核电厂核仪表系统信号异常原因分析及改进

李天友 田亚杰 任立永 刘光明

(深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518172)

0 引言

核仪表系统(RPN)采用分布于反应堆压力容器外的一系列中子探测器来测量反应堆功率、功率变化率及轴向功率偏差等，是关系到反应堆安全的重要系统［1］。目前，法国大部分机组、国内在运在建机组、核电三代技术机组在核仪表系统源量程通道所使用的探测器为涂硼正比计数管。其信号属于极微小信号，易受到干扰，而用于传输该信号的通道存在不同的薄弱环节，干扰源易通过这些薄弱环节使源量程信号异常。

对于源量程通道信号异常事例，国外鲜有报道。在国内某核电项目上，RPN 源量程出现了多频次信号异常情况，对现场调试、机组商运工作带来了极大干扰。而对于RPN 源量程信号的异常处理，国内外也无成熟处理经验，所以对RPN 源量程信号异常的薄弱环节及预防措施进行系统性研究，具有现实性和必要性。

1 法规标准分析

根据IEC 61226“核电站重要安全性仪器仪表和控制功能分级”［2］要求，核仪表系统(RPN)需可靠稳定地执行其安全功能。

GB_13284“核电厂安全系统准则”［3］规定核电厂安全系统需要考虑电磁干扰对系统可能导致的运行异常或者损坏。GB_11684“核仪器电磁环境条件与试验方法”［4］提到核电厂反应堆仪器具有显著的电磁敏感性，具有长电缆、低信号水平和宽频带等特点，需结合安全性与可靠性的严格要求，谨慎对待电磁干扰效应。本文根据核仪器电磁环境条件与试验方法的规定，以RPN 源量程信号异常事件为研究对象，通过开展现场实地测试，分析核电厂RPN 系统信号异常薄弱环节并制定改进措施。

2 源量程通道及信号异常

2.1 源量程通道

RPN 源量程测量通道由CPNB44 型涂硼正比计数管探测器、连接板、连接电缆及一个包含调理单元与处理单元的保护机柜组成，其测量信号送至反应堆保护机柜进行处理及参与保护。源量程通道组成及示意图如图1 所示。

图1 RPN 源量程通道组成示意图Fig.1 Schematic diagram of the composition of RPN source range channels

2.2 信号异常现象

在某核电项目上数次出现RPN 源量程信号异常现象，异常信号以闪发尖峰形式波动，最大闪发尖峰值达到1E+5 cps(表征计数率)之上。闪发以几个小时一次频率出现，部分异常事件导致反应堆跳堆。

3 信号传输分析

源量程通道由CPNB44 型探测器产生脉冲信号，信号经由一体化电缆、连接板、贯穿件及生物屏蔽电缆通路传输，进入RPN 保护机柜进行放大、甄别、数据处理等。

中子探测器有一个密封的包壳，探测器计数管内壁涂硼，管内充以氩气和少量的二氧化碳，并外加高压直流电(850 V)形成一个电场。每个中子与硼碰撞发生核反应，产生α 粒子和γ 射线。其中，α 粒子使计数管内的氩气电离，产生正负离子。在外加电场作用下，离子分别向正、负电极运行，形成电脉冲。核反应方程式如下:

信号的处理由RPN 保护机柜完成，保护机柜包含调理单元与处理单元。调理单元执行功能包括提供探测器工作高压，进行脉冲信号前置放大、后置放大、滤波、甄别，以消除γ 射线噪声影响。处理单元实现计数率计算、计数率转换为电流、对数放大、计算倍增周期和输出模拟信号等功能。

从RPN 机柜进入RPS 机柜的信号，在RPS 内部将对数电流信号，反转换为计数率信号，同时在RPS 机柜内部完成阈值比较，实现反应堆保护、记录、指示及报警功能。

结合上述传输路径，源量程信号通过探测器的生成、电缆通路传输、叠加干扰，进入RPN 机柜，在机柜中经前置放大、甄别放大和滤波整形，以对数电流形式进入RPS 机柜，在RPS 机柜中进行阈值比对、参与反应堆保护和触发报警信号。RPN 信号传输波形如图2 所示。

图2 RPN 传输波形示意图Fig.2 Schematic diagram of RPN transmission waveform

4 等效电路分析及理论干扰源

通过对源量程通道组成及信号传输的分析［5］，建立源量程通道等效电路图，如图3 所示。图3 中，Id为探测器等效脉冲电流，Il、Rd分别对应泄漏电流、绝缘电阻，Ie对应电磁干扰等效电流源电流，Im、Rm分别对应测量电流、测量电阻，R1、R2、R3分别对应传输线路电阻，Cd、Cm分别对应探测器及传输线路分布电容、测试电路输入电容，Ud为探测器高压电压源电压。

图3 探测器回路等效电路图Fig.3 Equivalent circuit of the detector loop

在CPNB44 正比计数管的阴极和阳极之间施加一个直流高压源，当探测器稳态工作时，其测量电流为:

其中，Id受供电电压、探测器灵敏度、中子通量密度影响。

其泄漏电流为:

由于Rd＞＞(R1+R2+R3+Rm)，泄漏电流的贡献是小的，所以一般来说:

从以上理论分析和电路图可以看出，影响RPN 测量电流的影响因素有:①探测器脉冲等效电流Id，与探测器本体的灵敏度、探测器高压Ud、堆芯实际布置等有关;②探测器绝缘电阻Rd，由于源量程通道从探测器本体至机柜贯穿，并在机柜侧进行统一接地，所以该绝缘电阻与探测器绝缘电阻、连接板、连接电缆、贯穿件及机柜绝缘电阻有关;③线路连接电阻R1、R2、R3，与连接板连接接头、贯穿件接头、机柜接头的连接性能相关;④线路电磁环境影响等效电流Ie，电缆路径上其他系统动力设备或者动力源，造成线缆传输中脉冲信号叠加干扰信号，使得测试失真。

以上影响因素可以分为三类干扰源:I 类，探测器性能，对应上述影响因素①;II 类:电阻变化，对应上述影响因素②、③;III 类，电磁干扰，对应上述影响因素④。

5 电磁干扰测试

5.1 测试方法

因外界电磁干扰对RPN 系统的影响主要表现为对RPN 系统两条信号链路的干扰，所以RPN 系统的两条信号链路将成为RPN 系统源量程EMC 测量的主要测量参考。RPN 系统外界电磁干扰的测量将主要沿两条源量程通道电缆路径展开。RPN 系统源量程信号链路沿线存在诸多电气设备，如大型机柜、不间断电源、空调、照明设备等。虽然这些设备均已经过EMC 鉴定，但局限于现场空间，设备临近布置，是否会产生叠加电磁干扰尚不得而知，因此这些用电设备的周围应该布置适当的监测点。

对空间电磁环境和用电设备产生的电磁骚扰，采用场强测量仪进行监测。对通过用电设备连接线缆向外辐射的电磁骚扰，采用电流探头和频谱分析仪进行测试。

5.2 测试结果及分析

现场基于RPN 源量程通道路径上设备所处房间进行了全范围测量，表1 给出了R450 测量数据示例。

表1 R450 测量数据表Tab.1 R450 measurement data

通过RPN 源量程通道的现场查勘和电磁环境检测，初步得出以下结论。

①I 通道周边用电设备电场发射强度高于II 通道用电设备。

②节能灯是机组内的一个主要电磁骚扰源，且相应的抑制措施不到位;此外，节能灯电磁发射在某些频段超出GB 17743［6］要求。

③设备所承受的电磁干扰强度稍有不同，I 通道所受到电磁干扰强度比II 通道大。

④机组内的托盘、机柜、贯穿件等，存在接地与屏蔽问题。

6 薄弱环节分析及改进

6.1 薄弱环节分析

对于RPN 源量程通道来说，可能造成影响的I 类干扰源、II 类干扰源和III 类干扰源如下。

①I 类干扰源。

探测器014MA/024MA 本体性能下降，探测器014MA/024MA 灵敏度变化，探测器014MA/024MA 高压品质影响，探测器014MA/024MA 容器布置位置变动，探测器安装后核岛湿度等影响。

②II 类干扰源。

探测器014MA/024MA 绝缘电阻性能，一体化电缆绝缘电阻性能，连接板090PJ/270PJ 连接绝缘性能，同轴电缆CZ24 和CP711 连接绝缘性能，贯穿件ZZZL514/ZZZL530 连 接 绝 缘 性 能，RPN001AR 和RPN002AR 连接绝缘性能，连接板090PJ/270PJ 接头连接状态，贯穿件ZZZL514/ZZZL530 接头连接状态，RPN001AR 和RPN002AR 接头连接状态，公母接头的现场制作和现场环境影响。

③III 类干扰源。

环境电磁干扰效应，源量程电缆路径通道周边动力源;设备抗干扰能力及耦合路径，一体化电缆、CZ24、CP711 电缆屏蔽性能;电缆托盘密封性能和屏蔽性;电缆托盘的接地;电气及照明系统低压电缆布置影响。

采用故障树分析方法，针对上述薄弱环节和干扰源，建立RPN 源量程信号异常故障树。通过对已发生事件分析、同类型因素对比分析和现场勘测数据比对等，排除故障树无关枝节，得到源量程信号异常的技术原因故障树。

6.2 技术原因

从组成系统的设备层面分析，导致信号异常的原因如图4 所示，技术原因说明如下。

(1)探测器或连接头故障。

(2)连接头故障与周边电磁环境不相适应，或者专用托盘设备不符合安装要求，将导致RPN 承受较强的电磁干扰。

(3)连接头降级至与运行环境的温湿度不相适应。

图4 信号异常薄弱环节故障树Fig.4 Weak link fault tree of signal abnormality

6.3 改进

应严格按照质保大纲进行RPN 源量程设备的设计和制造，保证设备的质量;加强监造、验收环节的控制，在验收活动中增加RPN 抗电磁干扰能力测试。

应加强RPN 设备施工管理与控制，重点需满足下述几点:①核岛内设备尽可能等待通风系统投入运行、厂房内温湿度条件达到安装要求后再进行安装活动;②对于接头的制造和连接等关键活动，应制定标准作业流程;③对于接头的制作和连接等关键的安装活动要保证由丰富经验的人员执行，建议设置考核上岗机制;④注意保证按照环境条件，特别是I 通道，应保证安装活动的温湿度和有良好的照明。

7 结束语

本文基于IEC 61226 要求及GB 11684 电磁环境条件与试验方法规定，通过分析源量程通道组成、信号异常现象、信号传输线路及传输波形，建立源量程通道等效电路模型，对模型进行电路分析，得到源量程通道理论干扰源。结合理论分析结果和系统组成，建立RPN 源量程信号异常故障树，通过排除故障树无关枝节，得到源量程信号异常的薄弱环节及原因，并给出改进及应对措施。RPN 信号异常薄弱环节分析及改进成果已经应用于工程实际，本文研究成果对国内外同类事件的处理具有现实的指导意义。

［1］ 苏林森，杨辉玉，王复生，等.900 MW 压水堆核电站系统与设备［M］.北京:原子能出版社，2007:255 -266.

［2］ IEC 61226 Nuclear power plants - Instrumentation and control systems important to safety - Classification of instrumentation and control functions［S］.2009.

［3］ 国家质量监督检验检疫总局.GB/T 13284-1 -2008 核电厂安全系统第1 部分:设计准则［S］.北京:中国标准出版社，2008.

［4］国家质量监督检验检疫总局.GB/T 11684 -2003 核仪器电磁环境条件与试验方法［S］.北京:中国标准出版社，2003.

［5］ 李树成，夏良通，汤仲鸣，等.铑自给能探测器电流信号计算方法及影响因素［J］. 核电子学与探测技术，2011，31(5):565 -567.

［6］国家质量监督检验检疫总局.GB/T 17743 -2007 核仪器电磁环境条件与试验方法［S］.北京:中国标准出版社，2008.