堆外核測量系統(tǒng)輸出高壓紋波測試準確性研究

周洪旭,何 勇,胡萬紅,周晨鈺,陳世敏

(中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室,四川 成都 610213)

0 引言

堆外核測量系統(tǒng)是核電站中的重要核安全級設備,主要用于監(jiān)視核反應堆啟堆和運行過程中的反應堆功率和功率倍增周期等重要參數(shù)。三代核電堆外核測量系統(tǒng)能在反應堆高中子注量率和快變化周期的工況下觸發(fā)反應堆緊急停堆,同時兼具連續(xù)監(jiān)測反應堆核功率水平變化、功率分布情況等功能[1]。

堆外核測量系統(tǒng)有源量程、中間量程、功率量程這3個量程,分別對應正比計數(shù)管、裂變電離室管、補償電離室管這3種探測器[2]。每種探測器都需要各量程提供不同值的直流高壓以進行驅動。然而,所提供的直流高壓中夾雜著不同大小值的紋波。如果紋波過大極易影響探測器正常工作,干擾探測器輸出微小脈沖信號,使堆外核測量系統(tǒng)無法準確識別脈沖數(shù)量,從而影響反應堆功率的計算。

工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)、國防科技以及通信、科研、醫(yī)療等領域都需要高壓電源的支持。因此,國內外有很多對直流高壓紋波測試的試驗研究。測試過程多數(shù)采用隔直電容,以隔離直流高壓部分。研究使用示波器對紋波進行測量,從時域、頻域等角度對紋波進行分析,以了解紋波的本質[3]。這些高壓紋波測試方法均是基于不同行業(yè)領域開展的研究工作。

但是,在堆外核測量領域的高壓紋波測試研究,目前還處于空白區(qū)。為了高效、快捷、準確性高地測量堆外核測量系統(tǒng)的高壓紋波,本文結合工程供貨實際情況,利用數(shù)據(jù)仿真技術計算出適用于堆外核測量系統(tǒng)高壓紋波測試的隔直濾波電容容值,并使用Creo結構設計軟件設計了1種腔體式屏蔽盒。屏蔽盒內嵌隔直濾波電容。盒體的輸入輸出接口均采用標準連接器加卡口螺母連接器(bayonet nut connector, BNC)同軸電纜的連接方式,以減少外部電磁環(huán)境對測試的干擾。本文通過一系列相關試驗來驗證本文方法的安全性、有效性,并制定統(tǒng)一的高壓測試操作流程和儀器使用規(guī)范,以降低“人因”風險、提高測試效率。該方法可以有效解決堆外核測量裝置的高壓紋波測試過程極易受到外部電磁環(huán)境干擾的問題,保證測試數(shù)據(jù)的真實、有效。

1 高壓紋波的產(chǎn)生及危害

1.1 高壓紋波產(chǎn)生原因

堆外核測量裝置的每種量程都有直流高壓模塊。各高壓模塊在硬件電路原理上基本相同,均由穩(wěn)壓電路單元、調節(jié)電路單元、倍壓電路、高壓控制電路和采樣反饋電路組成[4]。

倍壓原理如圖1所示。

圖1 倍壓原理

裝置通過脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)波控制金屬氧化物半導體(metal oxide semiconductor,MOS)管導通與截止。當MOS管導通時,電源由電感-MOS管形成回路,使電流在電感中轉化為磁能貯存。當MOS管關斷時,電感中的磁能轉化為電能在電感端左負右正。此時,電壓疊加在電源正端,經(jīng)二極管-負載形成回路,以實現(xiàn)升壓功能[5]。這種升壓過程極易產(chǎn)生超高頻諧振噪聲,并導致因閉環(huán)調節(jié)控制而產(chǎn)生紋波。

1.2 高壓紋波過大帶來的危害

紋波通常是1個直流電壓中的交流成分,主要包含紋波和噪聲這2個部分。輸出直流電壓所包含具有周期性變化的交流成分量為紋波。而噪聲指受到外界電磁干擾隨機產(chǎn)生的無規(guī)律電壓或者電流尖峰,是存在一定偶然性且沒有規(guī)律的交流分量[3]。

紋波分解結構如圖2所示。

圖2 紋波分解結構

堆外核測量系統(tǒng)中源量程正比計數(shù)管高壓坪特曲線如圖3所示。

圖3中:U0為閥電壓;U1為坪區(qū)起始電壓;U2為坪區(qū)終止電壓;N1為坪區(qū)起始計數(shù)率;N2為坪區(qū)終止計數(shù)率;U2-U1的電壓值為坪長。計數(shù)管工作電壓為坪長的中點。通常,核測量系統(tǒng)探測器坪長的斜率較高,故探測器對高壓變化十分敏感。如果提供的高壓不穩(wěn)定,將導致探測器測量的脈沖數(shù)值(中子計數(shù)率)波動大,從而降低測量精度、影響核測量系統(tǒng)對反應堆周期的計算,嚴重時甚至會導致反應堆停堆。

因此,核測量系統(tǒng)輸出高壓紋波值滿足設計要求,是保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行的重要指標之一。

2 現(xiàn)狀及分析

依據(jù)設計要求,堆外核測量系統(tǒng)輸出高壓紋波都需要進行帶載測試。不同量程間輸出的高壓紋波值要求不同。一般情況下:源量程紋波值要求不大于15 mV;中間量程和功率量程紋波值要求不大于10 mV。當前測試高壓紋波主要存在以下問題。

①測試中傳輸線纜與測試使用器件極易形成“天線效應”,吸收外界電磁干擾形成雜波信號,從而導致測試數(shù)據(jù)波動大、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差。

②傳輸線纜與測試儀器間存在阻抗不匹配等情況,易導致信號在傳輸過程中衰減。

③測試數(shù)據(jù)波動大、不穩(wěn)定,會間接導致需要重復測試,使測試時間過長。

④測試使用器件在選型上不嚴謹,未作充分的計算分析,易導致測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。

⑤測試環(huán)境要求高,通常需要在相對獨立和無其他設備運行的環(huán)境條件下進行測試。

⑥傳輸線纜與測試使用器件連接處裸露在外部環(huán)境中,容易對測試人員安全造成威脅。

本文針對上述存在的問題進行分析與研究,并開展高壓紋波測試的準確性設計。

3 測試準確性設計

為提高高壓紋波測試的準確性,本文結合工程測試實際情況,從數(shù)據(jù)仿真、結構設計、線纜優(yōu)化、安全防范、流程標準化這5個方面出發(fā),開展了高壓紋波測試的準確性研究。該研究的目的是使高壓紋波測試環(huán)境形成電磁屏蔽效果,以減少外部的電磁干擾[6],從而在根本上解決測試過程中準確性、穩(wěn)定性差等問題。這可以在確保測試數(shù)據(jù)真實、有效的同時,提高測試效率。

3.1 選型數(shù)據(jù)仿真

隔離電容選型是高壓紋波準確性測試的重要部分。其主要作用是實現(xiàn)信號的隔直通交。交流信號通過電容時,電容極板上逐步累積的電荷對定向移動電荷具有阻礙作用。物理學上把這種阻礙作用稱為容抗。

(1)

式中:Xc為電容容抗;f為信號頻率;c為電容值;π為圓周率;ω為角頻率;j為虛數(shù)。

本文基于堆外核測量系統(tǒng)產(chǎn)生高壓的頻率特點和電容特性,建立了實際測試高壓紋波仿真電路。

測試仿真電路如圖4所示。

圖4 測試仿真電路

圖4中:交流信號源U1用于模擬核測量系統(tǒng)輸出的高壓紋波;R1為模擬示波器內阻。本文運用計算式和數(shù)據(jù)仿真,測試紋波信號通過測試仿真電路后的頻域傳遞函數(shù),以及影響頻域傳遞函數(shù)的相關參數(shù)。

依據(jù)測試仿真電路,可推導出頻域傳遞函數(shù)。

(2)

式中:Ut為輸出信號電壓;Un為輸入信號電壓。

(3)

式中:Hω為頻域傳遞函數(shù)。

由式(3)可知,紋波信號在測試仿真電路中頻域傳遞函數(shù)與角頻率、測試儀器內阻以及隔離電容值均有關系。而在實際測試中:儀器內阻為定值;紋波信號頻率在一定范圍內。為了保證紋波信號不失真且傳遞性良好,選擇合適的電容非常關鍵。為驗證電容容值對紋波信號的影響,本文運用Cadence軟件進行數(shù)據(jù)仿真。試驗選取3組電容進行仿真對比,并分析所選取的參數(shù)段電容容值對信號衰減的影響。

在100 pF電容值下:信號頻率從1 Hz逐步上升至10 kHz,信號衰減逐漸減弱;信號頻率達到10 kHz及以上時,信號傳輸基本無衰減。在1 nF電容值下:信號頻率從1 Hz逐步上升至1 kHz,信號衰減逐漸減弱;信號頻率達到1 kHz及以上時,信號傳輸基本無衰減。在100 nF電容值下:信號頻率從1 Hz逐步上升至55 Hz,信號衰減逐漸減弱;信號頻率達到50 Hz及以上時,信號傳輸基本無衰減。

依據(jù)仿真數(shù)據(jù)結果建立的數(shù)據(jù)擬合分析趨勢如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)擬合分析趨勢圖

由圖5可知,在實際測量電路中電容值越大,越有利于信號傳遞,信號幅度衰減也相對越小。當電容從100 pF增加到1 nF(即增大10倍)時,信號頻率從10 kHz以上不再衰減變?yōu)? kHz以上不再衰減,衰減減少10倍;當電容從1 nF增加到100 nF(即增大100倍)時,信號頻率從1 kHz以上不再衰變?yōu)?0 Hz以上不再衰減,衰減減少20倍。如果信號頻率要從50 Hz以上不再衰減變到接近于0 Hz不再衰減,電容值至少要增加10倍,即1 μF左右才能滿足高壓紋波濾除需求。核測量系統(tǒng)中輸出最高電壓在1 600 V左右。綜合考慮后續(xù)系統(tǒng)電壓升級及冗余度等因素,本文選取電容耐壓值至少要達到2 000 V。

基于以上分析并結合電容體積、精度、通用性和使用過程損壞便于更換等因素,本文以耐高壓達2 000 V 容值在1 μF左右的薄膜電容作為隔離電容,以進行實際高壓紋波的測試。

3.2 屏蔽盒結構設計

為解決測試電路置于外部空間環(huán)境形成的“天線效應”問題,本文對屏蔽盒結構進行設計,以消除外部環(huán)境的電磁噪聲干擾。

本文使用Creo軟件對屏蔽盒結構進行3D建模,從而實現(xiàn)可視化,以便非標結構件加工和精度控制。這將提升屏蔽盒體各部件組裝工藝,減少銜接縫隙,提高整個屏蔽盒體的電磁抗干擾能力。

屏蔽盒體外形結構設計如圖6所示。由圖6可知,屏蔽盒主體為鏤空腔體,兩端采用蓋板加螺釘固定,設計尺寸為80 mm×25 mm×25 mm。屏蔽盒兩端的蓋板上安裝Q9連接器底座。Q9連接器線芯連接隔離電容與負載,放置在屏蔽盒腔體內部,形成1個完整屏蔽罩,從而有效消除外部電磁噪聲的干擾。這種設計方便后續(xù)維修,同時通過使用標準連接器,可以適應不同模式高壓輸出接口,從而提高測試效率。

圖6 屏蔽盒體外形結構設計圖

3.3 測試傳輸線纜優(yōu)化

傳輸線纜優(yōu)化前,通過線纜可引出系統(tǒng)輸出的高壓,并在引出線纜上加載合適的負載,使用示波器高壓探頭對負載兩端高壓紋波進行測量。

優(yōu)化前高壓紋波測試如圖7所示。

圖7 優(yōu)化前高壓紋波測試示意圖

測試設備間信號連接采用普通單芯線纜進行信號傳輸。此類傳輸線纜多數(shù)不具備屏蔽功能,在測試過程極易受到外界電磁環(huán)境干擾,會導致測試過程數(shù)據(jù)偏差大、穩(wěn)定性差等問題。

傳輸線纜優(yōu)化后,可采用BNC同軸電纜與標準連接器焊接的方式,以連接核測量系統(tǒng)、隔離裝置與示波器。

優(yōu)化后的高壓紋波測試消除了待測信號與測試儀器間的串模干擾和外部電磁干擾。因BNC同軸電纜特性阻抗為50 Ω,與整個信號測試電路阻抗匹配,保證了信號傳輸無衰減,有效提升了高壓紋波測試的準確性。

優(yōu)化后高壓紋波測試如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后高壓紋波測試示意圖

3.4 安全防護與驗證

為了提高核測量系統(tǒng)高壓紋波測試準確性,整個測試電路均采用金屬性材料進行外部干擾屏蔽,因此測試過程極易引起高壓觸電。

本文將高壓安全防范納入測試準確性設計,通過使用絕緣耐高壓材料對屏蔽盒內器件連接導線進行保護,并優(yōu)化內部接線方式及安裝工藝。為驗證高壓安全防范設計的安全性,本文根據(jù)《壓水堆核島電氣設備設計和建造規(guī)則》(RCC-E)中的“MC3100 介電強度試驗”要求[7-8],開展整個高壓測試回路的電氣絕緣性能驗證。試驗進行2 820 V直流(direct current,DC)和2 000 V交流(alternating current,AC)電氣的絕緣測試,以檢查試驗過程中是否出現(xiàn)放電、擊穿和飛狐等現(xiàn)象。高壓絕緣性能試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 高壓絕緣性能試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

通過絕緣性能試驗可得,漏電流均不大于10 mA,符合標準要求。這證明高壓安全防范設計滿足要求,可有效保障測試人員人身安全、提升測試過程安全性。

4 效果驗證

4.1 測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性

通過試驗,本文分別對堆外核測量系統(tǒng)的源量程(source range,SR)、中間量程(intermediate range,IR)、功率量程(power range,PR)這3種高壓電源模塊的準確性設計前后進行高壓紋波測試。每組至少進行10次實際測量,并作相應數(shù)據(jù)對比。

SR、IR、PR的準確性設計前后測量數(shù)據(jù)比對如圖9所示。綜合分析圖9可知,準確性設計后測量高壓紋波的數(shù)據(jù)波動幅度明顯減小,紋波數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定。這說明測試準確性設計后,測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性得以提高,測試數(shù)據(jù)真實、有效。

圖9 準確性設計前后測量數(shù)據(jù)比對圖

4.2 抗干擾能力

為了驗證測試準確性設計后,在測試過程中的抗干擾能力得以提升,試驗對比準確性設計前后抗干擾測試能力。試驗以SR高壓輸出為對象,使用同樣的干擾源和干擾點位。試驗共抽取3～40 cm之間的固定距離點位10個,以進行測試數(shù)據(jù)對比。

準確性設計前后抗干擾能力數(shù)據(jù)對比如表2所示。

表2 準確性設計前后抗干擾能力數(shù)據(jù)對比

由表2可知:準確性設計前在距離干擾源12 cm以內均無法準確測試到紋波信號,且在后續(xù)測試距離下數(shù)據(jù)波動幅度明顯較大,測試結果可信度低;準確性設計后在距離干擾源最近3 cm處也能正常測試到紋波信號,后續(xù)測試距離下數(shù)據(jù)波動幅度較小,測試結果可信度高。這說明準確性設計后的抗干擾能力得到大幅提升。

5 測試流程標準化

為更好地提升高壓紋波測試的準確性、固化測試準確性設計成果,本文制定了專用的高壓測試操作流程和儀器使用規(guī)范。

堆外核測量系統(tǒng)高壓紋波測試流程如圖10所示。

測試的目的是防止“人因”造成安全事故,從而降低風險、提高測試效率。

在儀器使用規(guī)范方面,本文基于圖10的每個步驟,形成步驟中儀器設置統(tǒng)一性指導,以保證不同人員在測試過程的規(guī)范性和統(tǒng)一性,確保測試結果的真實有效。

6 結論

本文結合實際工程運用,開展對堆外核測量系統(tǒng)輸出高壓紋波測試準確性的研究,總結了1套適合于堆外核測量系統(tǒng)高壓紋波準確性測試的方法。該方法首先利用數(shù)據(jù)仿真技術計算出符合測試要求的隔離濾波電容,設計、制作符合屏蔽要求的結構體,優(yōu)化紋波信號傳輸線纜工藝;然后通過一系列耐壓試驗和干擾試驗,驗證高壓紋波準確性測試方法的安全性和可靠性;最后制定標準化測試流程及儀器操作規(guī)范,以解決高壓紋波測試過程易受到外部電磁環(huán)境干擾導致數(shù)據(jù)波動大、不穩(wěn)定的問題。這將確保高壓紋波測試的準確性和數(shù)據(jù)的有效性,并提升高壓紋波測試效率,從而保證項目供貨時的產(chǎn)品質量。

同時,本文方法也可以運用于其他核電項目設備參數(shù)測試,以提升測試的有效性、提高核電產(chǎn)品供貨質量和競爭力。