

從以上理論分析和電路圖可以看出，影響RPN 測量電流的影響因素有:①探測器脈沖等效電流Id，與探測器本體的靈敏度、探測器高壓Ud、堆芯實際布置等有關(guān);②探測器絕緣電阻Rd，由于源量程通道從探測器本體至機柜貫穿，并在機柜側(cè)進行統(tǒng)一接地，所以該絕緣電阻與探測器絕緣電阻、連接板、連接電纜、貫穿件及機柜絕緣電阻有關(guān);③線路連接電阻R1、R2、R3，與連接板連接接頭、貫穿件接頭、機柜接頭的連接性能相關(guān);④線路電磁環(huán)境影響等效電流Ie，電纜路徑上其他系統(tǒng)動力設(shè)備或者動力源，造成線纜傳輸中脈沖信號疊加干擾信號，使得測試失真。

以上影響因素可以分為三類干擾源:I 類，探測器性能，對應(yīng)上述影響因素①;II 類:電阻變化，對應(yīng)上述影響因素②、③;III 類，電磁干擾，對應(yīng)上述影響因素④。

5 電磁干擾測試

5.1 測試方法

因外界電磁干擾對RPN 系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為對RPN 系統(tǒng)兩條信號鏈路的干擾，所以RPN 系統(tǒng)的兩條信號鏈路將成為RPN 系統(tǒng)源量程EMC 測量的主要測量參考。RPN 系統(tǒng)外界電磁干擾的測量將主要沿兩條源量程通道電纜路徑展開。RPN 系統(tǒng)源量程信號鏈路沿線存在諸多電氣設(shè)備，如大型機柜、不間斷電源、空調(diào)、照明設(shè)備等。雖然這些設(shè)備均已經(jīng)過EMC 鑒定，但局限于現(xiàn)場空間，設(shè)備臨近布置，是否會產(chǎn)生疊加電磁干擾尚不得而知，因此這些用電設(shè)備的周圍應(yīng)該布置適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測點。

對空間電磁環(huán)境和用電設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾，采用場強測量儀進行監(jiān)測。對通過用電設(shè)備連接線纜向外輻射的電磁騷擾，采用電流探頭和頻譜分析儀進行測試。

5.2 測試結(jié)果及分析

現(xiàn)場基于RPN 源量程通道路徑上設(shè)備所處房間進行了全范圍測量，表1 給出了R450 測量數(shù)據(jù)示例。

表1 R450 測量數(shù)據(jù)表Tab.1 R450 measurement data

通過RPN 源量程通道的現(xiàn)場查勘和電磁環(huán)境檢測，初步得出以下結(jié)論。

①I 通道周邊用電設(shè)備電場發(fā)射強度高于II 通道用電設(shè)備。

②節(jié)能燈是機組內(nèi)的一個主要電磁騷擾源，且相應(yīng)的抑制措施不到位;此外，節(jié)能燈電磁發(fā)射在某些頻段超出GB 17743［6］要求。

③設(shè)備所承受的電磁干擾強度稍有不同，I 通道所受到電磁干擾強度比II 通道大。

④機組內(nèi)的托盤、機柜、貫穿件等，存在接地與屏蔽問題。

6 薄弱環(huán)節(jié)分析及改進

6.1 薄弱環(huán)節(jié)分析

對于RPN 源量程通道來說，可能造成影響的I 類干擾源、II 類干擾源和III 類干擾源如下。

①I 類干擾源。

探測器014MA/024MA 本體性能下降，探測器014MA/024MA 靈敏度變化，探測器014MA/024MA 高壓品質(zhì)影響，探測器014MA/024MA 容器布置位置變動，探測器安裝后核島濕度等影響。

②II 類干擾源。

探測器014MA/024MA 絕緣電阻性能，一體化電纜絕緣電阻性能，連接板090PJ/270PJ 連接絕緣性能，同軸電纜CZ24 和CP711 連接絕緣性能，貫穿件ZZZL514/ZZZL530 連 接 絕 緣 性 能，RPN001AR 和RPN002AR 連接絕緣性能，連接板090PJ/270PJ 接頭連接狀態(tài)，貫穿件ZZZL514/ZZZL530 接頭連接狀態(tài)，RPN001AR 和RPN002AR 接頭連接狀態(tài)，公母接頭的現(xiàn)場制作和現(xiàn)場環(huán)境影響。

③III 類干擾源。

環(huán)境電磁干擾效應(yīng)，源量程電纜路徑通道周邊動力源;設(shè)備抗干擾能力及耦合路徑，一體化電纜、CZ24、CP711 電纜屏蔽性能;電纜托盤密封性能和屏蔽性;電纜托盤的接地;電氣及照明系統(tǒng)低壓電纜布置影響。

采用故障樹分析方法，針對上述薄弱環(huán)節(jié)和干擾源，建立RPN 源量程信號異常故障樹。通過對已發(fā)生事件分析、同類型因素對比分析和現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)比對等，排除故障樹無關(guān)枝節(jié)，得到源量程信號異常的技術(shù)原因故障樹。

6.2 技術(shù)原因

從組成系統(tǒng)的設(shè)備層面分析，導(dǎo)致信號異常的原因如圖4 所示，技術(shù)原因說明如下。

(1)探測器或連接頭故障。

(2)連接頭故障與周邊電磁環(huán)境不相適應(yīng)，或者專用托盤設(shè)備不符合安裝要求，將導(dǎo)致RPN 承受較強的電磁干擾。

(3)連接頭降級至與運行環(huán)境的溫濕度不相適應(yīng)。

圖4 信號異常薄弱環(huán)節(jié)故障樹Fig.4 Weak link fault tree of signal abnormality

6.3 改進

應(yīng)嚴(yán)格按照質(zhì)保大綱進行RPN 源量程設(shè)備的設(shè)計和制造，保證設(shè)備的質(zhì)量;加強監(jiān)造、驗收環(huán)節(jié)的控制，在驗收活動中增加RPN 抗電磁干擾能力測試。

應(yīng)加強RPN 設(shè)備施工管理與控制，重點需滿足下述幾點:①核島內(nèi)設(shè)備盡可能等待通風(fēng)系統(tǒng)投入運行、廠房內(nèi)溫濕度條件達到安裝要求后再進行安裝活動;②對于接頭的制造和連接等關(guān)鍵活動，應(yīng)制定標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程;③對于接頭的制作和連接等關(guān)鍵的安裝活動要保證由豐富經(jīng)驗的人員執(zhí)行，建議設(shè)置考核上崗機制;④注意保證按照環(huán)境條件，特別是I 通道，應(yīng)保證安裝活動的溫濕度和有良好的照明。

7 結(jié)束語

本文基于IEC 61226 要求及GB 11684 電磁環(huán)境條件與試驗方法規(guī)定，通過分析源量程通道組成、信號異?，F(xiàn)象、信號傳輸線路及傳輸波形，建立源量程通道等效電路模型，對模型進行電路分析，得到源量程通道理論干擾源。結(jié)合理論分析結(jié)果和系統(tǒng)組成，建立RPN 源量程信號異常故障樹，通過排除故障樹無關(guān)枝節(jié)，得到源量程信號異常的薄弱環(huán)節(jié)及原因，并給出改進及應(yīng)對措施。RPN 信號異常薄弱環(huán)節(jié)分析及改進成果已經(jīng)應(yīng)用于工程實際，本文研究成果對國內(nèi)外同類事件的處理具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。

［1］ 蘇林森，楊輝玉，王復(fù)生，等.900 MW 壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備［M］.北京:原子能出版社，2007:255 -266.

［2］ IEC 61226 Nuclear power plants - Instrumentation and control systems important to safety - Classification of instrumentation and control functions［S］.2009.

［3］ 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 13284-1 -2008 核電廠安全系統(tǒng)第1 部分:設(shè)計準(zhǔn)則［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［4］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 11684 -2003 核儀器電磁環(huán)境條件與試驗方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

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［6］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 17743 -2007 核儀器電磁環(huán)境條件與試驗方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.