CANDU6重水堆啟動儀表系統故障分析及改進

徐清華，張振超，劉 錚，王曉峰

（中核核電運行管理有限公司 維修五處儀控科，浙江 海鹽 314300）

CANDU6型重水堆啟動儀表主要在停堆狀態下監測反應堆的功率，當反應堆功率低于2×10-7FP時投用啟動儀表，啟動儀表可測量的反應堆功率范圍為10-14FP～10-6FP。啟動儀表能夠及時準確地測量停堆下的反應堆功率水平及其變化趨勢，在反應堆功率異常上升時能夠及時動作一號停堆系統，將停堆棒快速插入反應堆中，在反應堆中引入負反應性，從而保證反應堆處于安全可控的狀態下。

1 啟動儀表的控制邏輯和工作原理

啟動儀表系統有3個通道組成，每個通道的脫扣報警邏輯分別與一號停堆系統的D、E、F通道的脫扣邏輯相連。當出現啟動儀表通道失效、探測器工作電壓異常、高對數計數或高對數率時，都將會觸發該通道脫扣，若出現兩個或兩個以上通道脫扣將自動觸發一號停堆系統動作，28根停堆棒插入堆芯。

啟動儀表系統在主控機柜里的高壓電源模塊，生成高壓并加至現場的BF3正比計數器上，使BF3正比計數器可以探測到反應堆堆芯內產生的中子，通過前置放大器將中子信號轉換為0.35V的負脈沖信號，此負脈沖信號經過200m電纜傳輸到位于主控室的主放大器的輸入端，經過主放大器后輸出7V～8V的脈沖信號，主放大器輸出信號再送至單道分析器。信號經過單道分析器內部整形輸出后成為寬度為0.25μS，幅度為5V的矩形波，此時該信號一路接入雙定時器/計數器。另一路給率表，然后通過計數、取對數處理后再與報警單元模塊的高對數計數和高對數率設定值進行比較，以實現對反應堆功率的實時監測和超功率保護。

2 啟動儀表的組成及功能特點

每個通道的啟動儀表由BF3正比計數器、前置放大器、CANBERRA 2015型帶SCA/甄別器的主放大器、CANBERRA 1776型雙定時器/計數器、TENNELEC TC593型率表、APTEC ACM-102型對數變化率和停堆觸發單元、CANBERRA 3002型高壓模塊、圖表記錄儀和示波器等組成[1]。

2.1 BF3正比計數器

BF3正比計數器是通過俘獲核子的過程來探測反應堆堆芯內產生的中子。中子俘獲產生的帶電粒子會在探測器氣體中運動生成電子軌跡，隨后電子軌跡被電子放大器識別為脈沖信號。由于脈沖信號的頻率正比于電子軌跡的生成的次數，而中子俘獲生成的電子軌跡的次數又同反應堆內產生的中子個數成正比，這樣放大器監測到的脈沖信號即同反應堆功率成正比，從而實現了探測反應堆功率的目的。

2.2 前置放大器

前置放大器的目的是將微弱的電子脈沖放大為較大的、低阻抗信號，以使其在系統中傳輸的更遠，BF3正比計數器的輸出信號在經過前置放大器放大后輸出的低阻抗信號可以沿著同軸電纜傳輸達300多米的距離。

2.3 放大器

放大器的功能是將前置放大器放大輸出的脈沖信號進行進一步放大，并通過調節前面板上的粗調增益和微調增益來將輸入幅值范圍是0～10V的信號整定到幅值約為8V的中子脈沖。

2.4 單道分析器

單道分析器是由甄別器和窗口組成的，其目的是將放大后幅值低于甄別器門檻的噪聲信號，如γ噪聲濾掉后將窗口范圍內的脈沖信號轉換成標準幅值的方波信號后輸出。在實際應用中，BF3正比計數檢測到的噪聲信號在經一系列放大處理后得到幅值低于2V的脈沖信號，BF3正比計數檢測到的中子在經一系列放大處理后得到幅值為8V的中子脈沖信號。啟動儀表系統甄別器的門檻設定為3V、窗口大小設定為7V，該單道分析儀檢測的是反應堆內的熱中子同硼10反應后得到的不同能量的電子經放大后得到3V～10V的中子脈沖信號，濾掉了γ噪聲等噪聲信號。每檢測到一個這樣的脈沖信號，單道分析儀就會輸出一個幅值為5V的標準方波分別送給率表和雙定時器/計數器。

2.5 率表

率表在接收到單道分析儀輸出的方波后產生一個即時的對應于脈沖頻率的模擬量顯示，同時輸出一個正比于脈沖頻率的、工作范圍為0～100mV的直流輸出。

啟動儀表選用的指示表有兩種顯示模式，線性顯示和對數顯示。為了避免在模式選擇的時候引起控制的混淆，所以在此系統中選用了兩塊指示表，一塊提供對數顯示并將輸出信號用于驅動脫扣報警控制模塊即參與系統控制功能的實現，另外一塊提供線性顯示并將輸出信號用于驅動圖表記錄儀來實現存檔和科學分析的需要。計數指示表提供不同的響應時間常數來展平指示和直流輸出，一個較長的響應時間常數的選擇會導致在輸入的變化和顯示以及直流輸出間的長時間延遲。為了避免在使用過程中錯誤地選擇響應時間常數而導致脫扣報警控制模塊誤動，故在用于對數顯示的計數指示表上使用了固定的響應時間常數。

2.6 雙定時器/計數器

當啟動儀表的計數非常低后或需要較高的計數精度以便于進行物理計算和分析時，計數指示表的顯示就遠遠不能滿足這種要求了。這時，雙定時器/計數器的引入滿足了在反應堆初次啟動或長時間停堆后啟動時反應堆內部熱中子通量比較低，啟動儀表檢測到的計數值很低的工況。雙定時器/計數器卡件的計數器部分又可稱為累加器，它提供的是按照計時器設定的時間進行累加后的計數值顯示，計時器部分的功能是設定計數值進行累加的時間。

2.7 報警控制模塊

報警控制模塊的功能是利用其內部的比較器對不同參數進行比較，為操縱員監測堆芯工況的變化提供報警。該模塊設計的監測參數有4種：探測器工作電壓異常、低對數計數、高對數計數和高對數率，當這4種參數中的任何一個超出其設定值范圍時都將輸出一個通道脫扣報警信號。在實際應用時對低計數和高對數率采取了閉鎖設定以避免通道在低功率、低計數時發生誤動。報警控制模塊另外3種參數的輸入信號分別來自對數顯示計數指示表的輸出信號和在其內部將對數信號處理后得到的對數率信號，以及來自高壓電源的電壓信號。報警控制模塊的前面板上設置了各種參數的設定值調節器，操縱員可以根據不同的工況方便地設定相應的參數設定值。另外其前面板上還提供了對數率指示表，以便于進行設備標定時顯示對數率。

2.8 高壓模塊

高壓電壓源是為了滿足BF3正比計數器較高的工作電壓而設計的，它輸出直流電壓的范圍是0～3000V。啟動儀表系統選用的是CANBERA 3002型高壓模塊，它可提供遠程控制調節模式和就地控制調節模式。其遠程控制調節模式的實現是通過報警模塊背部輸出0～5V的直流電壓信號來控制0～3000V。就地控制調節模式是通過調節電壓源模塊前面板的旋鈕式可調電位計來實現的，在進行電壓調節的同時可以根據位于前面板的電壓/電流顯示表的顯示來設定正常的工作電壓。在高電壓輸出到脫扣報警控制模塊進行探測器工作電壓異常比較無誤后，將送給BF3正比計數器以使其正常工作。

2.9 圖表記錄儀

圖表記錄儀可同時接收來自4個通道的線性顯示計數指示表的輸出信號，并將其記錄在記錄紙上以便于存檔和進行科學分析。

2.10 示波器

示波器主要用于設定主放大器幅值，甄別器的門檻以及確認來自探測器的中子脈沖，它是一臺輔助設備并不影響系統的功能。

3 啟動儀表故障分析及解決方案

3.1 干擾故障分析及解決

對于啟動儀表，其探頭和前置放大器位于核島內，二次放大器及比較器在主控室，中間有超過50m的電纜連接。大修期間核島內經常有電焊作業或電動工具作業，其高頻電磁波對啟動儀表有很強的干擾，為了降低高頻電磁干擾，在啟動儀表的前置放大器的輸入和輸出端，二次放大器的輸入端加了磁環。磁環具有高損耗系數，在不同的頻率下有不同的阻抗特性，一般在低頻時阻抗很低，當頻率升高，磁環表現的阻抗急劇升高。可以把高頻電磁能量通過渦流轉換成熱能，從而抑制高頻信號的通過，磁環使正常有用的信號很好地通過，又能很好地抑制高頻干擾信號的通過。加上磁環前，啟動儀表由于干擾，在每次大修都會脫扣4～5次，加上磁環后，大修期間啟動儀表沒有出現過由于干擾而導致脫扣的現象。磁環對啟動儀表的抗干擾能力的提高具有非常重要的作用，避免現場干擾而使一號停堆系統通道頻繁脫扣的情況發生，降低了一號停堆系統誤動作的風險。

3.2 內部電路及元器件故障的分析及解決

內部電路及電子元器件問題也是引起啟動儀表系統故障的另一主要因素。啟動儀表系統在大修投運期間出現過晶振元件故障導致E通道的計數器無法清零的故障，電容故障導致對數變化率指示表指示異常故障，可調電位計接觸不良導致計數率低設定值不穩定的故障等。

啟動儀表計數器的時鐘周期本應是固定不變的，其起始點對應計數零點，但因計數器的時鐘基準電路中1MHz晶振元件出現故障，它所在的晶體振蕩電路輸入到時鐘基準電路的脈沖畸變。計數器的時鐘是以晶體振蕩電路產生脈沖數106個作為1秒鐘基準的[2]。當晶振元件故障時，晶體振蕩電路在一個周期之內產生的畸變脈沖沒有被后面的時鐘基準電路完全識別而進行統計，導致計數器的時鐘周期發生變化。相應地，計數器清零時就不是在時鐘周期的起始點。用1MHz晶振元件合格備件對故障的1MHz晶振元件進行更換后，晶體振蕩電路產生脈沖波形穩定，時鐘基準電路工作穩定，計數器能夠清零。

對數變化率是衡量反應堆是否超功率的一個重要參數。在啟動儀表投運，當對數變化率達到+15%時，就會觸發通道脫扣。其在電路實現上是一個微分電路，在啟動儀表投用期間，發現E通道的對數變化率指示表始終指示在+25%并且E通道沒有脫扣，判斷是對數變化率指示是虛假的，指示回路存在故障。經檢查，果然是微分電路中的電容絕緣降低造成的。更換電容后，對數變化率指示表指示恢復正常。

在標定啟動儀表的F通道時，發現其計數率低報值不穩定。檢查發現電路板上的一個可調電阻內部接觸不良，導致計數率低報設定值漂移，更換可調電位計后，計數率低報設定值穩定。

3.3 啟動儀表高壓故障

啟動儀表的BF3正比計數器需要工作在高電壓下，其工作電壓為1.80KV。在啟動儀表投用期間，啟動儀表系統F通道因LOW COUNT自動脫扣，脫扣后檢查計數率正常，啟動儀表F通道探頭電壓變為1.83KV，而F通道脫扣前約1：30左右，檢查發現啟動儀表F通道電壓為1.76KV，通過檢查啟動儀表的高壓，發現高壓不穩定，在0.8KV～1.9KV之間漂移。由于高壓不穩定造成BF3正比計數器的工作電壓沒有工作在坪區，從而導致計數率偏低，通道脫扣。

鑒于工作高壓對啟動儀表的運行有著重要影響，探測器工作電壓異常會造成通道脫扣。目前針對工作高壓故障所采取的預防措施是在連接到一號停堆系統之前，進行工作高壓的檢查和探頭的坪特性檢查以保證工作高壓穩定并且在坪區正常工作。

3.4 BF3正比計數器的飽和故障

啟動儀表的一些部件始終處于高中子通量水平的環境中。因此，在達臨界的過程中，隨著功率水平的升高，如果BF3探測器測量的中子計數率大于105CPS將出現堆積現象，達到飽和[3]。為了防止這種情況的發生，所以在反應堆啟動過程中，隨著功率水平的升高，需要維修人員將BF3正比計數器逐漸向外抽出，使其計數降低到103CPS左右。

4 結束語

啟動儀表系統在重水堆停堆期間都能夠參與反應堆的在線運行，能夠及時、準確地監測反應堆內中子通量的變化，并且能夠在反應堆功率變化異常時提供報警信號和控制一號停堆系統動作的脫扣邏輯信號。通過技術人員了解啟動儀表的工作原理和組成，啟動儀表投用前對其進行標定、檢查和試驗，及時發現啟動儀表內部元器件故障、高壓故障。通過增加磁環，提高啟動儀表的抗干擾能力。通過定期更換內部易老化的元器件等措施，保證啟動儀表的可靠運行，減少啟動儀表投運期間的故障，及時監控反應堆在停堆期間的中子通量，保證反應堆的安全。