核儀表系統(tǒng)中間量程通道量程切換問題研究

肖 宇，汪 宇，趙云濤

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

核儀表系統(tǒng)(業(yè)內(nèi)簡稱“RPN”)作為重要的核電廠反應堆核功率的在線監(jiān)測系統(tǒng)[1]之一，直接與核安全相關(guān)。該系統(tǒng)由源量程、中間量程與功率量程組成。每個量程包括對應的探測器、電纜以及處理板卡。其中：源量程通道的覆蓋范圍為1～1.6×106cps，主要在反應堆停、啟堆以及換料狀態(tài)下使用；功率量程通道的覆蓋范圍為1×10-6～1×10-3A，主要在功率運行階段使用。中間量程被用于監(jiān)視反應堆堆芯在啟動后的注量率水平及倍增周期，其中子注量率范圍為1.35×102～1.35×1010n·cm-2·s-1，對應的電流信號為1×10-11～10×103A，包括了8個數(shù)量級。由于中間量程測量通道范圍較廣，系統(tǒng)設(shè)計為采用自動量程切換的方式，可以提高信號的精度。量程的切換根據(jù)電流信號的變化自動進行。該過程在測量通道的信號處理卡件內(nèi)完成，其電流信號通過對數(shù)運算后轉(zhuǎn)換成4～20 mA標準信號對外輸出。在此種技術(shù)方案中，若軟件相關(guān)參數(shù)設(shè)置不當，就會產(chǎn)生異常尖峰電流，甚至導致跳堆。

本文通過對核儀表系統(tǒng)內(nèi)部功能分析，介紹了異常出現(xiàn)后的故障定位，查找根本原因，最終提出解決方案，并完成向后續(xù)項目的反饋。

1 故障背景

2013年1月23日，某核電廠1號機組反應堆處于次臨界狀態(tài)，堆芯核功率緩慢下降，RPN中間量程所測量的電流值也在緩慢下降。一段時間后，反應堆跳堆，經(jīng)對歷史數(shù)據(jù)的整理，在事故后監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)中間量程通道RPN013MA閃發(fā)超過停堆閾值1×10-8A的異常高電流，電流值為2×10-5A，經(jīng)二取一邏輯后直接觸發(fā)跳堆。由于時間極短，操縱員終端系統(tǒng)未能采集到。

2 原因分析及排查

在本次事件中有3個疑似觸發(fā)跳堆信號故障點。

2.1 中間量程探測器及傳輸電纜部分

中間量程探測器使用補償電離室。該類型探測器的原理是10B(n，α)7Li核反應，產(chǎn)生的7Li和α粒子在探測器內(nèi)所充的氣體中運動，損耗能量產(chǎn)生電離形成正負離子對，在電場的作用下向兩極運動，形成正比于入射中子的電流信號并輸出，經(jīng)電纜傳輸至二次儀表[2]。在探測器失效以及信號電纜絕緣性能被破壞的情況下，有一定幾率會產(chǎn)生異常電流。通過在機柜側(cè)對探測器及電纜進行絕緣性、連續(xù)性及反射儀特性檢查，結(jié)果均正常。通過對探測器進行曲線繪制，其結(jié)果合格。因此，可排除該異常電流是由探測器及電纜部分異常所引起的可能性。

2.2 反應堆保護系統(tǒng)

在反應堆保護系統(tǒng)內(nèi)，由于卡件失效等原因，會造成系統(tǒng)內(nèi)部運算異常，使輸出異常。通過對歷史數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)，在中間量程尖峰電流觸發(fā)的同時，核儀表系統(tǒng)中間量程“低倍增周期”報警同時被觸發(fā)?？紤]到保護系統(tǒng)隔離加冗余設(shè)計特點和不同通道同時產(chǎn)生誤報警的概率較低，因此，初步判定該尖峰電流是由核儀表系統(tǒng)中間量程真實發(fā)出，可排除故障點不在系統(tǒng)內(nèi)。

2.3 RPN中間量程采集及處理部分

2.3.1 RPN中間量程工作原理

RPN中間量程設(shè)計的測量范圍對應的中子注量率是1.35×102～1.35×1010n·cm-2·s-1，對應的探測器輸出電流信號為10-11～10-3A，包括了8個數(shù)量級。為保證信號采集及處理的精度，系統(tǒng)采用了自動選擇量程的采集處理方案，將8個數(shù)量級的電流范圍分為7個量程，量程切換由系統(tǒng)軟件自動進行。探測器采集的信號，通過機柜內(nèi)ACCG4板件采集后，將微電流信號轉(zhuǎn)換為0～10 V電壓信號(模擬量)及1組5位編碼信號(開關(guān)量)，其中包括3位量程編碼、1位無效位信號、1位奇偶校驗位信號。模擬量與開關(guān)量信號分別被16EANA板件與32ETOR板件所采集，后送至UC25板件進行處理。量程對應編碼如表1所示。

表1 量程對應編碼

中間量程信號連接如圖1所示。

圖1 中間量程信號連接圖

圖1中，ACCG4板件用于微電流信號的調(diào)理和放大，16EANA板件用于模擬量采集，32ETOR板件用于開關(guān)量采集，UC25處理板件為RPN系統(tǒng)內(nèi)部信號處理板件，6SANA板件的功能為輸出隔離。

2.3.2 試驗模擬故障

通過對跳堆過程中的歷史數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，中間量程電流在10-7A緩慢下降至10-8A的過程中，當電流值約為8.5×10-8A時產(chǎn)生尖峰電流，位于量程4到量程3切換點(板件特性，電壓范圍為0.85～9.90 V)。通過在輸入端連接電流發(fā)生器模擬探測器信號，在輸出端連接高速記錄儀以記錄信號變化情況。量程切換試驗連接如圖2所示。

圖2 量程切換試驗連接示意圖

設(shè)置輸入電流在(0.8～1.05)×10-7A之間連續(xù)變化，模擬ACCG4板件各量程切換過程，包括量程4與量程3切換過程。通過高速記錄儀的錄波顯示，多次記錄尖峰電流，驗證了觸發(fā)本次跳堆的異常尖峰電流來自于RPN本體。

試驗模擬結(jié)果如下。①量程3與量程4切換，平均30～40次量程切換會記錄一次尖峰電流，觸發(fā)頻率較為固定。②不僅在量程3與量程4間切換會觸發(fā)尖峰電流，其余量程間切換同樣會觸發(fā)異常的尖峰電流，且各量程間切換觸發(fā)尖峰電流的概率大致相同。

當量程切換時，ACCG4板件會發(fā)出無效信號，使得系統(tǒng)在量程切換過程中保持上一個有效值，防止過程量被系統(tǒng)采集，造成系統(tǒng)誤判。直到無效信號消失后，系統(tǒng)開始采集最新的有效值。每個量程的編碼均由0、1來表征。0、1是由板件內(nèi)的繼電器的得/失電來體現(xiàn)的。繼電器的得/失電由繼電器內(nèi)銜鐵的吸和釋放來實現(xiàn)。由于繼電器內(nèi)的銜鐵吸合與釋放時間存在不一致的特性，吸合是一個充能過程，比釋放過程稍快。經(jīng)與RPN設(shè)備供應商確認，其使用在ACCG4板件內(nèi)的繼電器吸合與釋放時間存在極短的差別，約為30 μs，即開關(guān)量從0～1的轉(zhuǎn)換速度要快于1～0的轉(zhuǎn)換速度[3-4]。以量程3與量程4切換為例，量程3切換至量程4的量程編碼變化順序為011-111-100；量程4切換至量程3的量程編碼變化順序為100-111-011。

當UC25板件接收到無效位信號時，會暫停運算，保持上一個有效值進行輸出。為保證無效信號持續(xù)的時間能夠完整覆蓋整個量程切換過程，在UC25板件中針對每一個量程設(shè)置了附加延遲(additional delay,AD)參數(shù)。各量程AD參數(shù)如表2所示。

表2 各量程AD參數(shù)

從軟件設(shè)計原理上看，無效位信號的產(chǎn)生應與量程切換同時進行。ACCG4板件內(nèi)的邏輯量信號變化的不同步，可能造成無效信號的產(chǎn)生可能晚于量程切換開始。若此時過程量被UC25板件內(nèi)CPU所采集，則會出現(xiàn)錯誤的運算導致輸出結(jié)果錯誤，產(chǎn)生虛假的尖峰電流，從而引起中間量程相關(guān)報警及后續(xù)動作，例如倍增周期短報警、跳堆。

3 解決方案

根據(jù)上述試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析，明確了本次尖峰電流的產(chǎn)生是中間量程通道的UC25板件內(nèi)采集了未被無效信號閉鎖的量程編碼“111”這一中間變量，導致虛假信號的產(chǎn)生。因此，可通過修改軟件底層參數(shù)來避免類似的情況的再次發(fā)生，以實現(xiàn)對現(xiàn)場及設(shè)備影響的最小化。在模擬量程3與量程4切換的過程中，作為中間變量的量程7(編碼“111”)對應的AD參數(shù)為0，意味著只要量程切換到量程7，將無法避免該過程量被UC25板件所采集并參與后續(xù)計算，導致錯誤結(jié)果的產(chǎn)生及輸出。因ACCG4板件內(nèi)繼電器的吸合與釋放時間相差約為30 μs，因此增加一個大于30 μs的延遲，即可有效避免中間變量被采集?？紤]到UC25板件CPU掃描運算周期為10 ms，因此將量程7的AD時間調(diào)整為10 ms的整數(shù)倍，即可避免該情況的復現(xiàn)。同時，為保證數(shù)據(jù)的及時有效性，應選擇最短的AD時間，即10 ms。該修改方案得到了設(shè)備供應商的認可。修改后的各量程AD參數(shù)如表3所示。

表3 修改后的各量程AD參數(shù)

通過修改中間量程AD參數(shù)，在現(xiàn)場進行多次重復試驗，高速記錄儀均未采集到異常尖峰電流，使現(xiàn)場問題得以徹底解決。該解決方案不涉及設(shè)備硬件及軟件架構(gòu)的修改，僅需對底層軟件的部分參數(shù)進行優(yōu)化，實現(xiàn)了對系統(tǒng)狀態(tài)及機組進度影響的最小化。同時，該處理措施被反饋至全球多臺在建及在運核電機組，消除潛在風險。

4 實施應用

EPR機組中，RPN系統(tǒng)的中間量程通道量程設(shè)置及量程切換方式與CPR1000機組類似。在系統(tǒng)正式投運前，根據(jù)CPR1000機組經(jīng)驗反饋，對EPR機組RPN系統(tǒng)中間量程通道量程切換進行試驗，以防止共模故障的發(fā)生。

4.1 EPR機組RPN系統(tǒng)中間量程介紹

EPR機組中RPN系統(tǒng)的中間量程有4個通道，對應的跳堆保護信號為2/4邏輯。每一個中間量程通道測量范圍對應的中子注量率為25～2.5×109cm-2·s-1，相對應的電流信號為1.05×10-12～1.05×10-4A，跨越了8個數(shù)量級。為保證測量電流的精度，中間量程采用自動可變量程方式，將10-12～10-3分為10個量程。量程由卡件根據(jù)測量信號的大小自動選擇。在每個量程中，將對應的電流信號轉(zhuǎn)換為1個模擬量信號及一組5位的邏輯量信號送出。其中，模擬量為0～10 V電壓信號，邏輯量信號包括4個編碼位(BIT)信號及1個有效位信號。量程對應編碼如表4所示。

表4 量程對應編碼

4.2 EPR機組中間量程通道量程切換試驗

現(xiàn)場使用KEITHLY 6221電流源模擬探測器進行信號注入，通過多通道記錄儀采集機柜輸出信號，包括模擬量信號、有效位信號以及4位量程編碼位。反應堆保護系統(tǒng)邏輯量信號采集模塊的采集特性為:電壓范圍為13～33 V時，判定為高電平“1”；電壓范圍為-33～+7 V時，判定為低電平“0”。7～13V區(qū)間為回差范圍。從高電平向低電平切換時只有電壓降至7 V及以下，邏輯判斷才會翻轉(zhuǎn)(1變?yōu)?)；而從低電平向高電平切換時，則需電壓升至13 V及以上，邏輯判斷才會翻轉(zhuǎn)(0變?yōu)?)。根據(jù)此特性，后續(xù)分析開關(guān)量變化的參考點不是電壓起始變化點，而是7 V(下降沿時參考電壓值)與13 V(上升沿參考電壓值)。

4.2.1 上行量程切換試驗

更高效的試驗，需找到量程切換點的大致范圍，從而在切換點數(shù)值附近進行電流數(shù)值的調(diào)整。首先通過電流源尋找每個量程的切換點，量程編碼位從0001切換至0010時，切換點在9.6×10-12～9.7×10-12A之間。因此，設(shè)定初始值為9.6×10-12A，并使用記錄儀開始采集，將電流值增大至9.7×10-12A。量程切換0001-0010如圖3所示。

圖3 量程切換0001-0010示意圖

由此得出，上行時有效位與BIT位變化具有如下特性。

①下降沿變化快于上升沿。

②有效位下降沿出現(xiàn)稍快于編碼位的下降沿。編碼位從0001切換至0010時，中間會出現(xiàn)1.981 7 ms的0000錯誤碼，但有效位最早出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。因此，0000錯誤碼不被采集，量程切換正常。

4.2.2 模擬量變化與有效位信號變化對比

有效位翻轉(zhuǎn)比模擬量變化早了5.457 2 ms。當模擬量基本處于最低點時，表明此時已切換至新量程，而有效位信號仍持續(xù)了300 ms左右才恢復。

由此得出，上行時模擬量切換具有如下特性。①有效位信號變化快于中間量程模擬量的變化，在模擬量變化前信號已變?yōu)闊o效。因此，理論上不會出現(xiàn)尖峰電流。②有效位時間足夠長，不會在模擬量切換未結(jié)束時恢復閉鎖。

4.2.3 下行量程切換分析

以1001切換至1000為例，切換點位于5.4×10-5～5.3×10-5A之間。同樣采集模擬量、有效位信號、BIT1～BIT4信號。量程切換1001-1000如圖4所示。

由圖4可看出，有效位切換依然比BIT位切換要早140.8 μs。因此，在編碼位變化前，信號已被閉鎖。通過數(shù)據(jù)分析可知，模擬量比有效位變化早了3.574 6 ms。

圖4 量程切換1001-1000示意圖

在閉鎖前，模擬量最大值為4.639 V，是穩(wěn)定值(2.432 V)的1.907倍。因此，在此量程編碼切換點有概率出現(xiàn)最大為實際值1.907倍的擾動信號。本試驗參數(shù)均為人工選取及判定，非定量試驗，僅用作定性了解。

在EPR機組中，RPN無邏輯運算的功能，是在RPR中實現(xiàn)。RPR中CPU的掃描周期是25 ms。最終經(jīng)設(shè)計方確認，通過在RPR中RPN模擬量采集通道增加1個延遲模塊(25 ms)，解決了量程切換產(chǎn)生異常尖峰電流的問題。從反應堆起堆到滿功率運行期間，均未發(fā)現(xiàn)中間量程有異常尖峰電流的產(chǎn)生，證明該解決方案是成功的。

5 結(jié)論

通過對某核電廠1號機組發(fā)生的跳堆事件進行分析，確定RPN中間量程通道異常電流觸發(fā)的原因。通過故障模擬，提出了行之有效的解決方案，順利解決了這一重大異常現(xiàn)象，同時完成了向后續(xù)CPR及EPR機組的反饋，提前消除了潛在的跳堆風險，達到了提高機組安全運行水平的目的。