核電廠輻射測(cè)量?jī)x表異常接地導(dǎo)致閃發(fā)高計(jì)數(shù)故障分析及處理

連杰 吳平韜

福建福清核電有限公司維修一處 福建福州 350300

在核電廠的儀表及控制（I&C）系統(tǒng)中，與常規(guī)電廠測(cè)量原理和應(yīng)用差別最大的設(shè)備是核與輻射測(cè)量類儀表。在核電機(jī)組中，核測(cè)量?jī)x表主要分為堆芯測(cè)量、堆外核測(cè)和輻射監(jiān)測(cè)類。輻射測(cè)量?jī)x表的測(cè)量原理多為電離室、光電倍增管或正比計(jì)數(shù)管等方式[1]，敏感元件與傳統(tǒng)熱工儀表相比，信號(hào)強(qiáng)度較弱且受統(tǒng)計(jì)漲落影響比較嚴(yán)重。本文通過(guò)分析一起伽馬測(cè)量?jī)x表閃發(fā)高計(jì)數(shù)的故障和解決方案，來(lái)闡明接地的可靠性對(duì)核測(cè)量?jī)x表正常工作的重要性。

1 核電廠輻射監(jiān)測(cè)儀表信號(hào)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目前核電廠中輻射監(jiān)測(cè)設(shè)備型號(hào)眾多，總體來(lái)說(shuō)可以按其敏感元件不同分為氣體探測(cè)器類、閃爍體類、半導(dǎo)體類等。對(duì)于不同類型的監(jiān)測(cè)儀器，一般都具備以下幾個(gè)通用特點(diǎn)。

1）測(cè)量范圍廣，量程寬。一般輻射監(jiān)測(cè)儀表測(cè)量范圍可能跨越6-7個(gè)數(shù)量級(jí)，且在測(cè)量下限附近也要求有較高的測(cè)量精度（通常的正常測(cè)量值接近測(cè)量下限）。

2）原始信號(hào)極弱。電離室類探測(cè)器的正常測(cè)量時(shí)輸出電流一般在10-10A級(jí)別或更低級(jí)別。這對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)通道的探測(cè)器制造工藝、信號(hào)傳輸與屏蔽、前端放大、后端信號(hào)處理和輸出都提出了更高的要求。

3）原始信號(hào)需遠(yuǎn)傳。為了避免工作人員在進(jìn)行維修巡檢時(shí)受到非必要照射.部分監(jiān)測(cè)儀在探測(cè)器測(cè)得微弱的原始信號(hào)后，還要對(duì)信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)傳。如核島內(nèi)的事故后反應(yīng)堆廠房劑量率監(jiān)測(cè)儀需要將10-14A的模擬量信號(hào)傳輸至安全殼外，傳輸距離約100m。

4）儀表智能化程度較高。為了在滿足寬量程、弱信號(hào)的同時(shí)能夠?qū)⑤椛浔O(jiān)測(cè)儀表信號(hào)接入電廠數(shù)字化控制系統(tǒng)，輻射測(cè)量?jī)x表一般需要將探測(cè)器測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行放大、整形和處理，換算成具有實(shí)際意義的劑量率或活度信號(hào)后上傳至主控室，故一般輻射監(jiān)測(cè)儀表0層設(shè)備智能化程度較高。

2 核電廠儀表接地準(zhǔn)則和要求

對(duì)于核電廠輻射監(jiān)測(cè)類儀控設(shè)備來(lái)說(shuō)，接地一般有以下幾點(diǎn)要求：

設(shè)備保護(hù)地應(yīng)和儀表與控制系統(tǒng)外殼相接。為了保護(hù)人員和設(shè)備安全，儀表和控制設(shè)備外殼接地應(yīng)為交流故障電流提供低阻抗的路徑，以便在任何外部事件或交流電源故障的情況下使設(shè)備外殼始終處于地點(diǎn)為，相鄰設(shè)備間的跨步電壓和接觸電壓不超過(guò)安全限制。

信號(hào)接地應(yīng)對(duì)不同的儀表進(jìn)行區(qū)分。對(duì)于輻射監(jiān)測(cè)和泵軸振動(dòng)監(jiān)測(cè)這類計(jì)數(shù)脈沖型探測(cè)器的信號(hào)回路可不接地。當(dāng)屏蔽電纜的屏蔽層也作為信號(hào)傳輸線時(shí)，只有在末端才作為信號(hào)的公共零線單點(diǎn)接地。探測(cè)器信號(hào)接地方法應(yīng)充分考慮設(shè)備制造商的建議。

圖1 典型輻射監(jiān)測(cè)儀表接地方式

低頻段屏蔽層單點(diǎn)接地原則。即信號(hào)電纜屏蔽地應(yīng)在信號(hào)回路接地的同一點(diǎn)上接地。如果屏蔽多余一點(diǎn)接地，那么地電位差將驅(qū)動(dòng)電流流過(guò)屏蔽層，屏蔽層電流在信號(hào)賄賂中感應(yīng)出共模噪聲，并轉(zhuǎn)變?yōu)榕c信號(hào)回路阻抗不平衡的成比例的差模噪聲信號(hào)進(jìn)入信號(hào)線路[1]。電廠典型輻射監(jiān)測(cè)儀表接地可參考上圖1進(jìn)行。

3 閃爍體儀表閃發(fā)高計(jì)數(shù)故障現(xiàn)象及原因分析

3.1 故障現(xiàn)象

國(guó)內(nèi)某核電機(jī)組內(nèi)輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三個(gè)儀表（儀表編號(hào)為KRT042/043/044MA）多次閃發(fā)高計(jì)數(shù)報(bào)警。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2014年11月來(lái)至今，該機(jī)組處理22個(gè)此類故障相關(guān)的工單。總結(jié)歷次的故障現(xiàn)象，有以下典型的干擾型故障特點(diǎn)：

(1)閃發(fā)報(bào)警時(shí)歷時(shí)很短，多為幾秒鐘高計(jì)數(shù)，之后迅速回落

(2)出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)（一般幾十分鐘到一小時(shí)）多次閃發(fā)，此時(shí)間段過(guò)后儀表自動(dòng)恢復(fù)

(3)有不止一次出現(xiàn)了同時(shí)2個(gè)或3個(gè)儀表同時(shí)高計(jì)數(shù)的情況

3.2 處理和測(cè)試過(guò)程

通過(guò)多次測(cè)試，檢修人員發(fā)現(xiàn)，該類型設(shè)備可能引入干擾的方式為：外部干擾通過(guò)就地處理箱的保護(hù)地線串入就地處理箱的測(cè)量板，在測(cè)量板內(nèi)造成共模干擾[3]，從而造成測(cè)量異常，產(chǎn)生瞬間大計(jì)數(shù)。

由于外部干擾無(wú)法捕捉，也很難進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，將出現(xiàn)高計(jì)數(shù)的原因歸結(jié)為外部干擾主要有以下幾點(diǎn)考慮。

(1)在閃發(fā)報(bào)警歷史中，有7次屬于同一時(shí)間點(diǎn)兩臺(tái)或以上的儀表同時(shí)出現(xiàn)高計(jì)數(shù)，而兩臺(tái)儀表同時(shí)損壞并在同一時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)故障的概率極低，可初步判定是由于兩臺(tái)儀表的共同因素造成的同類型故障；

原設(shè)備安裝方式為三個(gè)儀表的就地處理箱保護(hù)地線先匯總再統(tǒng)一接入電廠地，更改后為分別直接接入電廠地（如下圖2所示），更改接地方式后同時(shí)多個(gè)通道閃發(fā)報(bào)警的情況明顯改善；

圖2 保護(hù)地線接線示意圖

(3)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，將就地處理箱從墻上取下后單獨(dú)放置在絕緣平臺(tái)上，即使不安裝地線，也可穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，但掛在墻上之后閃發(fā)頻率變高

(4)就地處理箱的安裝孔使用膨脹螺栓進(jìn)行固定，經(jīng)測(cè)試，膨脹螺栓與墻面內(nèi)鋼筋連通并接入電廠大地，而墻體內(nèi)鋼筋網(wǎng)絡(luò)走向復(fù)雜，可能有強(qiáng)電磁干擾或大功率設(shè)備接入造成干擾；

(5)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)探測(cè)器端外殼和安裝支架之前絕緣下降時(shí)（一般為小于1MΩ時(shí)），易出現(xiàn)閃發(fā)報(bào)警情況。

3.3 閃發(fā)高計(jì)數(shù)原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多次故障處理情況，除探測(cè)器本身故障外 ,外部干擾導(dǎo)致探測(cè)器閃發(fā)高計(jì)數(shù)故障主要有以下三種原因：

(1)就地處理箱膨脹螺栓引入異常干擾信號(hào)，造成保護(hù)接地失效；

(2)監(jiān)測(cè)儀信號(hào)/保護(hù)回路多點(diǎn)接地造成電勢(shì)差，造成外部干擾并通過(guò)保護(hù)地線進(jìn)入就地處理箱,造成計(jì)數(shù)瞬時(shí)升高；

(3)探測(cè)器端絕緣下降，造成變相的多點(diǎn)接地（就地處理箱保護(hù)地和探測(cè)器外殼保護(hù)地），并形成電勢(shì)差，在測(cè)量電纜內(nèi)產(chǎn)生干擾。

4 處理方案及處理過(guò)程

對(duì)于接地干擾，最重要的處理辦法就行進(jìn)行接地可靠性和多點(diǎn)接地的排查，具體措施包括：

分離地線，為了避免干擾從一個(gè)就地處理箱串到另外的幾個(gè)就地處理箱，首先應(yīng)將042MA/043MA/044MA的就地處理箱保護(hù)地線分離（如前文圖2所示）；

為了保證接地可靠并盡可能少的經(jīng)過(guò)其它電氣設(shè)備，將三個(gè)LPU的地線直接改接至就地處理箱附近的接地銅牌。利用絕緣板將就地處理箱和顯示箱等小三箱背板安裝方式進(jìn)行改進(jìn)，使得處理箱與墻體碰撞螺栓之間絕緣電阻大于50MΩ。保證探測(cè)器端和安裝支架的絕緣（浮空）電阻大于50MΩ。加工絕緣安裝墊片，如出現(xiàn)絕緣下降情況則進(jìn)行絕緣墊片更換。經(jīng)過(guò)一系列接地可靠性提升，該型號(hào)監(jiān)測(cè)儀閃發(fā)高計(jì)數(shù)頻度大幅下降，目前該類頻度小于1次/年，可滿足現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)要求的可靠度。

5 結(jié)語(yǔ)

輻射監(jiān)測(cè)儀表在核電廠中屬于特殊的弱信號(hào)類儀控設(shè)備，在進(jìn)行接地設(shè)計(jì)和安裝時(shí)需要盡量能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中準(zhǔn)則和要求。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的安裝過(guò)程中，要注意防止監(jiān)測(cè)儀多點(diǎn)接地導(dǎo)致外部干擾影響測(cè)量。在檢測(cè)到有多點(diǎn)接地的可能性時(shí)，可通過(guò)增加絕緣背板等措施進(jìn)行提升和改進(jìn)，確保儀表測(cè)量的準(zhǔn)確性。