核電廠輻射測量儀表異常接地導致閃發高計數故障分析及處理

連杰 吳平韜

福建福清核電有限公司維修一處 福建福州 350300

在核電廠的儀表及控制（I&C）系統中，與常規電廠測量原理和應用差別最大的設備是核與輻射測量類儀表。在核電機組中，核測量儀表主要分為堆芯測量、堆外核測和輻射監測類。輻射測量儀表的測量原理多為電離室、光電倍增管或正比計數管等方式[1]，敏感元件與傳統熱工儀表相比，信號強度較弱且受統計漲落影響比較嚴重。本文通過分析一起伽馬測量儀表閃發高計數的故障和解決方案，來闡明接地的可靠性對核測量儀表正常工作的重要性。

1 核電廠輻射監測儀表信號與結構特點

目前核電廠中輻射監測設備型號眾多，總體來說可以按其敏感元件不同分為氣體探測器類、閃爍體類、半導體類等。對于不同類型的監測儀器，一般都具備以下幾個通用特點。

1）測量范圍廣，量程寬。一般輻射監測儀表測量范圍可能跨越6-7個數量級，且在測量下限附近也要求有較高的測量精度（通常的正常測量值接近測量下限）。

2）原始信號極弱。電離室類探測器的正常測量時輸出電流一般在10-10A級別或更低級別。這對整個監測通道的探測器制造工藝、信號傳輸與屏蔽、前端放大、后端信號處理和輸出都提出了更高的要求。

3）原始信號需遠傳。為了避免工作人員在進行維修巡檢時受到非必要照射.部分監測儀在探測器測得微弱的原始信號后，還要對信號進行遠傳。如核島內的事故后反應堆廠房劑量率監測儀需要將10-14A的模擬量信號傳輸至安全殼外，傳輸距離約100m。

4）儀表智能化程度較高。為了在滿足寬量程、弱信號的同時能夠將輻射監測儀表信號接入電廠數字化控制系統，輻射測量儀表一般需要將探測器測得的信號進行放大、整形和處理，換算成具有實際意義的劑量率或活度信號后上傳至主控室，故一般輻射監測儀表0層設備智能化程度較高。

2 核電廠儀表接地準則和要求

對于核電廠輻射監測類儀控設備來說，接地一般有以下幾點要求：

設備保護地應和儀表與控制系統外殼相接。為了保護人員和設備安全，儀表和控制設備外殼接地應為交流故障電流提供低阻抗的路徑，以便在任何外部事件或交流電源故障的情況下使設備外殼始終處于地點為，相鄰設備間的跨步電壓和接觸電壓不超過安全限制。

信號接地應對不同的儀表進行區分。對于輻射監測和泵軸振動監測這類計數脈沖型探測器的信號回路可不接地。當屏蔽電纜的屏蔽層也作為信號傳輸線時，只有在末端才作為信號的公共零線單點接地。探測器信號接地方法應充分考慮設備制造商的建議。

圖1 典型輻射監測儀表接地方式

低頻段屏蔽層單點接地原則。即信號電纜屏蔽地應在信號回路接地的同一點上接地。如果屏蔽多余一點接地，那么地電位差將驅動電流流過屏蔽層，屏蔽層電流在信號賄賂中感應出共模噪聲，并轉變為與信號回路阻抗不平衡的成比例的差模噪聲信號進入信號線路[1]。電廠典型輻射監測儀表接地可參考上圖1進行。

3 閃爍體儀表閃發高計數故障現象及原因分析

3.1 故障現象

國內某核電機組內輻射監測系統三個儀表（儀表編號為KRT042/043/044MA）多次閃發高計數報警。據統計，自2014年11月來至今，該機組處理22個此類故障相關的工單?？偨Y歷次的故障現象，有以下典型的干擾型故障特點：

(1)閃發報警時歷時很短，多為幾秒鐘高計數，之后迅速回落

(2)出現故障時會在短時間內（一般幾十分鐘到一小時）多次閃發，此時間段過后儀表自動恢復

(3)有不止一次出現了同時2個或3個儀表同時高計數的情況

3.2 處理和測試過程

通過多次測試，檢修人員發現，該類型設備可能引入干擾的方式為：外部干擾通過就地處理箱的保護地線串入就地處理箱的測量板，在測量板內造成共模干擾[3]，從而造成測量異常，產生瞬間大計數。

由于外部干擾無法捕捉，也很難進行復現，將出現高計數的原因歸結為外部干擾主要有以下幾點考慮。

(1)在閃發報警歷史中，有7次屬于同一時間點兩臺或以上的儀表同時出現高計數，而兩臺儀表同時損壞并在同一時間段內出現故障的概率極低，可初步判定是由于兩臺儀表的共同因素造成的同類型故障；

原設備安裝方式為三個儀表的就地處理箱保護地線先匯總再統一接入電廠地，更改后為分別直接接入電廠地（如下圖2所示），更改接地方式后同時多個通道閃發報警的情況明顯改善；

圖2 保護地線接線示意圖

(3)測試發現，將就地處理箱從墻上取下后單獨放置在絕緣平臺上，即使不安裝地線，也可穩定運行一段時間，但掛在墻上之后閃發頻率變高

(4)就地處理箱的安裝孔使用膨脹螺栓進行固定，經測試，膨脹螺栓與墻面內鋼筋連通并接入電廠大地，而墻體內鋼筋網絡走向復雜，可能有強電磁干擾或大功率設備接入造成干擾；

(5)測試發現，當探測器端外殼和安裝支架之前絕緣下降時（一般為小于1MΩ時），易出現閃發報警情況。

3.3 閃發高計數原因分析

根據現場多次故障處理情況，除探測器本身故障外 ,外部干擾導致探測器閃發高計數故障主要有以下三種原因：

(1)就地處理箱膨脹螺栓引入異常干擾信號，造成保護接地失效；

(2)監測儀信號/保護回路多點接地造成電勢差，造成外部干擾并通過保護地線進入就地處理箱,造成計數瞬時升高；

(3)探測器端絕緣下降，造成變相的多點接地（就地處理箱保護地和探測器外殼保護地），并形成電勢差，在測量電纜內產生干擾。

4 處理方案及處理過程

對于接地干擾，最重要的處理辦法就行進行接地可靠性和多點接地的排查，具體措施包括：

分離地線，為了避免干擾從一個就地處理箱串到另外的幾個就地處理箱，首先應將042MA/043MA/044MA的就地處理箱保護地線分離（如前文圖2所示）；

為了保證接地可靠并盡可能少的經過其它電氣設備，將三個LPU的地線直接改接至就地處理箱附近的接地銅牌。利用絕緣板將就地處理箱和顯示箱等小三箱背板安裝方式進行改進，使得處理箱與墻體碰撞螺栓之間絕緣電阻大于50MΩ。保證探測器端和安裝支架的絕緣（浮空）電阻大于50MΩ。加工絕緣安裝墊片，如出現絕緣下降情況則進行絕緣墊片更換。經過一系列接地可靠性提升，該型號監測儀閃發高計數頻度大幅下降，目前該類頻度小于1次/年，可滿足現場監測要求的可靠度。

5 結語

輻射監測儀表在核電廠中屬于特殊的弱信號類儀控設備，在進行接地設計和安裝時需要盡量能夠滿足相關標準中準則和要求。在現場實際的安裝過程中，要注意防止監測儀多點接地導致外部干擾影響測量。在檢測到有多點接地的可能性時，可通過增加絕緣背板等措施進行提升和改進，確保儀表測量的準確性。