電離室類區域輻射監測儀表及其常見故障檢修

張靜波

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

為確保核電站運行安全，防止放射性物質向外環境泄漏及保證核電站工作人員免受高核輻射的危害，秦山第二核電廠設計了多種放射性的監測方法，區域I型、Ⅱ型監測儀就是其中之一。它是KRT系統中非常重要的監測通道。

1 設備描述

秦山第二核電廠3、4號機組采用的電離室類區域監測儀表主要有區域Ⅰ型監測儀、區域Ⅱ型監測儀，隸屬于KRT系統，兩機組一共設計了13臺，選用的是西安核儀器廠生產的XH-3202Q2型和XH-3203Q2型，電離室的體積為1升。監測儀由探測器、LPDU、源檢裝置、RDU組成。

1.1 探測器

該儀器采用的是常壓空氣電離室探測器。探測器主要由1升電離室和前置放大器組成。參見圖1探測器電原理圖。電離室由高壓極、收集極、保護電極、絕緣體、工作氣體組成。前置放大器采用的是全反饋電流電壓放大器，探測器的安裝采用浮空設計，探測器安裝在具有放射性代表性的房間。當房間內電離射線通過探測器內的兩個電極之間的氣體時，會使氣體電離，并使電離室產生一個電流信號，信號強弱與照射劑量率成正比，電流信號引入到前置放大器中，經過電子線路成形放大等過程而被分析和記錄[1-3]。

圖1 探測器電原理圖Fig.1 Electrical schematic diagram of detector

圖2 監測道結構示意圖Fig.2 Diagram of monitoring channel structure

1.2 就地處理顯示報警箱（LPDU）

M-2036B數字化就地處理箱（LPDU）其外殼為不銹鋼材料，由開關電源、鍵盤和顯示模塊、M-2100數據處理模塊、M-2116V/F轉換模塊、高壓電源模塊、調零模塊、繼電器和端子排等幾大部件組成。可顯示、查詢測量數據，更改及設置設備參數，并具有聲光報警等功能；為探測器提供低壓工作電源和-500V的高壓，對探頭輸出的信號進行處理、計算和報警狀態控制，并通過RS485通訊將數據信息傳至遠程顯示單元（RDU）；箱體采用浮空設計，在機箱底部最右端設有保護接地端柱，儀表的TE與PE均都通過此接地柱與大地相聯。

1.3 遠程顯示單元（RDU）

遠程顯示單元（RDU）為一標準CAMAC插件，它安裝在系統集中機柜內。其主要功能是采集LPDU的測量數據及狀態，對測量結果、報警狀態、歷史數據等進行顯示和存儲，此外它還負責整個通道的測量結果、報警狀態等模擬量或開關量或RS485網絡的輸出。其前面板有一RS232通訊口，用于連接計算機。

1.4 源檢裝置

源檢裝置采用皮老虎的原理，通過電磁鐵吸合與脫離帶動氣囊吸氣與吹氣來驅動放射源。源檢的主要功能是檢查探測器對放射性的響應是否正常。當就地處理箱或遠程顯示單元給出源檢信號時，檢查源被打入探測器靈敏區，此時，探測器對放射源進行響應，得出源的計數。當解除源檢命令后，檢查源收回，測量值恢復到原值。

2 監測道工作原理

電離射線通過兩個電極之間的氣體時，會使氣體電離。當外γ場照射到探測器上，探測器中電離室產生一個電流信號，信號強弱與照射劑量率成正比，在高壓電場作用下，電離產生的電子和正離子在負高壓作用下分別向正負極運動，并產生感應電荷。將感應電荷產生的電流信號引入到前置放大器中，經過電子線路成形放大等過程而被分析和記錄[4,5]。電流經前置放大器放大后，直接轉換成電壓信號輸出至LPDU。

LPDU內部的V/F轉換模塊對探測裝置輸出的模擬電壓進行處理后轉化為電脈沖，然后再輸出到LPDU箱內部的數據處理模塊，定時采集輸入信號，進行處理后得到與放射性活度有關的信息，再經計算后得到符合統計誤差的測量值，給出最終測量結果并對測量結果進行顯示。當LPUD分析的結果超出報警閾值或通道出現故障時，該單元給聲光報警。同時，通過RS485通訊方式將最終數據信息傳給安裝在集中機柜內的RDU，RDU根據前端LPDU傳送來的測量數據和狀態進行同步顯示。如果通道出現報警時，遠程顯示單元給出聲光報警，同時給出開關量信號通過機柜內的故障、一級、二級報警端子排將報警信息送到KRT系統繼電器機架，通過機架繼電器的邏輯轉換將報警信息送到電廠計算機系統（KIT）和主控光字牌并聯動其它系統被控制的設備。RDU還將代表測量結果的模擬量信號通過機柜內的端子排送給電廠計算機系統（KIT）和主控室記錄儀，并且還將通道的數據信息以RS485通訊方式輸送至輻射監測系統的集中數據采集系統進行集中顯示，并對歷史值、事件記錄進行存儲、打印和報表等。實現了輻射監測數據的集中管理[4]。監測道的結構示意圖如圖2所示。

3 儀表典型故障處理及經驗反饋

該類型儀表在現場調試開通至后續運行期間出現多次故障，其故障類型主要有：低值失效故障、通訊故障、參數故障、閃發高計數故障等。以下分別介紹了不同類型故障的處理方法。

3.1 通道低值失效故障

主要故障表現為：L P D U顯示面板上“L O U”與“0.00”交替顯示，Hz數為“0”，RDU顯示面板上故障提示符處顯示“LOU”，測量值顯示“0.00μGy/h”，且蜂鳴器響，Hz數為“0”，主控室故障報警光字牌亮。

出現的原因大致有以下幾種情況：

圖3 區域Ⅰ、Ⅱ型監測儀核心參數配置圖Fig.3 Regional Ⅰ,Ⅱ type monitor core parameter configuration diagram

① 探測器故障無信號輸出；② LPDU內的高壓模塊無高壓輸出或高壓不穩定，導致探測器中電離室的電離效應不夠穩定，在外環境穩定的情況下，使探測器無法正常工作，不能輸出穩定的信號，進而導致LPDU觸發“低值失效”報警；③ LPDU內V/F轉換模塊工作不穩定，無法正常將由探測器輸出的電壓脈沖信號轉換成頻率信號，導致數據處理模塊在處理數據時發出“低值失效”報警；④ 通道連接電纜虛接或脫離；⑤ LPDU的參數設置錯誤。

處理方法：檢查緊固各連接電纜，檢查驗證LPDU內保存的參數是否正確，重點核查圖3中的這幾項參數設置是否正確。

◆ 探測器故障處理

在LPDU端子排上探測器信號輸入端檢查探測器是否有信號輸出，在LPDU內用萬用表直流電壓檔測量X2 8:3是否有40mV左右的信號，若沒有則表明探測器已損壞，更換探測器即可。在檢修平臺間打開探測器，做如下檢查：① 檢查焊接處是否脫落、虛焊；② 檢查探測器輸出連線是否有斷線；③ 探測裝置的高、低壓電源是否在正常范圍內；④ 通電測試。用萬用表測量3個量程擋的吸合狀況，吸合為12V，斷開為0V，若都能吸合及斷開則表明繼電器無問題；⑤ 檢查場效應對管是否擊穿，按等電位接地的方法卸下高絕緣MOS場效應對管3C02，測量絕緣是否滿足要求，一般絕緣指標能達到5×1015Ω左右，若達不到指標則說明場效應管已被擊穿，需更換一對新的合格的對管。

從目前現場換下來的探測器來看，大部分探測器故障都為場效應管擊穿所引起的。

◆ 高壓模塊故障處理

在LPDU端子排上用萬用表直流電壓檔在X2 6:3上測量高壓模塊輸出的高壓是否與探測裝置的設定值相符，一般為-400V左右。若不相符，則調節高壓電位器到規定值；若沒有高壓輸出則表明高壓模塊已故障，需要做進一步檢查：

斷開與探測裝置的高壓連線后，若高壓正常，則可能探測裝置內部高壓短路，需檢查探測器。若斷開后仍無高壓輸出，檢查LPDU為高壓模塊提供的低壓電源DC+12V是否正常，若有+12V電壓則表明高壓模塊內部故障，更換高壓模塊即可；若沒有則檢查LPDU內的開關電源是否有電壓輸出及檢查電源電纜插頭是否牢固。

用示波器檢查高壓模塊輸出的紋波是否超出限值，若已超出則說明模塊性能下降，更換模塊。

◆ V/F模塊故障處理

區域Ⅰ、Ⅱ監測儀探測器過來的信號都是0V～10V的直流電壓信號，V/F模塊主要功能是直流電壓信號轉換成頻率信號，它主要采用核心芯片是ZF450K，由射極跟隨器、ZF450K型V/F轉換模塊、單穩態整形輸出和限幅射級跟隨器3部分組成。其模塊的轉換比為1mV：1Hz，輸入輸出成線性關系。其檢測V/F模塊好壞：

① 用萬用表HZ檔測量V/F 模塊的輸出值是否與儀表顯示的HZ值是否一致；② 檢測V/F模塊的上下限是否在范圍內：斷開探測器的高壓，將調零電位器調到10mV，看儀表的HZ值是否在10HZ左右，或用744電檢儀模擬探頭信號輸入0 V～10V（從毫伏到伏）直流電壓信號接到V/F模塊的信號輸入端，看儀表的HZ數與744電檢儀輸入的信號值是否成線性關系，如果下限和上限都滿足要求，則V/F模塊工作正常；若不滿足要求，則將744電檢儀設置10mV調節V/F模塊內RP2的22K電位器，使儀器顯示HZ值與電檢儀輸出值一一對應。低端調好后，再輸入10V電壓，調節RP1的2.2K電位器，使儀器顯示HZ值與電檢儀輸出值一一對應，反復調整幾次。若無法調節說明V/F故障，需更換。

另如果儀表的零點電壓在復位后3個量程都切換完成一直穩定在零點（40mV），則說明探測器沒有問題，很有可能是V/F模塊的問題，則可采用上述檢測方法進行檢測。

除了V/F模塊本身故障外，還有可能是LPDU開關電源故障，無法為V/F模塊提供低壓工作電源。

3.2 通訊故障

主要是RDU與LPDU之間存在的故障，其故障表現為RDU顯示“COMERR”故障代碼，面板上失效燈亮、蜂鳴器響，LPDU顯示正常或無任何顯示和指示燈點亮。

出現該故障的主要原因有：① 通訊參數設置錯誤；② LPDU繼電器板故障；③ LPDU電源故障或失電；④ LPDU內的數據處理模塊或RDU通訊芯片故障。

處理方法：檢查RDU的System｜CommParam子菜單中的LPU Port、LPU Addr、LPU Baud各項參數設置是否正確；用萬用表測量LPDU電源輸入端是否有AC220V，開啟LPDU電源檢查LPDU能否正常啟動，顯示是否正常，測量電源輸出的±12V、+5V是否正常，測量繼電器板上的+12V、5V是否正常。檢查通訊電纜是否連接牢固；測量RDU內的電源輸出是否正常，輸入到RDU主板上的電源是否正常。若上述檢查都正常則更換通訊芯片。

3.3 閃發高計數故障

主要表現為測量值偶然的突然上升，有時會超過一、二級報警閾值觸發報警和聯動。隨后測量值恢復正常，且出現的頻率低。

圖4 區域Ⅰ、Ⅱ型監測儀地線連接方式Fig.4 Regional Ⅰ and Ⅱ type monitoring instrument ground connection mode

其原因有以下幾種：① 探測器附近有點源移動，觸發真實報警；② 儀表各模塊性能不穩定；③ 外界（地線）的干擾，該類儀表廠家設計時其接地方式分為了兩處接地，一是LPDU單點PE接地，前端探測器、源檢裝置、LPDU都進行了浮空。探測器的接地通過H.V線組、DC.V線組和信號線組的利用雙絞雙屏蔽線纜，分別單獨走線連接到LPDU的TE端子上，最終LPDU的TE通過X5:1TE端子與X5:9PE端子用短接線相連接，通過PE接地柱接入電廠地，具體接地方式見圖4。另一部分是RDU采用機柜內的PE、TE銅排分別接入電廠地的方式。這種接地方式目前從現場儀表運行情況來看，很容易由于地線上的干擾造成儀表計數不穩定，原因如下：保護地與儀表地之間進行了混接，雖然TE接地與PE接地最終都是接入到電廠地，但兩者中間連接地方式是有區別的，TE最終是一點接地，而PE是多點接地，這兩種接地的差異導致在PE地線上可能存在一定的電流，而在TE上不會有電流，導致接地效果降低，從而使地線上的干擾信號進入到儀表地上，引發了閃發報警。

處理方法：① 首先對探測器所處環境進行分析，通過便攜式環境劑量率儀測量設備周圍的環境，確認環境輻射劑量是否正常，詢問防護值班人員，有沒有放射性物質運輸。② 檢查LPDU內保存的參數的完整和正確性；③ 檢查高壓模塊輸出端電壓的穩定性；④檢查V/F轉換模塊輸入與輸出線性關系的準確性；⑤ 檢查儀表的接地與浮空，其中包括探測器的浮空安裝、設備接地的連續性、LPDU內部PE和TE之間的短接等；⑥ 更改儀表接地方式，斷開X5:1TE端子與X5:9PE端子的短接線，利用通訊電纜的內屏蔽層將LPDU的TE與機柜內的TE銅排連接；⑦ 檢查探頭和LPDU之間連接電纜，尤其是電纜與電纜頭的焊接處，是否存在虛焊，各芯線與插針之間的絕緣層是否有效，檢查電纜的屏蔽層金屬絲網與電纜芯線是否接觸，檢查電纜的總屏蔽層是否與電纜頭進行了有效連接。

3.4 數據處理模塊故障

數據處理模塊是LPDU的核心部件，主要功能是數據的分析、處理、存儲、通訊與報警控制。

主要表現為：LPDU顯示面板上顯示“------”，RDU報通訊故障。

處理方法：① 檢查模塊內的線路板是否有虛焊、漏焊、錯焊現象；② 檢查各聯接電纜是否牢固，有無斷裂；③ 檢查LPDU開關電源提供給數據處理模塊的電壓是否正常；④通電檢查其主要工作點5V、3.3V、1.8V是否正確，檢查脈沖極性開關SW1、SW2是否在正（+）端；⑤ 用電檢儀或脈沖發生器送入脈沖信號檢查LPDU顯示的HZ數是否與電檢儀或脈沖發生器輸出的信號是否一致。

4 儀表調試和運行期間的歷次故障處理

電離室類區域監測儀調試開通至后續運行期間主要出現的故障報警為低值失效故障，閃發高計數故障兩種。其中，引發這兩種故障主要是ZF450k芯片質量問題、電纜焊接缺陷及儀表的抗干擾能力弱等原因。經多次檢修、原因查找及長期運行考核，目前通道已逐步趨向于穩定運行。

5 結論

秦山第二核電廠3、4號機組電離室類區域監測儀，從開通調試至后續的長期運行考核期間，通過多次的故障檢修，使儀器慢慢的恢復到穩定運行。

由于該類型儀表在機組不同的運行工況下，都會占用機組IO的時間，尤其在進行燃料操作期間，若通道不可用會迫使燃料操作的停止，直接影響到主線的進度，所以儀表的穩定運行及快速地消除缺陷，變得尤其重要。通過上述介紹的檢修方法，為后續的檢修提供了有效的幫助。