啟動(dòng)儀表在重水堆核電站的應(yīng)用及改進(jìn)

仇庭盛

（中核核電運(yùn)行管理有限公司維修五處，浙江嘉興 314300）

0 引言

與壓水堆相比，重水堆有其自身的特點(diǎn)：在啟動(dòng)過(guò)程中主要靠自身產(chǎn)生的光激中子，完全靠U-238 的自發(fā)裂變產(chǎn)生中子，而不依靠外中子源。但在＜10-7FP 的低功率水平階段時(shí)，在反應(yīng)堆常設(shè)的堆內(nèi)通量探測(cè)器系統(tǒng)（可測(cè)范圍10-1～1.5FP）和電離室測(cè)量系統(tǒng)（可測(cè)功率水平10-7～1.5FP）都不可用的情況下，啟動(dòng)儀表系統(tǒng)（可測(cè)量功率水平范圍10-14～10-6FP）將投入使用，通過(guò)它及時(shí)、準(zhǔn)確地反映低功率水平下反應(yīng)堆的功率及變化趨勢(shì)，從而確保反應(yīng)堆處于安全、穩(wěn)定的可控狀態(tài)。

1 系統(tǒng)功能

啟動(dòng)儀表系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)10-14～10-6FP 范圍內(nèi)的反應(yīng)堆功率，在為主控室操作員提供可靠的反應(yīng)堆低功率指示的基礎(chǔ)上，其脫扣報(bào)警邏輯還分別連接至一號(hào)停堆系統(tǒng)的脫扣邏輯。當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)通道內(nèi)的失去計(jì)數(shù)率、探測(cè)器工作電壓異常、超高的中子計(jì)數(shù)率或中子計(jì)數(shù)率上升速率過(guò)快時(shí)，都將會(huì)觸發(fā)該通道脫扣，若出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上通道都將自動(dòng)觸發(fā)一號(hào)停堆系統(tǒng)從而使反應(yīng)堆進(jìn)入停堆狀態(tài)。其控制邏輯如圖1 所示。

圖1 啟動(dòng)儀表控制邏輯

2 啟動(dòng)儀表系統(tǒng)工作原理

啟動(dòng)儀表系統(tǒng)工作原理如圖2 所示：在主控機(jī)柜里的高壓電源通過(guò)轉(zhuǎn)接面板、貫穿件電纜和前置放大器將高壓加至現(xiàn)場(chǎng)的BF3 正比計(jì)數(shù)器（探頭）上，使探頭可以探測(cè)到反應(yīng)堆堆芯內(nèi)產(chǎn)生的中子，探頭通過(guò)前置放大器（前放）將中子信號(hào)進(jìn)行初步放大，以降低輸出信號(hào)在傳遞過(guò)程中所受噪聲和外界干擾的影響。此負(fù)脈沖信號(hào)再通過(guò)經(jīng)過(guò)電纜傳輸?shù)骄€性放大器（主放）的輸入端，經(jīng)過(guò)放大器進(jìn)行進(jìn)一步放大。經(jīng)過(guò)線性放大器放大了的信號(hào)再送至單道分析器進(jìn)行甄別，對(duì)滿足甄別域的脈沖信號(hào)整形輸出成為寬度為0.25 μs、幅度為5 V 的方波信號(hào)，此時(shí)該信號(hào)一路給線性/對(duì)數(shù)率表單元，另一路接入計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器，通過(guò)計(jì)數(shù)、取對(duì)數(shù)處理后再與高對(duì)數(shù)和高對(duì)數(shù)率進(jìn)行比較，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)。

圖2 啟動(dòng)儀表系統(tǒng)工作原理

3 啟動(dòng)儀表誤脫扣統(tǒng)計(jì)

歷次大修都由于啟動(dòng)儀表的原因造成了SDS#1 誤脫扣，最高時(shí)1 次大修就造成5 次以上誤脫扣，其中101、203、205 大修還造成了SDS#1 動(dòng)作，停堆棒插入堆芯。具體脫扣次數(shù)如圖3 所示。

圖3 啟動(dòng)儀表誤脫扣統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)由于啟動(dòng)儀表的原因造成的誤脫扣共42 次，其中由于信號(hào)干擾的原因?yàn)?6 次，占總的誤脫扣的85%，設(shè)備本身故障誤脫扣次數(shù)為5 次，占總的誤脫扣的10%，由于人員誤碰導(dǎo)致誤脫扣的次數(shù)為1 次，占5%，如圖4 所示。

圖4 啟動(dòng)儀表誤脫扣原因統(tǒng)計(jì)

4 啟動(dòng)儀表誤脫扣原因分析及改進(jìn)措施

根據(jù)統(tǒng)計(jì)啟動(dòng)儀表誤脫扣的原因集中在信號(hào)干擾、設(shè)備本身故障及人員誤碰上，下文主要對(duì)這3 種原因的產(chǎn)生進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果采取針對(duì)性的改進(jìn)。

4.1 重水堆機(jī)組啟動(dòng)儀表信號(hào)特點(diǎn)

重水堆機(jī)組啟動(dòng)儀表系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)10-14～10-6FP范圍內(nèi)的反應(yīng)堆功率,利用BF3 探測(cè)器探測(cè)反應(yīng)堆堆芯內(nèi)產(chǎn)生的中子并輸出正比于中子數(shù)的脈沖信號(hào)，通過(guò)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的前置放大器對(duì)脈沖信號(hào)放大并反向至0.35 V 的正脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)200 m 電纜傳輸至主控室，主控室設(shè)備再對(duì)此脈沖信號(hào)進(jìn)一步放大至8 V，放大過(guò)程中會(huì)對(duì)噪聲信號(hào)（如γ 噪聲）也進(jìn)行放大，所以設(shè)計(jì)了單道分析儀對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行甄別，單道分析器即微分甄別器，對(duì)滿足上閾及下閾的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)幅值的方波信號(hào)后輸出，然后經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)、取對(duì)數(shù)處理后再進(jìn)行高對(duì)數(shù)比較和高對(duì)數(shù)率比較，來(lái)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)。

4.2 重水堆機(jī)組啟動(dòng)儀表信號(hào)干擾分析

信號(hào)干擾一直是影響啟動(dòng)儀表正常功能的問(wèn)題，多次造成啟動(dòng)儀表的誤脫扣，具有過(guò)程短、時(shí)間不固定的特點(diǎn)，要徹底解決這個(gè)問(wèn)題，必須要分析信號(hào)干擾產(chǎn)生的來(lái)源和傳播途徑，只有屏蔽干擾源，切斷傳播途徑，或把干擾強(qiáng)度降到最低的限度內(nèi)，才能從根本上解決干擾問(wèn)題。

4.2.1 信號(hào)干擾的類型

啟動(dòng)儀表異常脫扣數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并分析，最高電壓6.48 V，根據(jù)轉(zhuǎn)換公式得出最高計(jì)數(shù)為19 000 CPS，持續(xù)時(shí)間50 ms 左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)時(shí)的脫扣設(shè)定值8000 CPS，可以判斷不是設(shè)備本身的故障，信號(hào)干擾是來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)，主要由干擾信號(hào)在信號(hào)線上感應(yīng)的共態(tài)（同方向）電壓迭加所形成。按照干擾產(chǎn)生的原因分類此干擾為放電干擾，按照干擾的長(zhǎng)短分類此干擾為偶發(fā)干擾。

4.2.2 重水堆機(jī)組啟動(dòng)儀表干擾信號(hào)來(lái)源檢查

（1）空間的輻射干擾?？臻g的輻射電磁場(chǎng)主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、雷電、無(wú)線電廣播、電視、雷達(dá)、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的，通常稱為輻射干擾。若系統(tǒng)置于所射頻場(chǎng)內(nèi)，就會(huì)受到輻射干擾，其影響主要通過(guò)兩條路徑：一是直接對(duì)控制系統(tǒng)內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；二是對(duì)控制系統(tǒng)通信內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線路的感應(yīng)引入干擾。

啟動(dòng)儀表系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)在10-14FP～10-6FP 范圍內(nèi)的反應(yīng)堆功率，在此功率下機(jī)組處于調(diào)試或者大修階段，反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)人員眾多，各種檢修工作錯(cuò)綜復(fù)雜，各種大電磁干擾的設(shè)備都在使用，極容易對(duì)啟動(dòng)儀表的弱電壓脈沖信號(hào)形成干擾。

（2）系統(tǒng)外引線的干擾。系統(tǒng)外引線干擾主要是通過(guò)電源和信號(hào)線引入，通常稱為傳導(dǎo)干擾。實(shí)踐證明，因電源引入的干擾造成控制系統(tǒng)故障的情況很多?？刂葡到y(tǒng)的正常供電電源容易受到電磁干擾而在線路上感應(yīng)電壓和電路，如：開(kāi)關(guān)操作、大型電力設(shè)備啟停、交直流傳動(dòng)裝置引起的諧波，都容易對(duì)電源造成干擾。啟動(dòng)儀表電源線在現(xiàn)場(chǎng)的每個(gè)通道的JB 箱內(nèi)都有獨(dú)立的電源隔離器，能夠有效的防止電源的引入干擾。

規(guī)范的接地是提高電子設(shè)備可靠性的有效手段之一。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾；不規(guī)范甚至錯(cuò)誤的接地，會(huì)引入嚴(yán)重的干擾信號(hào)，會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)無(wú)法正常工作。在對(duì)啟動(dòng)儀表的接地系統(tǒng)進(jìn)行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)儀表的盤(pán)柜為獨(dú)立的機(jī)柜沒(méi)有進(jìn)行接地，現(xiàn)場(chǎng)也沒(méi)有進(jìn)行接地，因此啟動(dòng)儀表的接地處于浮空狀態(tài)。

（3）通道間相互干擾檢查。啟動(dòng)儀表原設(shè)計(jì)中為了確保不同通道間的計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)同步，所有通道必須從屬于（Slave）一個(gè)主通道（Master），主通道輸出的控制信號(hào)來(lái)確保所有通道的工作是同步的，將3 個(gè)通道的計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器用信號(hào)線進(jìn)行了連接，所有通道的計(jì)時(shí)時(shí)間都是參照主通道的設(shè)定進(jìn)行并在同一時(shí)間開(kāi)始計(jì)時(shí)或復(fù)位。這樣的連接方式若單道道由于干擾信號(hào)的引入脫扣，極容易通過(guò)此信號(hào)線傳導(dǎo)至其他通道而導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)作。

4.3 重水堆機(jī)組啟動(dòng)儀表防信號(hào)干擾改進(jìn)措施

在對(duì)信號(hào)干擾的改進(jìn)上主要通過(guò)大修指令限制、規(guī)范接地系統(tǒng)、去除傳播途徑以及降低干擾強(qiáng)度入手，提高抗干擾能力抑制信號(hào)干擾，保證了啟動(dòng)儀表的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3.1 防空間干擾的改進(jìn)措施

為了防止強(qiáng)干擾設(shè)備在啟動(dòng)儀表投用期間造成干擾而導(dǎo)致啟動(dòng)儀表誤脫扣，在大修期間會(huì)發(fā)布大修管理指令，在啟動(dòng)儀表投用運(yùn)行期間嚴(yán)禁在反應(yīng)堆廠房（R-110/201//112/012 房間附近）、主控室和設(shè)備間使用強(qiáng)干擾設(shè)備，如：手機(jī)、對(duì)講機(jī)、電焊機(jī)、吸塵器、切割機(jī)、轉(zhuǎn)孔機(jī)等。

4.3.2 規(guī)范可靠、正確的屏蔽接地系統(tǒng)

統(tǒng)一采用在控制盤(pán)側(cè)電纜一端接地法，即在啟動(dòng)儀表盤(pán)柜進(jìn)行單端接地，接地及其余電纜都處于浮空狀態(tài)。原設(shè)計(jì)中信號(hào)線處于浮空狀態(tài)沒(méi)有可靠的接地，干擾信號(hào)無(wú)法得到釋放，在啟動(dòng)儀表盤(pán)柜連接了一根接地線至一號(hào)停堆盤(pán)柜的接地，保證了單點(diǎn)接地，提高了抗干擾能力。

4.3.3 保證通道的相互獨(dú)立

為了防止各通道之間相互干擾，在一個(gè)通道受到干擾時(shí)另一個(gè)通道也因這個(gè)干擾信號(hào)而誤動(dòng)導(dǎo)致SDS#1 動(dòng)作，去除了3個(gè)通道之間的連接，將每個(gè)通道的計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器都置于“Master”位置，獨(dú)立進(jìn)行計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)。

4.3.4 降低干擾強(qiáng)度的改進(jìn)

為了增強(qiáng)設(shè)備的抗干擾性能，將干擾強(qiáng)度降到最大可能低的限度內(nèi)，在主控室和現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)線、高壓線、電源線上增加抗干擾磁環(huán)（圖5）。抗干擾磁環(huán)又稱鐵氧體磁環(huán)，簡(jiǎn)稱磁環(huán)，它是電子電路中常用的抗干擾元件，主要用于抑制線纜上的傳導(dǎo)干擾，對(duì)于干擾信號(hào)有很好的抑制作用。根據(jù)信號(hào)線的頻率可分為使用鎳鋅抗干擾磁環(huán)和錳鋅抗干擾磁環(huán)，一般抑制高頻干擾選用鎳鋅抗干擾磁環(huán)，低頻干擾選擇錳鋅磁環(huán)?，F(xiàn)場(chǎng)使用中在同一束電纜上同時(shí)使用了兩種抗干擾磁環(huán)來(lái)應(yīng)對(duì)干擾。

圖5 磁環(huán)安裝位置示意

4.4 重水堆機(jī)組啟動(dòng)儀表設(shè)備故障的分析及解決

設(shè)備本身故障主要是前置放大器的電源接頭不牢固容易脫落導(dǎo)致誤脫扣，以及主放設(shè)置的放大倍數(shù)過(guò)大導(dǎo)致將干擾信號(hào)也進(jìn)行了放大引起的啟動(dòng)儀表誤脫扣。

4.4.1 前置放大器接頭改進(jìn)

2011 年6 月11 日，205 大修后啟動(dòng)過(guò)程中，為保持對(duì)堆功率的持續(xù)監(jiān)測(cè)，需要及時(shí)執(zhí)行1 號(hào)停堆系統(tǒng)啟動(dòng)儀表探頭的重新定位工作。在D 通道處于脫扣狀態(tài)時(shí)向外拉動(dòng)D 通道啟動(dòng)儀表探頭的過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)工作人員觸碰了F 通道電源線，引起接頭松動(dòng)，最終導(dǎo)致F 通道意外脫扣，1 號(hào)停堆系統(tǒng)動(dòng)作停堆棒落入堆芯。檢查發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)前置放大器電源線的連接采用的是RS232 接頭（圖6），并用卡簧加固，這種連接方式難以克服接頭自身較重、接觸面不夠深的問(wèn)題，從而造成電源線容易接觸不良，尤其在卡簧略有松動(dòng)時(shí)更容易接觸不良。后續(xù)進(jìn)行了改進(jìn)，更換成M2×30 的螺桿（圖7），用兩根（上下各一）30 mm 的螺桿將兩部分固定在一起各用兩個(gè)螺絲固定，起到了良好固定的作用。

圖6 接頭改進(jìn)前

圖7 接頭改進(jìn)后

4.4.2 主放設(shè)置方法的改進(jìn)措施

主放的功能是前置放大器放大輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大，調(diào)試階段根據(jù)運(yùn)行規(guī)程是將主放的粗調(diào)增益設(shè)為16、微調(diào)增益設(shè)為2.2。檢查發(fā)現(xiàn)這樣設(shè)置實(shí)際信號(hào)達(dá)到10 V 以上幅值，將干擾信號(hào)也放大至高于單道分析儀的幀別器門(mén)檻（3 V），從而使干擾信號(hào)引入。目前將主放的粗調(diào)增益設(shè)為8、微調(diào)增益設(shè)為4.5，主放的輸出為8 V的中子脈沖，既保證正常信號(hào)能夠準(zhǔn)確記錄，又能保證將干擾信號(hào)有效的過(guò)濾。

4.5 重水堆機(jī)組啟動(dòng)儀表防人因改進(jìn)措施

為了防止現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行探頭重新定位工作時(shí)，工作人員誤碰其他通道設(shè)備，編制了啟動(dòng)儀表探頭定位演練方案，并規(guī)定在作業(yè)前演練的要求。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)前置放大器的放置位置進(jìn)行了調(diào)整，將前置放大器放置在電離室孔道的外側(cè)，容易誤碰的接線放置在墻壁側(cè)，使工作人員對(duì)探頭進(jìn)行重新定位時(shí)無(wú)法接觸到前置放大器的接線。另外每個(gè)通道上的電離室孔道上都進(jìn)行了標(biāo)識(shí)，防止人員走錯(cuò)間隔。

5 啟動(dòng)儀表的改進(jìn)效果

通過(guò)不斷的數(shù)據(jù)積累和分析，對(duì)啟動(dòng)儀表從信號(hào)干擾、設(shè)備原因、防人因上進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)措施后，107 大修中沒(méi)有發(fā)生誤脫扣故障，啟動(dòng)儀表運(yùn)行穩(wěn)定。

5.1 防信號(hào)干擾改進(jìn)效果

針對(duì)啟動(dòng)儀表空間干擾實(shí)施大修管理指令后，在大修期間未發(fā)生因手機(jī)、對(duì)講機(jī)、電焊機(jī)等強(qiáng)干擾設(shè)備使用引起的誤脫扣事件。

采取防止通道間相互影響的改線措施后，未發(fā)生兩個(gè)通道同時(shí)由于干擾信號(hào)而引起誤脫扣事件。

增加抗干擾的磁環(huán)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行了比對(duì)，D、E 兩個(gè)通道主控室和現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)線、高壓線、電源線上都增加了抗干擾磁環(huán)，而F 通道沒(méi)有加抗干擾磁環(huán)，效果很明顯，D、E 兩個(gè)通道信號(hào)穩(wěn)定，F(xiàn) 通道信號(hào)會(huì)出現(xiàn)毛刺。

5.2 設(shè)備原因改進(jìn)效果

前置放大器接頭采用螺桿的緊固方式后，該電源線十分牢靠，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)即使人為的進(jìn)行拉拽等動(dòng)作也不會(huì)造成前置放大器瞬時(shí)失電，不會(huì)再發(fā)生因接頭松動(dòng)導(dǎo)致的誤脫扣事件。

調(diào)試階段由于主放的放大倍數(shù)過(guò)大導(dǎo)致各種干擾信號(hào)引入，啟動(dòng)儀表誤脫扣頻繁，即使是主控室廣播系統(tǒng)呼叫時(shí)都會(huì)造成啟動(dòng)儀表脫扣。調(diào)整了主放的放大倍數(shù)后，啟動(dòng)儀表的誤脫扣次數(shù)明顯下降。

5.3 防人因改進(jìn)效果

啟動(dòng)儀表探頭重新定位工作前工作人員會(huì)進(jìn)行演練，熟悉工作流程，了解工作中的風(fēng)險(xiǎn)及注意事項(xiàng)，實(shí)際工作時(shí)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)識(shí)明顯清晰，能夠更好地定位設(shè)備，更加高效地完成重新定位工作，減少了一號(hào)停堆系統(tǒng)單通道脫扣的時(shí)間，減少人員受到輻射劑量。

6 后續(xù)改進(jìn)

107 大修中未發(fā)生誤脫扣的故障，但是根據(jù)記錄監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)顯示，低功率800 CPS 左右時(shí)仍極容易受到干擾信號(hào)的影響，信號(hào)強(qiáng)度已經(jīng)超過(guò)了報(bào)警模塊的高計(jì)數(shù)脫扣值2400 CPS，由于信號(hào)持續(xù)時(shí)間較短在4 ms 以內(nèi)，小于報(bào)警模塊的響應(yīng)時(shí)間20 ms，所以未造成啟動(dòng)儀表脫扣。

后續(xù)將會(huì)針對(duì)這些干擾信號(hào)使用多道分析儀測(cè)量信號(hào)的脈沖幅度范圍，準(zhǔn)確定位干擾信號(hào)的幅值范圍及頻率。目前現(xiàn)場(chǎng)單道分析儀的設(shè)置是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)將LOW LEVEL 設(shè)置為2 V,WINWOW 設(shè)置為8 V，具體是否能將所有噪聲信號(hào)屏蔽無(wú)法驗(yàn)證。引用多道分析儀對(duì)探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行分析，可以把整個(gè)脈沖幅度范圍劃分成若干個(gè)相等的區(qū)間，一次測(cè)量就可以得到輸入脈沖的幅度分布譜。根據(jù)脈沖的幅度分布譜，就可以更加精確的設(shè)置主放的放大倍數(shù)，優(yōu)化單道分析儀的閾值，根據(jù)分布譜可以得到干擾信號(hào)到底是低頻干擾還是高頻干擾，可以更加合理地使用抗干擾磁環(huán)，從而達(dá)到徹底消除干擾的目的。

7 結(jié)束語(yǔ)

重水堆具有不停堆換料的特點(diǎn)，因此即使在停堆大修期間燃料棒仍處于堆芯中，啟動(dòng)儀表裝置能夠與重水反應(yīng)堆自身的設(shè)計(jì)相配，并能很好地滿足反應(yīng)堆控制和保護(hù)的需要。但在計(jì)數(shù)率低的情況下，自身抗干擾的能力較差，需要通過(guò)不斷改進(jìn)徹底的消除干擾信號(hào)，使啟動(dòng)儀表能夠安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。