自給能探測(cè)器絕緣性能的測(cè)量在田灣核電站的應(yīng)用

孫勇 劉哲 徐東 沈鼎

摘 要

田灣核電站所采用的VVER機(jī)組是俄羅斯準(zhǔn)三代核電技術(shù)，其中子通量監(jiān)測(cè)是由銠自給能探測(cè)器進(jìn)行的，該探測(cè)器參與反應(yīng)堆保護(hù)，因此其絕緣性能關(guān)系到核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此儀控人員需對(duì)該探測(cè)器的絕緣性能及時(shí)進(jìn)行測(cè)量，密切關(guān)注該探測(cè)器的正常與否。本文通過介紹其測(cè)量方法在田灣核電站的應(yīng)用，給相關(guān)的工作人員提供參考，同時(shí)對(duì)其他同類型機(jī)組及探測(cè)器研發(fā)單位提供良好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞

自給能探測(cè)器;中子溫度測(cè)量通道;VVER機(jī)組;田灣核電站

中圖分類號(hào)： TM623 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.049

0 概述

對(duì)于任何一座核電機(jī)組而言，反應(yīng)堆中子通量的監(jiān)測(cè)是核電廠關(guān)注的重點(diǎn)，而在田灣核電站，反應(yīng)堆內(nèi)中子通量的監(jiān)測(cè)是由自給能探測(cè)器負(fù)責(zé)的，該探測(cè)器的性能，將直接影響中子通量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確與否，尤其對(duì)于正在運(yùn)行的核電站而言，是事關(guān)電站穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，本文就如何對(duì)自給能探測(cè)器的絕緣性能進(jìn)行測(cè)量進(jìn)行闡述，并介紹其測(cè)量方法在田灣核電站的應(yīng)用。

1 自給能探測(cè)器介紹

自給能探測(cè)器原理如圖所示，主要是由發(fā)射體、絕緣體以及收集體組成，其中，發(fā)射體是由一種合適的中子靈敏材料所構(gòu)成的部件（60Co、195Pt、180HfO2、103Rh、51V、107Ag、109Ag），其產(chǎn)生電流的主要原理是中子與此材料發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生γ光子并產(chǎn)生同位素，γ光子與材料發(fā)生康普頓效應(yīng)或光電效應(yīng)產(chǎn)生電子形成電流，同時(shí)如果生成的同位素不穩(wěn)定，則該同位素也可能發(fā)生β衰變產(chǎn)生電子形成電流;絕緣體由耐高溫、耐輻照以及具有良好電絕緣性質(zhì)的材料（如Al2O3、BeO或者M(jìn)gO），它既要保證發(fā)射體與收集體之間有一定的絕緣性，又要保證從發(fā)射體發(fā)射出的大部分電子能夠到達(dá)收集體，收集體的作用是收集由發(fā)射體發(fā)射出來的電子，材料必須是耐腐蝕、耐輻照的，而且在高溫下形變要小（不銹鋼），以保證探測(cè)器具有穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

田灣核電站采用的是銠自給能探測(cè)器，集成在田灣核電站堆內(nèi)核測(cè)系統(tǒng)的中子溫度測(cè)量通道中，一根中子溫度測(cè)量通道含有7個(gè)自給能探測(cè)器，其原理主要是用銠俘獲中子所放出的高能電子流進(jìn)行測(cè)量，從而算出反應(yīng)堆的中子通量，其原理如圖2所示。

根據(jù)此原理，生產(chǎn)出的銠自給能探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖所示，其電流有本底電流與信號(hào)電流組成，該電流正比于中子通量，通過測(cè)量其電流，再通過軟件計(jì)算，即可得出中子通量密度。

2 自給能探測(cè)器絕緣性能的測(cè)量

根據(jù)自給能探測(cè)器運(yùn)行手冊(cè)中的描述，自給能探測(cè)器的電流測(cè)量原理可用以下電路圖表示：

I0——測(cè)量電

Is——信號(hào)線電流

Ib——本底線電流

Icl——通信線電流

R1——信號(hào)線絕緣電阻

R2——本底線絕緣電阻

R1-2——線芯間電阻

r1≈r2≈r——各線芯的連續(xù)性電阻

I1、I2、I1-2——漏電流

根據(jù)此電路圖，測(cè)量電流與絕緣性能之間的關(guān)系可以用以下公式來表示：

I0=Is（1+r/R1+2r/R1-2）-Ib（1+r/R2+2r/R1-2）

由于R1≈R2≈R1-2>>r，所以該公式就近似表示為：

I0=Is-Ib

即測(cè)量電流為信號(hào)線電流減去本底線電流。

然而在實(shí)際運(yùn)用的過程中，絕緣電阻R1和R2如果發(fā)生偏小的情況，則測(cè)量的結(jié)果就無法用近似公式表示了，從最初的公式以及電路圖可以看出，如果信號(hào)線和本底線的絕緣電阻R1 和R2有一個(gè)過小，會(huì)引起漏電流的增大，進(jìn)而使得信號(hào)線電流Is或本底線電流Ib不準(zhǔn)確，影響到自給能探測(cè)器信號(hào)的測(cè)量，所以在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用中，工作人員需時(shí)刻關(guān)注自給能探測(cè)器的絕緣性能，一般來說需要關(guān)注的主要參數(shù)有4個(gè)：信號(hào)線電流、本底線電流、信號(hào)線絕緣電阻、本底線絕緣電阻。其絕緣性能測(cè)量主要圍繞這四個(gè)參數(shù)進(jìn)行。信號(hào)線電流以及本底線電流可以在正常運(yùn)行階段測(cè)量得出，信號(hào)線及本底線的絕緣電阻可由高阻表以不超過110V的電壓測(cè)量得出。

然而在田灣核電站的實(shí)際運(yùn)用中，其絕緣性能的測(cè)量卻并不是那么簡(jiǎn)單，由于自給能探測(cè)器是集成在中子溫度測(cè)量通道中的，為保證設(shè)備的完整性，其測(cè)量只能通過中子溫度測(cè)量通道的插孔處進(jìn)行測(cè)量，在運(yùn)行期間，中子溫度測(cè)量通道的安裝位置在反應(yīng)堆壓力頂蓋下，且電纜已連接，無法直接進(jìn)行測(cè)量，則需通過軟件測(cè)量的方式進(jìn)行，所以在不同的階段，采用的測(cè)量方式是不同的，根據(jù)田灣核電站的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，自給能探測(cè)器的絕緣性能測(cè)量主要在以下幾個(gè)階段進(jìn)行：

3.1 入廠檢查及定期檢查中對(duì)自給能探測(cè)器絕緣性能的測(cè)量

按照要求，新采購的中子溫度測(cè)量通道需在接收后一個(gè)月以內(nèi)進(jìn)行檢查，庫存的備件需要在每年檢查一次，在此期間需進(jìn)行自給能探測(cè)器的絕緣性能檢查，其外觀如圖所示：

圖中所示是配合長(zhǎng)周期換料所更換的新型中子溫度測(cè)量通道，可以看出，其接頭部分（左為電纜接頭，右為中子溫度測(cè)量通道接頭）較小，直徑僅為23.8mm，其中的14個(gè)插孔為信號(hào)線和本底線插孔，如果用高阻表直接進(jìn)行測(cè)量，難度較大，因此在田灣核電站的實(shí)際運(yùn)用中，是采用專用插線板與中子溫度測(cè)量通道連接，再用高阻表進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，需在溫度15～35℃，相對(duì)濕度不大于80%，超過30℃時(shí)，濕度不得超過70%的場(chǎng)所中開展，且中子溫度測(cè)量通道已在檢查場(chǎng)所放置逾24小時(shí)以上，在此情況下進(jìn)行測(cè)量，信號(hào)線和本底線的絕緣電阻應(yīng)不小于1GΩ，如果出現(xiàn)不符合測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的情況，則需進(jìn)行調(diào)換或者報(bào)廢，不能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行使用。

此方法也適用于機(jī)組大修或小修期間對(duì)應(yīng)時(shí)間窗口中測(cè)量疑似故障的自給能探測(cè)器，以確定其故障與否，便于后續(xù)對(duì)其更換維修等操作。

3.2 正常運(yùn)行期間的絕緣性能測(cè)量

在正常運(yùn)行期間，探測(cè)器已置于反應(yīng)堆中進(jìn)行測(cè)量，通過高阻表進(jìn)行測(cè)量的方式無法實(shí)現(xiàn)，因此在田灣核電站的實(shí)際運(yùn)用中，是采用軟件測(cè)量的方式進(jìn)行測(cè)量的，且集成有自給能探測(cè)器的中子溫度測(cè)量通道被分為4組保護(hù)通道，每一組皆參與到反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的4取2保護(hù)邏輯中，由于進(jìn)行測(cè)量時(shí)是需要對(duì)自給能探測(cè)器施加不超過110V的電壓進(jìn)行測(cè)量的，所以此項(xiàng)測(cè)量必須在退出單保護(hù)通道的情況下進(jìn)行，每次只能進(jìn)行一組保護(hù)通道的測(cè)量工作，否則會(huì)影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

田灣核電站堆內(nèi)核測(cè)系統(tǒng)對(duì)自給能探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量的軟件界面如下圖所示：

該界面被分為四行，每一行代表一組保護(hù)通道，進(jìn)行測(cè)量時(shí)，每次只能進(jìn)行一組保護(hù)通道，通過“Prot mode”來進(jìn)行該通道保護(hù)狀態(tài)的退出保護(hù)和投入保護(hù)狀態(tài)的控制，在該通道退出保護(hù)后，方可進(jìn)行絕緣性能測(cè)量，其測(cè)量過程分為四個(gè)步驟：信號(hào)線絕緣電阻測(cè)量、本底線絕緣電阻測(cè)量、本底線電流測(cè)量、置于信號(hào)測(cè)量模式。其中由于處在正常運(yùn)行階段，信號(hào)線和本底線的絕緣電阻應(yīng)不小于1MΩ，本底線的電流應(yīng)為負(fù)值，當(dāng)置于信號(hào)測(cè)量模式時(shí)，各探測(cè)器電流應(yīng)已處于正常測(cè)量狀態(tài)，電流值應(yīng)與測(cè)量前的數(shù)值無明顯差異。根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，雖然每個(gè)月需進(jìn)行一次絕緣性能測(cè)量，但每個(gè)通道的測(cè)量過程不得超過3min，否則會(huì)對(duì)探測(cè)器性能造成不利影響。

值得注意的是，進(jìn)行測(cè)量時(shí)由于是對(duì)其施加電壓，因此自給能探測(cè)器的中子通量監(jiān)測(cè)功能是無效的，在軟件中被設(shè)置為了不參與反應(yīng)堆計(jì)算，田灣核電站所有燃料組件的線功率密度均是由周圍4根中子溫度測(cè)量通道（不同保護(hù)通道）來進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算的，所以如果有一根退出計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果有可能受影響，此為在運(yùn)行期間執(zhí)行絕緣性能測(cè)量可能發(fā)生的情況，所以相關(guān)工作人員在進(jìn)行工作時(shí)需密切關(guān)注機(jī)組狀態(tài)，保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 故障情況下自給能探測(cè)器絕緣性能的測(cè)量

在正常運(yùn)行期間，自給能探測(cè)器信號(hào)波動(dòng)的情況時(shí)有發(fā)生，通常此類故障的排查按下圖進(jìn)行：

造成此類故障通常有三個(gè)原因：信號(hào)處理模件故障、機(jī)柜插頭松動(dòng)、自給能探測(cè)器本體絕緣性能下降。當(dāng)排除前兩種原因后，為了確定是否是自給能探測(cè)器本體絕緣性能下降，需進(jìn)行絕緣性能測(cè)量。

其測(cè)量的方式也是采用高阻表施加不超過110V的電壓的方式進(jìn)行測(cè)量，但測(cè)量的位置并非中子溫度測(cè)量通道的接頭處，而是在下層保護(hù)機(jī)柜的機(jī)柜插頭處進(jìn)行測(cè)量，且根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，在運(yùn)行期間的自給能探測(cè)器絕緣電阻的標(biāo)準(zhǔn)不同于非運(yùn)行期間，應(yīng)不小于1MΩ即可。

那么，經(jīng)過絕緣性能測(cè)量，如果自給能探測(cè)器確實(shí)存在故障，在正常運(yùn)行期間是無法進(jìn)行維修及更換的，目前田灣核電站采用的是在軟件中進(jìn)行計(jì)算屏蔽的方法，使故障自給能探測(cè)器不參與保護(hù)計(jì)算，在機(jī)組大修或小修時(shí)等待時(shí)間窗口進(jìn)行維修更換處理。

4 總結(jié)

田灣核電站作為國內(nèi)首家采用VVER機(jī)組運(yùn)行的核電站，其堆內(nèi)中子通量監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)于以后同類型以及其他類型機(jī)組有著良好的借鑒作用，同時(shí)對(duì)國內(nèi)自給能探測(cè)器的研發(fā)有著極好的參考價(jià)值，本文通過介紹田灣核電站自給能探測(cè)器絕緣性能測(cè)量的實(shí)際運(yùn)用，希望給予國內(nèi)各核電站及探測(cè)器研發(fā)提供良好的幫助。