核電廠核儀表系統信號異常原因分析及改進

李天友 田亞杰 任立永 劉光明

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

核儀表系統(RPN)采用分布于反應堆壓力容器外的一系列中子探測器來測量反應堆功率、功率變化率及軸向功率偏差等，是關系到反應堆安全的重要系統［1］。目前，法國大部分機組、國內在運在建機組、核電三代技術機組在核儀表系統源量程通道所使用的探測器為涂硼正比計數管。其信號屬于極微小信號，易受到干擾，而用于傳輸該信號的通道存在不同的薄弱環節，干擾源易通過這些薄弱環節使源量程信號異常。

對于源量程通道信號異常事例，國外鮮有報道。在國內某核電項目上，RPN 源量程出現了多頻次信號異常情況，對現場調試、機組商運工作帶來了極大干擾。而對于RPN 源量程信號的異常處理，國內外也無成熟處理經驗，所以對RPN 源量程信號異常的薄弱環節及預防措施進行系統性研究，具有現實性和必要性。

1 法規標準分析

根據IEC 61226“核電站重要安全性儀器儀表和控制功能分級”［2］要求，核儀表系統(RPN)需可靠穩定地執行其安全功能。

GB_13284“核電廠安全系統準則”［3］規定核電廠安全系統需要考慮電磁干擾對系統可能導致的運行異?；蛘邠p壞。GB_11684“核儀器電磁環境條件與試驗方法”［4］提到核電廠反應堆儀器具有顯著的電磁敏感性，具有長電纜、低信號水平和寬頻帶等特點，需結合安全性與可靠性的嚴格要求，謹慎對待電磁干擾效應。本文根據核儀器電磁環境條件與試驗方法的規定，以RPN 源量程信號異常事件為研究對象，通過開展現場實地測試，分析核電廠RPN 系統信號異常薄弱環節并制定改進措施。

2 源量程通道及信號異常

2.1 源量程通道

RPN 源量程測量通道由CPNB44 型涂硼正比計數管探測器、連接板、連接電纜及一個包含調理單元與處理單元的保護機柜組成，其測量信號送至反應堆保護機柜進行處理及參與保護。源量程通道組成及示意圖如圖1 所示。

圖1 RPN 源量程通道組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of the composition of RPN source range channels

2.2 信號異?，F象

在某核電項目上數次出現RPN 源量程信號異常現象，異常信號以閃發尖峰形式波動，最大閃發尖峰值達到1E+5 cps(表征計數率)之上。閃發以幾個小時一次頻率出現，部分異常事件導致反應堆跳堆。

3 信號傳輸分析

源量程通道由CPNB44 型探測器產生脈沖信號，信號經由一體化電纜、連接板、貫穿件及生物屏蔽電纜通路傳輸，進入RPN 保護機柜進行放大、甄別、數據處理等。

中子探測器有一個密封的包殼，探測器計數管內壁涂硼，管內充以氬氣和少量的二氧化碳，并外加高壓直流電(850 V)形成一個電場。每個中子與硼碰撞發生核反應，產生α 粒子和γ 射線。其中，α 粒子使計數管內的氬氣電離，產生正負離子。在外加電場作用下，離子分別向正、負電極運行，形成電脈沖。核反應方程式如下:

信號的處理由RPN 保護機柜完成，保護機柜包含調理單元與處理單元。調理單元執行功能包括提供探測器工作高壓，進行脈沖信號前置放大、后置放大、濾波、甄別，以消除γ 射線噪聲影響。處理單元實現計數率計算、計數率轉換為電流、對數放大、計算倍增周期和輸出模擬信號等功能。

從RPN 機柜進入RPS 機柜的信號，在RPS 內部將對數電流信號，反轉換為計數率信號，同時在RPS 機柜內部完成閾值比較，實現反應堆保護、記錄、指示及報警功能。

結合上述傳輸路徑，源量程信號通過探測器的生成、電纜通路傳輸、疊加干擾，進入RPN 機柜，在機柜中經前置放大、甄別放大和濾波整形，以對數電流形式進入RPS 機柜，在RPS 機柜中進行閾值比對、參與反應堆保護和觸發報警信號。RPN 信號傳輸波形如圖2 所示。

圖2 RPN 傳輸波形示意圖Fig.2 Schematic diagram of RPN transmission waveform

4 等效電路分析及理論干擾源

通過對源量程通道組成及信號傳輸的分析［5］，建立源量程通道等效電路圖，如圖3 所示。圖3 中，Id為探測器等效脈沖電流，Il、Rd分別對應泄漏電流、絕緣電阻，Ie對應電磁干擾等效電流源電流，Im、Rm分別對應測量電流、測量電阻，R1、R2、R3分別對應傳輸線路電阻，Cd、Cm分別對應探測器及傳輸線路分布電容、測試電路輸入電容，Ud為探測器高壓電壓源電壓。

圖3 探測器回路等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit of the detector loop

在CPNB44 正比計數管的陰極和陽極之間施加一個直流高壓源，當探測器穩態工作時，其測量電流為:

其中，Id受供電電壓、探測器靈敏度、中子通量密度影響。

其泄漏電流為:

由于Rd＞＞(R1+R2+R3+Rm)，泄漏電流的貢獻是小的，所以一般來說:

從以上理論分析和電路圖可以看出，影響RPN 測量電流的影響因素有:①探測器脈沖等效電流Id，與探測器本體的靈敏度、探測器高壓Ud、堆芯實際布置等有關;②探測器絕緣電阻Rd，由于源量程通道從探測器本體至機柜貫穿，并在機柜側進行統一接地，所以該絕緣電阻與探測器絕緣電阻、連接板、連接電纜、貫穿件及機柜絕緣電阻有關;③線路連接電阻R1、R2、R3，與連接板連接接頭、貫穿件接頭、機柜接頭的連接性能相關;④線路電磁環境影響等效電流Ie，電纜路徑上其他系統動力設備或者動力源，造成線纜傳輸中脈沖信號疊加干擾信號，使得測試失真。

以上影響因素可以分為三類干擾源:I 類，探測器性能，對應上述影響因素①;II 類:電阻變化，對應上述影響因素②、③;III 類，電磁干擾，對應上述影響因素④。

5 電磁干擾測試

5.1 測試方法

因外界電磁干擾對RPN 系統的影響主要表現為對RPN 系統兩條信號鏈路的干擾，所以RPN 系統的兩條信號鏈路將成為RPN 系統源量程EMC 測量的主要測量參考。RPN 系統外界電磁干擾的測量將主要沿兩條源量程通道電纜路徑展開。RPN 系統源量程信號鏈路沿線存在諸多電氣設備，如大型機柜、不間斷電源、空調、照明設備等。雖然這些設備均已經過EMC 鑒定，但局限于現場空間，設備臨近布置，是否會產生疊加電磁干擾尚不得而知，因此這些用電設備的周圍應該布置適當的監測點。

對空間電磁環境和用電設備產生的電磁騷擾，采用場強測量儀進行監測。對通過用電設備連接線纜向外輻射的電磁騷擾，采用電流探頭和頻譜分析儀進行測試。

5.2 測試結果及分析

現場基于RPN 源量程通道路徑上設備所處房間進行了全范圍測量，表1 給出了R450 測量數據示例。

表1 R450 測量數據表Tab.1 R450 measurement data

通過RPN 源量程通道的現場查勘和電磁環境檢測，初步得出以下結論。

①I 通道周邊用電設備電場發射強度高于II 通道用電設備。

②節能燈是機組內的一個主要電磁騷擾源，且相應的抑制措施不到位;此外，節能燈電磁發射在某些頻段超出GB 17743［6］要求。

③設備所承受的電磁干擾強度稍有不同，I 通道所受到電磁干擾強度比II 通道大。

④機組內的托盤、機柜、貫穿件等，存在接地與屏蔽問題。

6 薄弱環節分析及改進

6.1 薄弱環節分析

對于RPN 源量程通道來說，可能造成影響的I 類干擾源、II 類干擾源和III 類干擾源如下。

①I 類干擾源。

探測器014MA/024MA 本體性能下降，探測器014MA/024MA 靈敏度變化，探測器014MA/024MA 高壓品質影響，探測器014MA/024MA 容器布置位置變動，探測器安裝后核島濕度等影響。

②II 類干擾源。

探測器014MA/024MA 絕緣電阻性能，一體化電纜絕緣電阻性能，連接板090PJ/270PJ 連接絕緣性能，同軸電纜CZ24 和CP711 連接絕緣性能，貫穿件ZZZL514/ZZZL530 連 接 絕 緣 性 能，RPN001AR 和RPN002AR 連接絕緣性能，連接板090PJ/270PJ 接頭連接狀態，貫穿件ZZZL514/ZZZL530 接頭連接狀態，RPN001AR 和RPN002AR 接頭連接狀態，公母接頭的現場制作和現場環境影響。

③III 類干擾源。

環境電磁干擾效應，源量程電纜路徑通道周邊動力源;設備抗干擾能力及耦合路徑，一體化電纜、CZ24、CP711 電纜屏蔽性能;電纜托盤密封性能和屏蔽性;電纜托盤的接地;電氣及照明系統低壓電纜布置影響。

采用故障樹分析方法，針對上述薄弱環節和干擾源，建立RPN 源量程信號異常故障樹。通過對已發生事件分析、同類型因素對比分析和現場勘測數據比對等，排除故障樹無關枝節，得到源量程信號異常的技術原因故障樹。

6.2 技術原因

從組成系統的設備層面分析，導致信號異常的原因如圖4 所示，技術原因說明如下。

(1)探測器或連接頭故障。

(2)連接頭故障與周邊電磁環境不相適應，或者專用托盤設備不符合安裝要求，將導致RPN 承受較強的電磁干擾。

(3)連接頭降級至與運行環境的溫濕度不相適應。

圖4 信號異常薄弱環節故障樹Fig.4 Weak link fault tree of signal abnormality

6.3 改進

應嚴格按照質保大綱進行RPN 源量程設備的設計和制造，保證設備的質量;加強監造、驗收環節的控制，在驗收活動中增加RPN 抗電磁干擾能力測試。

應加強RPN 設備施工管理與控制，重點需滿足下述幾點:①核島內設備盡可能等待通風系統投入運行、廠房內溫濕度條件達到安裝要求后再進行安裝活動;②對于接頭的制造和連接等關鍵活動，應制定標準作業流程;③對于接頭的制作和連接等關鍵的安裝活動要保證由豐富經驗的人員執行，建議設置考核上崗機制;④注意保證按照環境條件，特別是I 通道，應保證安裝活動的溫濕度和有良好的照明。

7 結束語

本文基于IEC 61226 要求及GB 11684 電磁環境條件與試驗方法規定，通過分析源量程通道組成、信號異?，F象、信號傳輸線路及傳輸波形，建立源量程通道等效電路模型，對模型進行電路分析，得到源量程通道理論干擾源。結合理論分析結果和系統組成，建立RPN 源量程信號異常故障樹，通過排除故障樹無關枝節，得到源量程信號異常的薄弱環節及原因，并給出改進及應對措施。RPN 信號異常薄弱環節分析及改進成果已經應用于工程實際，本文研究成果對國內外同類事件的處理具有現實的指導意義。

［1］ 蘇林森，楊輝玉，王復生，等.900 MW 壓水堆核電站系統與設備［M］.北京:原子能出版社，2007:255 -266.

［2］ IEC 61226 Nuclear power plants - Instrumentation and control systems important to safety - Classification of instrumentation and control functions［S］.2009.

［3］ 國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 13284-1 -2008 核電廠安全系統第1 部分:設計準則［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［4］國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 11684 -2003 核儀器電磁環境條件與試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2003.

［5］ 李樹成，夏良通，湯仲鳴，等.銠自給能探測器電流信號計算方法及影響因素［J］. 核電子學與探測技術，2011，31(5):565 -567.

［6］國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 17743 -2007 核儀器電磁環境條件與試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2008.