CANDU6重水堆啟動(dòng)儀表系統(tǒng)故障分析及改進(jìn)

徐清華，張振超，劉 錚，王曉峰

（中核核電運(yùn)行管理有限公司 維修五處儀控科，浙江 海鹽 314300）

CANDU6型重水堆啟動(dòng)儀表主要在停堆狀態(tài)下監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆的功率，當(dāng)反應(yīng)堆功率低于2×10-7FP時(shí)投用啟動(dòng)儀表，啟動(dòng)儀表可測(cè)量的反應(yīng)堆功率范圍為10-14FP～10-6FP。啟動(dòng)儀表能夠及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量停堆下的反應(yīng)堆功率水平及其變化趨勢(shì)，在反應(yīng)堆功率異常上升時(shí)能夠及時(shí)動(dòng)作一號(hào)停堆系統(tǒng)，將停堆棒快速插入反應(yīng)堆中，在反應(yīng)堆中引入負(fù)反應(yīng)性，從而保證反應(yīng)堆處于安全可控的狀態(tài)下。

1 啟動(dòng)儀表的控制邏輯和工作原理

啟動(dòng)儀表系統(tǒng)有3個(gè)通道組成，每個(gè)通道的脫扣報(bào)警邏輯分別與一號(hào)停堆系統(tǒng)的D、E、F通道的脫扣邏輯相連。當(dāng)出現(xiàn)啟動(dòng)儀表通道失效、探測(cè)器工作電壓異常、高對(duì)數(shù)計(jì)數(shù)或高對(duì)數(shù)率時(shí)，都將會(huì)觸發(fā)該通道脫扣，若出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上通道脫扣將自動(dòng)觸發(fā)一號(hào)停堆系統(tǒng)動(dòng)作，28根停堆棒插入堆芯。

啟動(dòng)儀表系統(tǒng)在主控機(jī)柜里的高壓電源模塊，生成高壓并加至現(xiàn)場(chǎng)的BF3正比計(jì)數(shù)器上，使BF3正比計(jì)數(shù)器可以探測(cè)到反應(yīng)堆堆芯內(nèi)產(chǎn)生的中子，通過(guò)前置放大器將中子信號(hào)轉(zhuǎn)換為0.35V的負(fù)脈沖信號(hào)，此負(fù)脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)200m電纜傳輸?shù)轿挥谥骺厥业闹鞣糯笃鞯妮斎攵?，?jīng)過(guò)主放大器后輸出7V～8V的脈沖信號(hào)，主放大器輸出信號(hào)再送至單道分析器。信號(hào)經(jīng)過(guò)單道分析器內(nèi)部整形輸出后成為寬度為0.25μS，幅度為5V的矩形波，此時(shí)該信號(hào)一路接入雙定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。另一路給率表，然后通過(guò)計(jì)數(shù)、取對(duì)數(shù)處理后再與報(bào)警單元模塊的高對(duì)數(shù)計(jì)數(shù)和高對(duì)數(shù)率設(shè)定值進(jìn)行比較，以實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆功率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和超功率保護(hù)。

2 啟動(dòng)儀表的組成及功能特點(diǎn)

每個(gè)通道的啟動(dòng)儀表由BF3正比計(jì)數(shù)器、前置放大器、CANBERRA 2015型帶SCA/甄別器的主放大器、CANBERRA 1776型雙定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、TENNELEC TC593型率表、APTEC ACM-102型對(duì)數(shù)變化率和停堆觸發(fā)單元、CANBERRA 3002型高壓模塊、圖表記錄儀和示波器等組成[1]。

2.1 BF3正比計(jì)數(shù)器

BF3正比計(jì)數(shù)器是通過(guò)俘獲核子的過(guò)程來(lái)探測(cè)反應(yīng)堆堆芯內(nèi)產(chǎn)生的中子。中子俘獲產(chǎn)生的帶電粒子會(huì)在探測(cè)器氣體中運(yùn)動(dòng)生成電子軌跡，隨后電子軌跡被電子放大器識(shí)別為脈沖信號(hào)。由于脈沖信號(hào)的頻率正比于電子軌跡的生成的次數(shù)，而中子俘獲生成的電子軌跡的次數(shù)又同反應(yīng)堆內(nèi)產(chǎn)生的中子個(gè)數(shù)成正比，這樣放大器監(jiān)測(cè)到的脈沖信號(hào)即同反應(yīng)堆功率成正比，從而實(shí)現(xiàn)了探測(cè)反應(yīng)堆功率的目的。

2.2 前置放大器

前置放大器的目的是將微弱的電子脈沖放大為較大的、低阻抗信號(hào)，以使其在系統(tǒng)中傳輸?shù)母h(yuǎn)，BF3正比計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)在經(jīng)過(guò)前置放大器放大后輸出的低阻抗信號(hào)可以沿著同軸電纜傳輸達(dá)300多米的距離。

2.3 放大器

放大器的功能是將前置放大器放大輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大，并通過(guò)調(diào)節(jié)前面板上的粗調(diào)增益和微調(diào)增益來(lái)將輸入幅值范圍是0～10V的信號(hào)整定到幅值約為8V的中子脈沖。

2.4 單道分析器

單道分析器是由甄別器和窗口組成的，其目的是將放大后幅值低于甄別器門(mén)檻的噪聲信號(hào)，如γ噪聲濾掉后將窗口范圍內(nèi)的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)幅值的方波信號(hào)后輸出。在實(shí)際應(yīng)用中，BF3正比計(jì)數(shù)檢測(cè)到的噪聲信號(hào)在經(jīng)一系列放大處理后得到幅值低于2V的脈沖信號(hào)，BF3正比計(jì)數(shù)檢測(cè)到的中子在經(jīng)一系列放大處理后得到幅值為8V的中子脈沖信號(hào)。啟動(dòng)儀表系統(tǒng)甄別器的門(mén)檻設(shè)定為3V、窗口大小設(shè)定為7V，該單道分析儀檢測(cè)的是反應(yīng)堆內(nèi)的熱中子同硼10反應(yīng)后得到的不同能量的電子經(jīng)放大后得到3V～10V的中子脈沖信號(hào)，濾掉了γ噪聲等噪聲信號(hào)。每檢測(cè)到一個(gè)這樣的脈沖信號(hào)，單道分析儀就會(huì)輸出一個(gè)幅值為5V的標(biāo)準(zhǔn)方波分別送給率表和雙定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。

2.5 率表

率表在接收到單道分析儀輸出的方波后產(chǎn)生一個(gè)即時(shí)的對(duì)應(yīng)于脈沖頻率的模擬量顯示，同時(shí)輸出一個(gè)正比于脈沖頻率的、工作范圍為0～100mV的直流輸出。

啟動(dòng)儀表選用的指示表有兩種顯示模式，線性顯示和對(duì)數(shù)顯示。為了避免在模式選擇的時(shí)候引起控制的混淆，所以在此系統(tǒng)中選用了兩塊指示表，一塊提供對(duì)數(shù)顯示并將輸出信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)脫扣報(bào)警控制模塊即參與系統(tǒng)控制功能的實(shí)現(xiàn)，另外一塊提供線性顯示并將輸出信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)圖表記錄儀來(lái)實(shí)現(xiàn)存檔和科學(xué)分析的需要。計(jì)數(shù)指示表提供不同的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)來(lái)展平指示和直流輸出，一個(gè)較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)的選擇會(huì)導(dǎo)致在輸入的變化和顯示以及直流輸出間的長(zhǎng)時(shí)間延遲。為了避免在使用過(guò)程中錯(cuò)誤地選擇響應(yīng)時(shí)間常數(shù)而導(dǎo)致脫扣報(bào)警控制模塊誤動(dòng)，故在用于對(duì)數(shù)顯示的計(jì)數(shù)指示表上使用了固定的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)。

2.6 雙定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

當(dāng)啟動(dòng)儀表的計(jì)數(shù)非常低后或需要較高的計(jì)數(shù)精度以便于進(jìn)行物理計(jì)算和分析時(shí)，計(jì)數(shù)指示表的顯示就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足這種要求了。這時(shí)，雙定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的引入滿(mǎn)足了在反應(yīng)堆初次啟動(dòng)或長(zhǎng)時(shí)間停堆后啟動(dòng)時(shí)反應(yīng)堆內(nèi)部熱中子通量比較低，啟動(dòng)儀表檢測(cè)到的計(jì)數(shù)值很低的工況。雙定時(shí)器/計(jì)數(shù)器卡件的計(jì)數(shù)器部分又可稱(chēng)為累加器，它提供的是按照計(jì)時(shí)器設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行累加后的計(jì)數(shù)值顯示，計(jì)時(shí)器部分的功能是設(shè)定計(jì)數(shù)值進(jìn)行累加的時(shí)間。

2.7 報(bào)警控制模塊

報(bào)警控制模塊的功能是利用其內(nèi)部的比較器對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行比較，為操縱員監(jiān)測(cè)堆芯工況的變化提供報(bào)警。該模塊設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)參數(shù)有4種：探測(cè)器工作電壓異常、低對(duì)數(shù)計(jì)數(shù)、高對(duì)數(shù)計(jì)數(shù)和高對(duì)數(shù)率，當(dāng)這4種參數(shù)中的任何一個(gè)超出其設(shè)定值范圍時(shí)都將輸出一個(gè)通道脫扣報(bào)警信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)對(duì)低計(jì)數(shù)和高對(duì)數(shù)率采取了閉鎖設(shè)定以避免通道在低功率、低計(jì)數(shù)時(shí)發(fā)生誤動(dòng)。報(bào)警控制模塊另外3種參數(shù)的輸入信號(hào)分別來(lái)自對(duì)數(shù)顯示計(jì)數(shù)指示表的輸出信號(hào)和在其內(nèi)部將對(duì)數(shù)信號(hào)處理后得到的對(duì)數(shù)率信號(hào)，以及來(lái)自高壓電源的電壓信號(hào)。報(bào)警控制模塊的前面板上設(shè)置了各種參數(shù)的設(shè)定值調(diào)節(jié)器，操縱員可以根據(jù)不同的工況方便地設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)設(shè)定值。另外其前面板上還提供了對(duì)數(shù)率指示表，以便于進(jìn)行設(shè)備標(biāo)定時(shí)顯示對(duì)數(shù)率。

2.8 高壓模塊

高壓電壓源是為了滿(mǎn)足BF3正比計(jì)數(shù)器較高的工作電壓而設(shè)計(jì)的，它輸出直流電壓的范圍是0～3000V。啟動(dòng)儀表系統(tǒng)選用的是CANBERA 3002型高壓模塊，它可提供遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)模式和就地控制調(diào)節(jié)模式。其遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)模式的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)報(bào)警模塊背部輸出0～5V的直流電壓信號(hào)來(lái)控制0～3000V。就地控制調(diào)節(jié)模式是通過(guò)調(diào)節(jié)電壓源模塊前面板的旋鈕式可調(diào)電位計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)的同時(shí)可以根據(jù)位于前面板的電壓/電流顯示表的顯示來(lái)設(shè)定正常的工作電壓。在高電壓輸出到脫扣報(bào)警控制模塊進(jìn)行探測(cè)器工作電壓異常比較無(wú)誤后，將送給BF3正比計(jì)數(shù)器以使其正常工作。

2.9 圖表記錄儀

圖表記錄儀可同時(shí)接收來(lái)自4個(gè)通道的線性顯示計(jì)數(shù)指示表的輸出信號(hào)，并將其記錄在記錄紙上以便于存檔和進(jìn)行科學(xué)分析。

2.10 示波器

示波器主要用于設(shè)定主放大器幅值，甄別器的門(mén)檻以及確認(rèn)來(lái)自探測(cè)器的中子脈沖，它是一臺(tái)輔助設(shè)備并不影響系統(tǒng)的功能。

3 啟動(dòng)儀表故障分析及解決方案

3.1 干擾故障分析及解決

對(duì)于啟動(dòng)儀表，其探頭和前置放大器位于核島內(nèi)，二次放大器及比較器在主控室，中間有超過(guò)50m的電纜連接。大修期間核島內(nèi)經(jīng)常有電焊作業(yè)或電動(dòng)工具作業(yè)，其高頻電磁波對(duì)啟動(dòng)儀表有很強(qiáng)的干擾，為了降低高頻電磁干擾，在啟動(dòng)儀表的前置放大器的輸入和輸出端，二次放大器的輸入端加了磁環(huán)。磁環(huán)具有高損耗系數(shù)，在不同的頻率下有不同的阻抗特性，一般在低頻時(shí)阻抗很低，當(dāng)頻率升高，磁環(huán)表現(xiàn)的阻抗急劇升高?？梢园迅哳l電磁能量通過(guò)渦流轉(zhuǎn)換成熱能，從而抑制高頻信號(hào)的通過(guò)，磁環(huán)使正常有用的信號(hào)很好地通過(guò)，又能很好地抑制高頻干擾信號(hào)的通過(guò)。加上磁環(huán)前，啟動(dòng)儀表由于干擾，在每次大修都會(huì)脫扣4～5次，加上磁環(huán)后，大修期間啟動(dòng)儀表沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)由于干擾而導(dǎo)致脫扣的現(xiàn)象。磁環(huán)對(duì)啟動(dòng)儀表的抗干擾能力的提高具有非常重要的作用，避免現(xiàn)場(chǎng)干擾而使一號(hào)停堆系統(tǒng)通道頻繁脫扣的情況發(fā)生，降低了一號(hào)停堆系統(tǒng)誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 內(nèi)部電路及元器件故障的分析及解決

內(nèi)部電路及電子元器件問(wèn)題也是引起啟動(dòng)儀表系統(tǒng)故障的另一主要因素。啟動(dòng)儀表系統(tǒng)在大修投運(yùn)期間出現(xiàn)過(guò)晶振元件故障導(dǎo)致E通道的計(jì)數(shù)器無(wú)法清零的故障，電容故障導(dǎo)致對(duì)數(shù)變化率指示表指示異常故障，可調(diào)電位計(jì)接觸不良導(dǎo)致計(jì)數(shù)率低設(shè)定值不穩(wěn)定的故障等。

啟動(dòng)儀表計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘周期本應(yīng)是固定不變的，其起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)零點(diǎn)，但因計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘基準(zhǔn)電路中1MHz晶振元件出現(xiàn)故障，它所在的晶體振蕩電路輸入到時(shí)鐘基準(zhǔn)電路的脈沖畸變。計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘是以晶體振蕩電路產(chǎn)生脈沖數(shù)106個(gè)作為1秒鐘基準(zhǔn)的[2]。當(dāng)晶振元件故障時(shí)，晶體振蕩電路在一個(gè)周期之內(nèi)產(chǎn)生的畸變脈沖沒(méi)有被后面的時(shí)鐘基準(zhǔn)電路完全識(shí)別而進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)致計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘周期發(fā)生變化。相應(yīng)地，計(jì)數(shù)器清零時(shí)就不是在時(shí)鐘周期的起始點(diǎn)。用1MHz晶振元件合格備件對(duì)故障的1MHz晶振元件進(jìn)行更換后，晶體振蕩電路產(chǎn)生脈沖波形穩(wěn)定，時(shí)鐘基準(zhǔn)電路工作穩(wěn)定，計(jì)數(shù)器能夠清零。

對(duì)數(shù)變化率是衡量反應(yīng)堆是否超功率的一個(gè)重要參數(shù)。在啟動(dòng)儀表投運(yùn)，當(dāng)對(duì)數(shù)變化率達(dá)到+15%時(shí)，就會(huì)觸發(fā)通道脫扣。其在電路實(shí)現(xiàn)上是一個(gè)微分電路，在啟動(dòng)儀表投用期間，發(fā)現(xiàn)E通道的對(duì)數(shù)變化率指示表始終指示在+25%并且E通道沒(méi)有脫扣，判斷是對(duì)數(shù)變化率指示是虛假的，指示回路存在故障。經(jīng)檢查，果然是微分電路中的電容絕緣降低造成的。更換電容后，對(duì)數(shù)變化率指示表指示恢復(fù)正常。

在標(biāo)定啟動(dòng)儀表的F通道時(shí)，發(fā)現(xiàn)其計(jì)數(shù)率低報(bào)值不穩(wěn)定。檢查發(fā)現(xiàn)電路板上的一個(gè)可調(diào)電阻內(nèi)部接觸不良，導(dǎo)致計(jì)數(shù)率低報(bào)設(shè)定值漂移，更換可調(diào)電位計(jì)后，計(jì)數(shù)率低報(bào)設(shè)定值穩(wěn)定。

3.3 啟動(dòng)儀表高壓故障

啟動(dòng)儀表的BF3正比計(jì)數(shù)器需要工作在高電壓下，其工作電壓為1.80KV。在啟動(dòng)儀表投用期間，啟動(dòng)儀表系統(tǒng)F通道因LOW COUNT自動(dòng)脫扣，脫扣后檢查計(jì)數(shù)率正常，啟動(dòng)儀表F通道探頭電壓變?yōu)?.83KV，而F通道脫扣前約1：30左右，檢查發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)儀表F通道電壓為1.76KV，通過(guò)檢查啟動(dòng)儀表的高壓，發(fā)現(xiàn)高壓不穩(wěn)定，在0.8KV～1.9KV之間漂移。由于高壓不穩(wěn)定造成BF3正比計(jì)數(shù)器的工作電壓沒(méi)有工作在坪區(qū)，從而導(dǎo)致計(jì)數(shù)率偏低，通道脫扣。

鑒于工作高壓對(duì)啟動(dòng)儀表的運(yùn)行有著重要影響，探測(cè)器工作電壓異常會(huì)造成通道脫扣。目前針對(duì)工作高壓故障所采取的預(yù)防措施是在連接到一號(hào)停堆系統(tǒng)之前，進(jìn)行工作高壓的檢查和探頭的坪特性檢查以保證工作高壓穩(wěn)定并且在坪區(qū)正常工作。

3.4 BF3正比計(jì)數(shù)器的飽和故障

啟動(dòng)儀表的一些部件始終處于高中子通量水平的環(huán)境中。因此，在達(dá)臨界的過(guò)程中，隨著功率水平的升高，如果BF3探測(cè)器測(cè)量的中子計(jì)數(shù)率大于105CPS將出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，達(dá)到飽和[3]。為了防止這種情況的發(fā)生，所以在反應(yīng)堆啟動(dòng)過(guò)程中，隨著功率水平的升高，需要維修人員將BF3正比計(jì)數(shù)器逐漸向外抽出，使其計(jì)數(shù)降低到103CPS左右。

4 結(jié)束語(yǔ)

啟動(dòng)儀表系統(tǒng)在重水堆停堆期間都能夠參與反應(yīng)堆的在線運(yùn)行，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆內(nèi)中子通量的變化，并且能夠在反應(yīng)堆功率變化異常時(shí)提供報(bào)警信號(hào)和控制一號(hào)停堆系統(tǒng)動(dòng)作的脫扣邏輯信號(hào)。通過(guò)技術(shù)人員了解啟動(dòng)儀表的工作原理和組成，啟動(dòng)儀表投用前對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定、檢查和試驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)儀表內(nèi)部元器件故障、高壓故障。通過(guò)增加磁環(huán)，提高啟動(dòng)儀表的抗干擾能力。通過(guò)定期更換內(nèi)部易老化的元器件等措施，保證啟動(dòng)儀表的可靠運(yùn)行，減少啟動(dòng)儀表投運(yùn)期間的故障，及時(shí)監(jiān)控反應(yīng)堆在停堆期間的中子通量，保證反應(yīng)堆的安全。