提高核電站堆外核功率測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)穩(wěn)定性的研究

熊威

摘要：在核電站運(yùn)行的控制和保護(hù)中，堆外核功率測(cè)量系統(tǒng)（RPN）扮演著重要的角色，與反應(yīng)性的監(jiān)測(cè)與核安全息息相關(guān)。鑒于其特殊性，對(duì)其信號(hào)的穩(wěn)定性要求極高，必須通過(guò)各種檢測(cè)手段，輔以預(yù)防性或糾正性維修，排除可能導(dǎo)致信號(hào)波動(dòng)的諸多因素，包括外部信號(hào)干擾，自身的電子器件老化等。必要時(shí)，可以考慮改造加強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，但涉及到極為復(fù)雜的流程和較高的成本。

關(guān)鍵詞：信號(hào)波動(dòng)；干擾；老化；抗干擾；改造

中圖分類(lèi)號(hào)：TL48 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095—6487（2018）02—0087—02

1 RPN系統(tǒng)介紹

RPN系統(tǒng)使用4個(gè)功率量程通道，2個(gè)中間量程通道和2個(gè)源量程通道分別對(duì)反應(yīng)堆不同階段的功率、功率變化以及功率分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)，各量程之間有一定范圍的重疊。三個(gè)量程采用不同結(jié)構(gòu)的探測(cè)器及信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，將泄漏中子轉(zhuǎn)換成與功率成比例的脈沖或電流信號(hào)。源量程使用涂硼正比計(jì)數(shù)管，輸出脈沖信號(hào)；中間量程采用涂硼補(bǔ)償電離室，功率量程采用涂硼非補(bǔ)償電離室，兩者均輸出電流信號(hào)。

2 RPN系統(tǒng)信號(hào)特點(diǎn)

2.1信號(hào)的重要性

RPN系統(tǒng)除了參與反應(yīng)堆保護(hù)與控制功能之外，還給操作員提供反應(yīng)堆在功率運(yùn)行、停堆、換料、啟堆各個(gè)階段的狀態(tài)信息；作為評(píng)估堆內(nèi)構(gòu)件松動(dòng)與振動(dòng)情況的信號(hào)源；參與破口失水事故（LOCA）裕度的計(jì)算。保護(hù)功能包括中子通量高和變化率高觸發(fā)自動(dòng)停堆，軸向功率偏差參與超溫超功保護(hù)的停堆和控制棒閉鎖信號(hào)整定值的形成，以及產(chǎn)生ATWT減輕未能緊急停堆的后果?？刂乒δ苤饕w現(xiàn)在提供功率信號(hào)參與棒速的計(jì)算，以及產(chǎn)生一些與功率相關(guān)的邏輯信號(hào)參與控制棒控制。

2.2信號(hào)特點(diǎn)

RPN系統(tǒng)信號(hào)覆蓋范圍廣，三個(gè)量程覆蓋11個(gè)數(shù)量級(jí)，從10E-9%FP到2*10E2%FP。

RPN系統(tǒng)工作環(huán)境復(fù)雜，三個(gè)量程的探頭均工作在反應(yīng)堆壓力容器周邊的高放射性區(qū)域，泄漏中子及γ射線分布密集；信號(hào)傳輸通道距離長(zhǎng)，貫穿多種類(lèi)型的廠房，設(shè)備分布密集，信號(hào)的產(chǎn)生與處理均較為復(fù)雜；基于提高系統(tǒng)安全功能的分列理念，機(jī)柜布局復(fù)雜，所在房間同時(shí)布置著多種動(dòng)力及控制機(jī)柜，電磁環(huán)境復(fù)雜。

3影響信號(hào)穩(wěn)定性的因素

3.1信號(hào)源的不確定性

反應(yīng)堆在每個(gè)循環(huán)均會(huì)更換部分燃料組件，導(dǎo)致堆芯分布產(chǎn)生變化；在每個(gè)循環(huán)內(nèi)，由于燃耗的加深，泄漏中子分布也會(huì)變化；各種構(gòu)件在中子輻照作用下產(chǎn)生的隨機(jī)性活化也會(huì)影響泄漏中子的分布。

3.2信號(hào)干擾

對(duì)于電容性耦合，即電場(chǎng)干擾耦合，一般對(duì)干擾源回路采用屏蔽措施。但如果屏蔽層不采取接地措施或者接地出現(xiàn)異常時(shí)，可能造成比不采用屏蔽措施時(shí)更大的電場(chǎng)干擾耦合。因?yàn)椴捎闷帘未胧┖?，被屏蔽的屏蔽體的有效截面積要比不采用屏蔽時(shí)的大許多，造成屏蔽體與其他導(dǎo)線之間的距離減小，使得耦合電容增大，進(jìn)而產(chǎn)生更多的干擾耦合量。

對(duì)于電感性耦合，即磁場(chǎng)干擾耦合，一般針對(duì)高頻磁場(chǎng)采取相應(yīng)的措施。由于高頻磁場(chǎng)為帶輻射特性的射頻場(chǎng)，利用導(dǎo)電性能良好的屏蔽層包裹在信號(hào)線周邊即可有效降低干擾。

電纜還具有天線效應(yīng)、寄生特性和地電位特性。如果布線周邊有大功率電機(jī)的啟停以及大電流信號(hào)引入等，均會(huì)導(dǎo)致輸出異常。某核電站四號(hào)機(jī)組首次大修期間出現(xiàn)過(guò)RPN系統(tǒng)電纜托盤(pán)附近電焊作業(yè)導(dǎo)致源量程產(chǎn)生異常脈沖信號(hào)的現(xiàn)象，其根本原因就在于電焊機(jī)將地線掛接在RPN電纜托盤(pán)的地線上，由于兩個(gè)設(shè)備接地電位的不同從而產(chǎn)生電位差，在電位差的驅(qū)動(dòng)下，電纜屏蔽層中產(chǎn)生干擾電流。由于屏蔽層與內(nèi)部導(dǎo)線之間存在寄生電容和寄生電感，進(jìn)而在電路的輸入端產(chǎn)生干擾電壓或者干擾電流。

3.3電子器件老化

目前RPN系統(tǒng)除了大亞灣核電站采用早期的模擬電路之外，中廣核旗下其余核電站均已實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。傳統(tǒng)的模擬電路存在易老化元器件，如電解電容等。根據(jù)近幾年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，數(shù)字化系統(tǒng)控制卡件內(nèi)部也存在同樣的老化器件，例如某核電站一號(hào)機(jī)組出現(xiàn)過(guò)RPN系統(tǒng)隔離模塊中起高頻濾波作用的鋁制電解電容短路失效，拉低芯片的工作電壓，導(dǎo)致隔離卡無(wú)輸出的異?，F(xiàn)象。另外一個(gè)核電站也出現(xiàn)過(guò)隔離模塊中的電解電容失效，導(dǎo)致功率量程送往事故監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（LSS）的電壓?jiǎn)适?，從而?dǎo)致LSS系統(tǒng)不可用。

4采取的措施

4.1針對(duì)信號(hào)源的不確定性

在信號(hào)拾取上，采用巧妙的設(shè)計(jì)消除掉干擾信號(hào)的影響。源量程通過(guò)設(shè)置合適的工作電壓與甄別電壓，消除掉1，射線脈沖的影響。利用中間量程基于涂硼電離室對(duì)中子和1，射線均敏感，不涂硼電離室僅對(duì)1，射線敏感的機(jī)理，探測(cè)器采用同軸圓柱形雙電離室的結(jié)構(gòu)，一個(gè)涂硼，一個(gè)不涂硼，通過(guò)反向高壓抵消1，射線的影響。功率量程工作區(qū)間內(nèi)的中子通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干擾信號(hào)，無(wú)需特殊處理。無(wú)論哪個(gè)量程，探頭工作高壓值的選取以及高壓電路的穩(wěn)定性尤為重要。在每個(gè)換料周期，都會(huì)通過(guò)繪制高壓坪曲線以及甄別閾曲線，選取合適的工作電壓。

4.2針對(duì)信號(hào)干擾

RPN系統(tǒng)的信號(hào)電纜均采用同軸電纜，芯線為銅線，屏蔽層包裹芯線外層的同軸形狀電纜，之間填充絕緣材料，并且屏蔽層外面也包裹著一層用于隔離外界環(huán)境的絕緣層。這種均勻不變低損耗特性阻抗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其具備高帶寬和極好的噪聲抑制特性。為保證電纜的功能完好，一般在換料周期內(nèi)通過(guò)常規(guī)檢查以及抗干擾能力測(cè)試。常規(guī)檢查包括目視檢查、電纜的連續(xù)性與絕緣性檢查。目視檢查主要是基于核島內(nèi)的電纜工作于高溫高輻照的惡劣環(huán)境，如果出現(xiàn)變色等異常，就需要考慮進(jìn)行更換。絕緣性檢查針對(duì)芯線與屏蔽層，屏蔽層與地線之間的絕緣，屏蔽層的絕緣檢查的目的就在于確保絕緣層的完整性，以有效降低容性耦合干擾。連續(xù)性檢查主要確保信號(hào)回路的完整性，因?yàn)楦髁砍痰奶筋^到機(jī)柜部分經(jīng)過(guò)多個(gè)廠房，除了長(zhǎng)距離的電纜之外，還涉及到五個(gè)接頭，分別為探頭到連接盤(pán)，島內(nèi)電纜與連接盤(pán)，島內(nèi)電纜與貫穿件，島外電纜與貫穿件，島外電纜與機(jī)柜。接頭連接部分的完整性也極為關(guān)鍵，某核電站一號(hào)機(jī)組曾出現(xiàn)接頭松動(dòng)導(dǎo)致信號(hào)異常而退出狀態(tài)的事件。

4.3針對(duì)電子器件老化

對(duì)于大亞灣基地采用的模擬量電路，可以采用預(yù)防性更換老化器件的策略，具體操作為提前梳理出存在老化機(jī)理的元器件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用年限以及故障出現(xiàn)的頻率，采用同規(guī)格器件提前更換。對(duì)于數(shù)字化系統(tǒng)，由于卡件集成度較高，一般采用整體更換卡件的策略。

4.4針對(duì)信號(hào)處理

對(duì)于源量程產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，一般進(jìn)行放大整形后輸出，目前的核電站均采用探頭信號(hào)直接送往電氣廠房機(jī)柜處理的方式，存在的弊端在于微弱信號(hào)傳輸回路距離過(guò)長(zhǎng)，一般達(dá)到80～120 m，綜合前文所提到的電纜固有的接收及輻射特性，導(dǎo)致信號(hào)回路串入干擾概率大大增加?？梢越梃b從源頭上加強(qiáng)信號(hào)的處理方式，例如采用美國(guó)西屋設(shè)計(jì)理念的AP1000電站，其堆外核測(cè)系統(tǒng)采用島內(nèi)就地機(jī)柜將信號(hào)放大后傳輸至電氣廠房的方式。

5結(jié)論

RPN系統(tǒng)的信號(hào)產(chǎn)生、傳輸、處理均經(jīng)過(guò)較多環(huán)節(jié)，無(wú)論是系統(tǒng)本身功能的需求還是監(jiān)管要求，均對(duì)其信號(hào)的穩(wěn)定性有著近乎苛刻的要求。系統(tǒng)從設(shè)計(jì)源頭上采用了較好的處理方式與抗干擾措施，在核電站的運(yùn)行期內(nèi)，要通過(guò)各種有效的預(yù)防性和糾正性手段保證這些功能的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)有一定的改進(jìn)空間，但涉及到監(jiān)管機(jī)構(gòu)的審批以及接口系統(tǒng)的變更，流程復(fù)雜，成本較高，后續(xù)設(shè)計(jì)參考改進(jìn)的方向。