分體裝配式自給能傳感器絕緣電阻影響因素分析

谷中鑫，胡潤勇，尹小龍，王廣金，張敬祎，劉伯宇

分體裝配式自給能傳感器絕緣電阻影響因素分析

谷中鑫，胡潤勇，尹小龍，王廣金，張敬祎，劉伯宇

（中國核動力研究設(shè)計院第二研究所，四川 成都 610041）

為了比較分體裝配式自給能傳感器各參數(shù)對絕緣電阻的影響，以及進一步為了解決從傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計方面提高絕緣電阻的問題。本文將根據(jù)分體裝配式自給能傳感器結(jié)構(gòu)特點，建立探頭絕緣電阻、引線絕緣電阻以及整體絕緣電阻的計算模型。研究分析傳感器探頭內(nèi)材料電阻率、發(fā)射體與絕緣殼體配合間隙、發(fā)射體偏心、發(fā)射體與芯線連接段長度以及引線電纜長度對絕緣電阻的影響。通過理論分析和計算，傳感器引線電纜長度是影響整體絕緣電阻的關(guān)鍵因素，發(fā)射體偏心和配合間隙對整體絕緣電阻的影響可以忽略不計，尤其對于引線長度10 m以上的傳感器。本文對自給能傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有參考價值。

分體裝配式；絕緣電阻；配合間隙；偏心；連接段；引線電纜

中子通量是反應(yīng)堆重要的物理參數(shù)，在反應(yīng)堆運行中，需要對中子通量進行連續(xù)、精確的測量。與其他堆芯中子通量測量方式相比，自給能探測器具有無需外部電源供電、結(jié)構(gòu)簡單、體積小便于安裝的特點[1-2]。目前的三代核電廠堆芯測量系統(tǒng)普遍采用自給能探測器。自給能傳感器是自給能探測器中的核心部件，絕緣電阻是自給能傳感器的關(guān)鍵參數(shù)，絕緣電阻將直接對信號的測量產(chǎn)生重要影響。相比于一體成型傳感器，

分體裝配式自給能傳感器探頭具有部件多的特點，傳感器設(shè)計時需要考慮各因素對其絕緣電阻的影響，因此分體裝配式自給能傳感器絕緣電阻設(shè)計不能完全照用一體成型傳感器。為了比較傳感器各參數(shù)對絕緣電阻的影響及解決從傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計方面提高絕緣電阻的問題，本文將開展分體裝配式自給能傳感器絕緣電阻影響因素分析。

1　傳感器結(jié)構(gòu)

自給能傳感器由電流輸出端、密封套、引線電纜和傳感器探頭等4個部分組成，傳感器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示。引線電纜包括引線外殼、補償芯線、信號芯線和引線絕緣，如圖2（a）所示。傳感器探頭包括收集極、密封端塞、發(fā)射體、絕緣殼體和內(nèi)部氣體介質(zhì)，如圖2（b）所示。引線電纜與傳感器探頭的連接、收集極與密封端塞的連接以及信號芯線與發(fā)射體的連接均通過焊接實現(xiàn)。絕緣殼體為中子截面小、耐輻照、耐高溫的高絕緣材料，其既要保證發(fā)射體和收集極之間具有一定的絕緣性，又要保證從發(fā)射體發(fā)射出來的絕大多數(shù)電子能夠到達收集極。收集極需中子截面小、耐輻照、機械強度高且高溫形變小，采用銦科鎳。補償芯線用于補償反應(yīng)堆中各輻射與傳感器信號芯線相互作用產(chǎn)生的芯線電流。

圖1　分體裝配式自給能傳感器結(jié)構(gòu)

1—電流輸出端；2—密封套；3—引線電纜；4—引線外殼；5—補償芯線；6—引線絕緣；7—信號芯線；8—絕緣殼體；9—發(fā)射體；10—收集極；11—密封端塞；12—焊縫；13—焊縫

圖2　傳感器截面

圖3　自給能中子傳感器等效電路圖

傳感器等效電路如圖 3 所示，計算漏電流（JY）和測量儀器電流（CL）如公式（1）～公式（2），測量電流CL與0呈現(xiàn)線性關(guān)系，當(dāng)保證絕緣電阻JY＞＞（CL+IIC）條件時，漏電流的貢獻不大。

式中：0——發(fā)射體產(chǎn)生帶電粒子形成的電流；

YC——信號芯線產(chǎn)生的電流；

JY——漏電流；

CL——測量儀器的測得電流；

JY——自給能傳感器的絕緣電阻；

ΠC——從傳感器至測量儀器連接線的電阻；

CL——測量儀器的輸入電阻。

表1　分體裝配式自給能傳感器主要尺寸參數(shù)

2　絕緣電阻模型

絕緣電阻由絕緣材料的電阻率和電纜的結(jié)構(gòu)尺寸所確定。計算絕緣電阻時采用直接積分法，將絕緣材料的整個電介質(zhì)分為無數(shù)個微小電阻，總電阻是這些微電阻串、并聯(lián)的結(jié)果。根據(jù)電阻定律，絕緣電阻與沿漏電流方向電介質(zhì)材料的長度d成正比，與垂直于漏電流方向電介質(zhì)材料的橫截面積成反比，與材料的電阻率ν成正比。因此，對于給定的絕緣材料，絕緣電阻可以根據(jù)公式（3）直接計算[3]。分體裝配式自給能傳感器整個傳感器的絕緣電阻由傳感器探頭絕緣電阻和引線絕緣電阻兩部分形成。

2.1　探頭絕緣電阻

傳感器探頭結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，如圖1所示，包括發(fā)射體、絕緣殼體、發(fā)射體與信號芯線之間的連接段，發(fā)射體與絕緣殼體之間為氣體介質(zhì)。絕緣殼體與收集極之間為緊配合，忽略絕緣殼體偏心以及絕緣殼體與收集極間的間隙。整個探頭部分的絕緣電阻由以下兩大部分絕緣電阻并聯(lián)形成：

（1）發(fā)射體部分，其絕緣電阻包括發(fā)射體與絕緣殼體之間的氣體和絕緣殼體；

（2）發(fā)射體—信號芯線連接段部分，其絕緣電阻包括連接段與絕緣殼體之間的氣體介質(zhì)和絕緣殼體。

2.1.1發(fā)射體部分

發(fā)射體部分的絕緣電阻由發(fā)射體與絕緣殼體之間的氣體和絕緣殼體兩部分的絕緣電阻串聯(lián)組成。發(fā)射體部分的絕緣電阻計算模型如圖 4 所示，絕緣殼體與收集極為同軸布置，發(fā)射體與絕緣殼體之間的偏心距為Δ。

根據(jù)公式（3），對于發(fā)射體與絕緣殼體之間的第Ⅰ氣體區(qū)域，即對應(yīng)圖4中的間隙，張角d夾角形成的絕緣電阻d1可以由公式（4）計算。對于發(fā)射體與絕緣殼體之間形成的第Ⅱ區(qū)域，即對應(yīng)圖4中的絕緣殼體和間隙，張角d夾角形成的絕緣殼體的絕緣電阻d2可以由公式（5）～公式（7）計算[4]。d1微元并聯(lián)形成絕緣電阻1，d2ρ2微元并聯(lián)形成絕緣電阻2ρ2，d1ρ2微元并聯(lián)形成絕緣電阻1ρ2，如公式（8）～公式（10）所示。進一步由余弦定理公式（11）～公式（12）化簡可以得到公式（13）～公式（15），2可以由公式（16）式計算。

圖4　發(fā)射體部分計算模型

式中：0——發(fā)射體半徑；

10——發(fā)射體中心O’到絕緣殼體內(nèi)壁之間的距離；

20——發(fā)射體中心O’到絕緣殼體外壁之間的距離；

1——發(fā)射體與絕緣殼體之間的氣體介質(zhì)電阻率；

2——絕緣殼體電阻率；

——發(fā)射體長度；

2ρ2——發(fā)射體與絕緣殼體之間介質(zhì)的電阻率2時，第Ⅱ區(qū)域的絕緣電阻；

1ρ2——發(fā)射體與絕緣殼體之間介質(zhì)的電阻率2時，第Ⅰ氣體區(qū)域的絕緣電阻；

11——收集中心到絕緣殼體內(nèi)壁之間的距離；

22——收集中心到絕緣殼體外壁之間的距離。

2.1.2連接段部分

發(fā)射體—信號芯線連接段部分在傳感器探頭內(nèi)為傾斜布置，整個連接段處于偏心狀態(tài)，連接段部分的絕緣電阻計算模型如圖5所示。整個連接段相對于收集極均處于偏心狀態(tài)，連接段上每個位置處的偏心距離均不同。結(jié)合實際情況和問題分析方便，連接段絕緣電阻的計算模型基于以下假設(shè)：

（1）連接段處于直線狀態(tài)；

（2）連接段的長度Δ不會隨著Δ改變而變化。

取連接段上某位置處的長度微元d，長度微元處的偏心半徑為x，則長度微元可以表示為公式（17）。同理根據(jù)公式（3）～公式（6），長度微元對應(yīng)的絕緣電阻d3、d4ρ2d3ρ2可以由公式（19）～公式（21）計算。x的變化范圍為［Δ，0.5（+）］，進一步可以得到公式（22）～公式（25）。

圖5　連接段部分計算模型

式中：——連接段與發(fā)射體端部平面的夾角；

30——x位置處芯線中心OX到絕緣殼體內(nèi)壁之間的距離；

33——收集中心O到絕緣殼體內(nèi)壁之間的距離；

40——x位置處芯線中心OX到絕緣殼體外壁之間的距離；

44——收集中心O到絕緣殼體外壁之間的距離。

2.2　引線絕緣電阻

傳感器引線電纜采用鎧裝結(jié)構(gòu)，包含兩芯、芯線與引線外殼之間填充絕緣介質(zhì)，如圖1和圖2（a）所示。根據(jù)標準GB/T 18404—2001鎧裝熱電偶電纜及鎧裝熱電偶和JB/T 5582—2014工業(yè)鎧裝熱電偶技術(shù)條件，本文的傳感器引線電纜結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)均能被很好滿足。對于單芯情況，絕緣電阻可以由公式（26）計算，對于均勻分布的芯引線，絕緣電阻可由公式（27）計算[5]。

2.3　整體絕緣電阻

分體裝配式自給能傳感器整個傳感器的絕緣電阻由傳感器探頭絕緣電阻和引線絕緣電阻兩部分并聯(lián)形成。傳感器探頭絕緣電阻（T）由發(fā)射體部分和連接段部分并聯(lián)形成，其中發(fā)射體部分由氣體介質(zhì)和絕緣殼體兩部分的絕緣電阻串聯(lián)形成，連接段部分也由氣體介質(zhì)和絕緣殼體兩部分的絕緣電阻串聯(lián)形成。根據(jù)公式（8）、公式（16）、公式（22）、公式（25）和公式（27），探頭絕緣電阻（T）可以由公式（28）計算、探測器整體絕緣電阻（all）可以由公式（29）計算。

3　絕緣電阻計算

根據(jù)前面的分析和推導(dǎo)，公式（13）～公式（15）為超越積分，公式（22）～公式（24）為二重超越積分。利用復(fù)化Simpson公式（30）～公式（31）近似求解[6]-[7]，將積分區(qū)間［，］劃分為2等分，步長=（-）/，分點x=+（=0，1，…，）。一重超越積分用一次復(fù)化Simpson求解，二重超越積分用二次復(fù)化Simpson求解。分體裝配式自給能傳感器絕緣電阻不僅與材料特性相關(guān)，還與結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。下面將計算材料電阻率、發(fā)射體與絕緣殼體配合間隙、發(fā)射體與芯線連接段長度、發(fā)射體偏心以及引線電纜長度對傳感器絕緣電阻的影響。

3.1　材料電阻率影響

傳感器探頭部分與絕緣電阻相關(guān)的材料包括由發(fā)射體與絕緣殼體之間的氣體介質(zhì)和絕緣殼體介質(zhì)兩種。不同氣體介質(zhì)和絕緣殼體介質(zhì)材料參數(shù)如表2所示，氣體介質(zhì)為干燥空氣，絕緣殼體材質(zhì)包括氧化鋁和石英玻璃。根據(jù)表 1 中的結(jié)構(gòu)參數(shù)，傳感器其他參數(shù)保持不變，介質(zhì)不同配合情況下對應(yīng)的絕緣電阻計算如表 3所示。

表2　材料參數(shù)

表3　不同材料組合的絕緣電阻

3.2　配合間隙的影響

發(fā)射體與絕緣殼體配合間隙需要確保發(fā)射體能夠正常放入絕緣殼體內(nèi)，同時發(fā)射體不能與收集極接觸，因此發(fā)射體外徑與絕緣殼體內(nèi)徑需配合。為了保證傳感器的靈敏度要求，發(fā)射體的外徑不能過小。絕緣介質(zhì)采用干燥空氣-石英玻璃組合，考慮發(fā)射體與絕緣殼體緊貼的極端情況：絕緣殼體外徑不變；絕緣殼體壁厚0.25 mm；假設(shè)發(fā)射體與絕緣殼體為緊配合，即間隙取0 mm；發(fā)射體直徑0.70 mm。根據(jù)表1的結(jié)構(gòu)參數(shù)，絕緣電阻計算如表4所示。

表4　配合間隙對應(yīng)的絕緣電阻

3.3　發(fā)射體偏心影響

根據(jù)表1給出的結(jié)構(gòu)參數(shù)，發(fā)射體與絕緣殼體間隙為0.1 mm，因此發(fā)射體的偏心距離Δ范圍為0-0.1 mm。絕緣介質(zhì)采用干燥空氣-石英玻璃組合，發(fā)射體偏心步長為0.01 mm，不同偏心距離時的絕緣電阻計算如表5。

表5　不同發(fā)射體偏心的絕緣電阻

3.4　連接段長度影響

根據(jù)表1給出的結(jié)構(gòu)參數(shù)，發(fā)射體-信號芯線連接段部分長度Δ為6.5 mm。連接段的長度需要確保發(fā)射體與信號芯線之間的連接可靠，保持傳感器其他參數(shù)不變，絕緣介質(zhì)采用干燥空氣-石英玻璃組合，Δ范圍為4.0～9.0 mm時，步長0.5 mm，傳感器的絕緣電阻計算如表6。

表6　不同連接段長度的絕緣電阻

3.5　引線長度的影響

根據(jù)表1給出的結(jié)構(gòu)參數(shù)，保持傳感器其他參數(shù)不變，絕緣介質(zhì)采用干燥空氣—石英玻璃組合，表7給出了不同引線電纜長度對應(yīng)的絕緣電阻計算。

表7　不同引線電纜長度的絕緣電阻

4　結(jié)論

本文根據(jù)分體裝配式自給能傳感器的結(jié)構(gòu)特點，建立了傳感器探頭絕緣電阻計算模型和引線絕緣電阻計算模型，其中探頭絕緣電阻計算模型包括發(fā)射體段和連接段。分別計算分析了材料電阻率、配合間隙、發(fā)射體偏心、連接段長度和引線長度對絕緣電阻的影響。

（1）探頭絕緣電阻：傳感器探頭內(nèi)充有干燥空氣介質(zhì)并且其他參數(shù)不改變時，探頭部分的絕緣電阻值將大幅提高；發(fā)射體與絕緣殼體之間的間隙為0 mm配合的極端情況時，探頭絕緣電阻將減小1個數(shù)量級；保持其他參數(shù)不改變，隨著發(fā)射體偏心距離的增大，探頭絕緣電阻將減??；連接段長度對探頭絕緣電阻基本無影響。

（2）整體絕緣電阻：對整體10 m傳感器，探頭內(nèi)部各部件參數(shù)對傳感器絕緣電阻幾乎無影響，整體傳感器絕緣電阻與引線電纜長度成反比。

因此，確保傳感器探頭部分裝配方便可靠且發(fā)射體-收集極間不短路的前提下，分體裝配式自給能傳感器的探頭各參數(shù)對整體絕緣電阻幾乎無影響，從傳感器探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方面去提高整體絕緣電阻值無必要。引線電纜的絕緣電阻是影響整體傳感器絕緣電阻的關(guān)鍵因素，引線電纜長度是影響整體傳感器絕緣電阻的重要變量。進一步提高傳感器整體絕緣電阻可以從引線電纜制造工藝方面去優(yōu)化，確保壁厚、芯徑、間距等被滿足。

［1］ 張睿，曾力．銠自給能探測器的測量信號計算方法研究［J］．儀器儀表用戶，2018，25（1）：88-90.

［2］ 張洪．大亞灣核電站堆芯功率分布測量及其處理［J］．核科學(xué)與工程，1997，17（1）：1-11.

［3］ 蘇景順．計算絕緣電阻的幾種方法［J］．河北建筑工程學(xué)報，2012，30（3）：90-92.

［4］ 趙凱華，陳熙謀．電磁學(xué)［M］．北京：高等教育出版社，1995.

［5］ 徐巖．電纜的絕緣電阻計算方法［J］．電氣開關(guān)，2012，（6）：84-85.

［6］ 唐章發(fā)．辛普松定理及其應(yīng)用［J］．四川師院學(xué)報（自然科學(xué)版），1981，（4）：73-75.

The Influence Factor Analysis of Insulation Resistance for the Assembly Self-powered Neutron Detector

GU Zhongxin，HU Runyong，YIN Xiaolong，WANG Guangjin，ZHANG Jingyi，LIU Boyu

（Reactor Engineering Research Division，Nuclear Power Institute of China，Chengdu of Sichuan Prov. 610213，China）

To compare the influence of each parameter on insulation resistance of the assembly self-powered neutron detector and to further solve the problem of improving installation from the aspect of structure design, insulation resistance models of the detector probe part, leader cable part and whole detector were established in this paper based on the structure characteristics of the assembly self-powered neutron detector. Influence of material resistivity, tolerance clearance between the emitter and the insulation shell, emitter eccentricity, connection length between emitter and signal conductor, and leader cable length on insulation resistance value was studied and analyzed. Through theoretical calculation, the influence of emitter eccentricity and tolerance clearance between the emitter and insulation shell on whole insulation resistance of the detector is negligible. The leader cable length of the detector is the critical factor for whole insulation resistance of the detector, especially for the self-powered neutron detector of which the leader cable length is more than 10 meters. This paper can provide reference for the structure design of self-powered neutron detector.

Assembly structure; Insulation resistance; Tolerance clearance; Eccentricity; Connection part; Leader cable

TM623

A

0258-0918（2021）06-1303-07

2020-07-10

谷中鑫（1990—），重慶人，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆儀控電氣設(shè)備研制方面研究