核測信號的主動降噪方法研究

徐建飛

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

用于堆芯功率監測、放射性劑量監測的核測儀表被廣泛應用于核電站。核測信號一般都較為微弱。以壓水堆核電站中間量程中子通量測量儀表為例，其量程范圍為10-11～10-3A。微弱電流系統在核電站工程建設和運行階段一直深受噪聲問題的困擾[1]，由于噪聲問題導致的跳堆等內部運行事件偶有發生。核測系統首次投運前，測量系統本底噪聲是否影響系統的可用性，是必不可少的一個環節。

某壓水堆核電廠在調試啟動階段的臨界前中間量程測量通道探頭噪聲檢查過程中，發現穩定的噪聲信號。經信號調理卡件放大后，噪聲峰峰值高達110 mV，頻率約50 Hz。如不處理，噪聲將會影響相關的倍增周期計算，進而影響機組臨界。該核電廠的堆外中子通量測量系統使用Rolls-Royce處理單元，并使用Schneider ElectricCC80型涂硼γ補償電離室作為中間量程探頭。

1 噪聲源定位

噪聲源的定位可以分理論分析、分區排查和對比定位三個步驟來執行。

一般而言，大功率電氣設備、高壓電線等是主要的電磁干擾源[2]。但對于核電站中使用的微電流核測儀表而言，中低壓電氣設備、電纜等對微弱電流信號也會產生強大的干擾。核電常見干擾源類型可分為如下五類[3]。

①運行和啟動過程中的一次設備。

②中低壓電源轉換裝置及線路(針對微弱信號)。

③短路電流。

④高頻線路。

⑤核輻射。由于核輻射帶來的主要干擾形式是核爆產生的極強電磁脈沖，中間量程中子通量測量的整個通道都是可能的受擾對象。根據不同設備的分布情況，將整個通道分為三個部分：A區域，中子探頭及其連接電纜；B區域，貫穿件及及連接電纜；C區域，處理單元及連接電纜。

中間量程測量通道如圖1所示。

圖1 中間量程測量通道示意圖

根據噪聲頻率特點，50 Hz具有典型的工頻特征，可排除類型4、類型5這兩種噪聲。在每個獨立的區域，對剩余三類可能的干擾源進行了排查。

分區排查結果如表1所示。

表1 分區排查結果

排查結果顯示，有兩處220 VAC、50 Hz照明用電源電纜距離受擾信號電纜15 cm左右，可能造成本底噪聲的增大。另外，處理單元機柜內供電的兩個冗余的48 V電源轉換模塊也可能是噪聲來源。對照明用電源電纜采取斷電對比方案。斷電前后，信號本底噪聲無明顯變化。柜內冗余48 V電源轉換模塊負責柜內所有設備的供電，斷電后無法測量噪聲。因此，采用外接第三臺獨立48 V電源轉換模塊為整個處理單元供電，并使外接的48 V獨立電源模塊盡量遠離受擾對象。然后，斷開柜內48 V電源轉換模塊供電，進行對比試驗。斷電前后噪聲變化明顯，峰峰值降低至36 mV。根據斷電結果，可以明確噪聲來源為柜內冗余的48 V電源轉換模塊。

2 有源降噪系統模型分析及降噪方案

降噪方案一般基于噪聲三要素(噪聲源、受擾對象和干擾路徑)進行相應的方案優化。在對象受低頻段電磁干擾的情況下，距離防護和屏蔽防護是降低干擾的主要途徑。但是以上兩種方案都需要增加系統占用的空間，改造難度大。

在不改變系統占用空間的情況下，這些防御式的被動降噪方案基本無法實施。因此，主動(有源)降噪成了唯一可行的選擇。傳統有源降噪(active noise control,ANC)能夠利用場的疊加原理，通過引入新的噪聲場，使之與原有的噪聲場相互作用，以達到降噪的目的[4]。ANC系統在聲場環境中已有廣泛的應用。根據有源降噪原理和電磁場干擾特點，繪制電磁場系統主動降噪結構模型。主動降噪系統理論結構如圖2所示[5]。

圖2 主動降噪系統理論結構框圖

系統穩定后，殘差的表達式如下：

e(i)=d(i)+g(i)=s(i)+v(i)+[p(i)+

u(i)]wopt(i)h(i)

(1)

其中：

g(i)=[p(i)+u(i)]wopt(i)h(i)

最理想的降噪方案需要使最終殘差等于信號源，即：

e(i)=s(i)

v(i)= - [p(i)+u(i)]wopt(i)h(i)

根據經驗，信號源幾乎不會對48 V電源轉換模塊的噪聲產生影響，所以可以使u(i)=0。由此可得：

v(i)= -p(i)wopt(i)h(i) = -g(i)

(2)

根據模型和現場實際進行分析，只要有一個相反相位的類似噪聲源，經過相同的傳遞函數，即可對噪聲起到抑制甚至抵消作用。

堆外中子中間量程測量通道機柜供電線路如圖3所示。

圖3 機柜供電線路示意圖

由分析可知，噪聲來自兩個冗余供電的48 V電源轉換模塊。兩個電源轉換模塊上游電源完全相同，所以兩個電源轉化模塊產生的空間電磁波基本一致，幅值、頻率和相位相同。從傳遞函數的角度分析，兩個電源模塊平行對稱布置，且距離接近，可以近似為相同傳遞函數。受擾對象感受到的噪聲，是兩個電源轉化模塊產生的噪聲經相同傳遞函數疊加的結果。由于電源模塊布置較近，那么可以近似為兩個電源轉換模塊產

生的噪聲反向疊加，這將起到主動降噪的效果。

電源模塊為220 V交流供電，兩臺電源適配器為同一電源輸入。將電源適配器2的輸入端3、4對調，將會使電源適配器2的輸入轉變為與電源適配器1輸入電源幅值相同、頻率相同、相位相反的輸入電源，從而使電源適配器2在理論上產生與電源適配器1近似相位相反的空間電磁波。

3 試驗驗證

按照理論分析結果，采用對比試驗的方法驗證分析結果。在不改變其他外部條件的情況下，使用同一試驗儀器，在主動降噪方案執行前后分別測量信號噪聲1 min，并分別選擇1 min內噪聲最大值進行對比分析。采用主動降噪方案處理前，工頻干擾噪聲幅值測試結果最大值為110 mV。采用主動降噪方案處理后，工頻干擾噪聲幅值測試結果平均值為31 mV，降噪有效率達78.1%。由此可見，噪聲幅值已降至可接受水平。該方案使核測系統中間量程噪聲高問題得以解決。

4 結束語

本文以某核電廠堆外中子通量測量通道噪聲問題為例，建立了電磁場干擾主動降噪模型，并依據模型進行分析，給出了一種可以廣泛用于同類電磁干擾的主動降噪方案。試驗表明，此方案的降噪有效率可達70%以上。整個方案采用有源降噪方法，方案簡單易行，可以作為被動式降噪方案,如屏蔽降噪、距離降噪的補充，為長期受電磁干擾困擾的核測儀表類微弱信號系統提供了新的降噪思路。