核儀表系統源量程閃發計數原因探析

陳邦續，劉桓宇，刁建洲，陳臻

（中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳 518124）

1 引言

源量程是核儀表系統（RPN）三個測量量程之一，其主要作用是在停堆狀態和初始起堆狀態監測反應堆內中子計數率變化情況，源量程能夠測量的功率范圍為1～107CPS,源量程的穩定運行是反應堆次臨界狀態監視的重要保證。但是源量程傳輸的脈沖信號極其微弱，易被外界環境干擾產生信號波動。

陽江核電1號機組處于反應堆完全卸料模式,源量程連續多次閃發計數，閃發計數率在5～20CPS，每次閃發持續5～7S。本文基于陽江1號機發現的完全卸料模式下源量程閃發計數的問題和排查過程，對檢查過程中發現的異常狀況進行分析，探析源量程閃發計數的原因和機理[1]。

2 源量程閃發計數現狀

近年來中廣核各電站曾多次出現源量程閃發計數現象，統計數據如表1。源量程在啟停堆過程中對反應堆內中子計數率的變化情況起主要監測作用，若在此期間出現源量程閃發，影響源量程可用性判斷，嚴重制約機組狀態轉換，閃發計數問題找不到根本原因很難繼續進行反應性操作，因此分析確認源量程閃發的根本原因是各方關注的重點[2]。

表1 CGN各電站源量程閃發計數信息統計

3 RPN源量程組成和特點

RPN系統源量程通道的組成主要包括CPNB44涂硼正比計數管、連接盤、信號電纜，貫穿件、機柜側處理板件和指示ID表。根據源量程的探測原理，探測器測量中子脈沖信號，經過連接盤和島內信號電纜，再經貫穿件和島外信號電纜送至RPN機柜內源量程機架I.AIR板件進行預處理，然后將脈沖信號送至AIMP5進行信號甄別和調理，調理后的標準脈沖信號經ICTO板轉換成數字量信號送UC25處理，最后通過6S.ANA輸出4～20mA模擬量信號到RPS進行閾值比較和顯示,RPN測量通道如下圖所示：

圖1 RPN源量程測量通道組成

由于源量程傳輸的是CPNB44探測器輸出的微弱脈沖信號，所以很容易受到外界環境中電磁信號影響，而且源量程閃發計數問題大多難以定位到準確的干擾源。

4 源量程閃發計數可能原因分析

機組在源量程出現計數閃發后，現場檢查發現靠近源量程貫穿件的BOSS頭焊接現場使用了一種直流逆變焊機，源量程閃發計數的時間點和焊接工作時間點完全吻合，以及后續在相同地點模擬焊接后確認源量程閃發確為BOSS頭焊接引起。直流逆變焊機在工作過程中產生了強干擾信號，并通過接地線引入到源量程電纜托盤和貫穿件，干擾信號以電容耦合的方式耦合到信號線中，形成干擾脈沖信號[3]。

4.1 直流逆變焊機介紹

逆變式直流焊機的工作過程，是將50Hz工頻交流整流、濾波后得到一個較平滑的直流電，由IGBT或場效應管組成的逆變電路將該直流電變為15～100kHz的交流電，經中頻主變壓器降壓后，再次整流濾波獲得平穩的直流輸出焊接電流（或再次逆變輸出所需頻率的交流電）。逆變焊割設備的控制電路由給定電路和驅動電路等組成，通過對電壓、電流信號的回饋進行處理，實現整機循環控制，采用脈寬調制PWM制技術，輸出高頻脈沖電流，從而獲得快速脈寬調制的恒流特性和優異的焊割工藝效果。

4.2 電容性耦合型干擾信號傳播

當相鄰兩個電路中的導體之間有一定的電勢差且兩導體距離足夠近時，一個電路的電場會對另一個電路的導體產生感應，兩者相互作用，相互影響，這種耦合方式成為電容性耦合，下圖2為電容性耦合示意圖：

圖2 兩導體之間的電容性耦合實際電路圖和等效電路圖

圖2中加在導體1上的電壓U1是干擾源，導體2為被干擾電路。顯然被干擾電路由于電容性耦合的存在，在導體2對地之間產生了噪聲電壓，這個噪聲電壓UN可以表示成如下公式：

4.3 高頻干擾導致閃發計數的仿真分析

由于脈沖焊機內高頻脈沖可以等效成直流方波信號，而直流方波信號可以用傅里葉變換分解成正弦波和各次諧波的疊加形式，其中蘊含大量交流分量。

對周期為T0的矩形信號串進行傅里葉級數展開，并繪制其和各次諧波的疊加輸出波形并進行分析。

那么周期為T0的矩形信號可以表示為：

周期信號的三角函數形式的傅里葉展開為

假設焊機內電流信號為T1=T0/2=2的方波信號，使用matlab繪制該方波信號的奇次諧波并進行疊加處理觀察諧波信號交流分量的變化情況如下：

圖3 方波信號與高次諧波仿真波形

圖4 耦合輸出干擾波形

通過對方波信諧波疊加的波形可以看出，高次諧波信號就可以輕易通過電容耦合到導體2中，再觀察導體2中形成的感應信號，為高頻脈沖信號，與源量程探頭輸出脈沖信號相似，從而被RPN處理板件采集輸出導致源量程信號閃發。

5 結論

經過對完全卸料模式下源量程閃發計數原因的理論分析和仿真研究，可以看出高頻干擾信號很容易通過電容耦合的方式傳播到RPN等易受干擾設備上，最終形成干擾信號。同時，由于干擾信號和RPN源量程探頭輸出信號具有相同的特征，所以干擾信號被采集，導致源量程信號閃發。該問題的研究對以后分析RPN系統抗電磁干擾薄弱環節和改進設備增加設備穩定性具有工程實際意義。