1E级变送器响应时间标准研究

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(三门核电有限公司，浙江 三门 317100)

三门核电站一期工程作为国家首个三代核电自主化依托项目引进美国 AP1000核电技术,其技术规范书规定：反应堆紧急停堆系统响应时间是从通道敏感元件监测的参数超过其紧急停堆设定值至钩爪线圈失去电压为止的时间间隔；专设响应时间是从通道敏感元件监测的参数超过该专设安全设施驱动设定值至专设安全设施的设备完成其安全功能(即阀门行进到所要求的位置)的时间间隔[1]。美国NRC在FSAR第十六章对反应堆保护的响应时间做了进一步要求，明确反应堆保护响应时间是传感器响应时间、信号处理时间、设备动作时间之和，即通道的响应时间分解为“仪表响应时间+反应堆保护机架响应时间+就地设备响应时间”，并要求电厂运行后执行仪表响应时间的监督试验[2]。

因信号处理时间和设备动作时间与国内其他核电测试类似，而传感器响应时间测试在中国业界从未执行过，且AP1000核电机组送保护系统所用的传感器具体型号不符合美国WEC的三种豁免条件:1)基于可接受的响应时间试验的历史数据(液压、噪声、断电试验)；2)就地的、厂区内或厂区外(供货商)试验测量；3)利用供货商设计规格书。所以其他型号的传感器响应时间验证必须通过试验来证明，故AP1000项目需要对送保护系统的传感器进行响应时间测试。

本文主要针对1E级变送器的国外、国内及行业响应时间测试的标准、测量的方法进行分析，结合噪声分析获取变送器的模型，对变送器测量原理展开研究，通过对变送器模型的分析，比较阶跃和斜坡测试，对国家/行业标准提出修订建议。

1 响应时间测试概述

三门核电反应堆保护系统的仪表响应时间测试主要涉及1E级变送器、1E级PT100热电阻，堆芯补水箱磁浮筒液位、安全壳放射性高辐射探测器。本文主要分析1E级变送器的响应时间测试。

对于核电站变送器的响应时间测试，目前国内业界有两种方式进行响应时间测试：一种为打压至变送器的满量程输出后进行瞬时泄压，取量程输出的63.2%对应的一阶时间常数г为变送器的响应时间；另一种为输入信号产生阶跃变化，测量从阶跃产生到输出信号值达到输入变化量80%所对应经历的时间作为响应时间。

《核电厂安全重要仪表通道性能监督试验》对1E级压力变送器响应时间做了明确规定的两种方法，一种为常规方法(阶跃响应、斜波响应)，另一种为在线方法(噪声分析技术)[3]。但因原国内核电站对仪表响应时间无硬性要求，电站的最终安全分析报告也没有做明确要求，所以没有相应的市场需求，导致国内仪表厂家对于1E级变送器测试引用标准不统一。

国内业界对于1E级变送器响应时间测量已建立中华人民共和国能源行业标准，但具体的测试方法及论证是空白区域，也无相应的测试设备及软件QA程序(包括软件开发及软件V&V验证)来支持，所以该标准还未经过实践的验证。

2 响应时间测试分析

AP1000第三代压水堆核电站1E级变送器主要用于测量工艺系统的关键参数，参与核电厂控制和停堆专设保护的重要功能，但1E级变送器在使用一段时间之后，其响应时间会存在降级的可能。如引压管堵塞会明显增加变送器的响应时间，引起变送器测量动态性能的降级，这将威胁到核电厂安全功能响应的时效性。通过测试1E级变送器的响应时间，可以提前发现变送器的降级。

变送器性能主要以精度和响应时间来衡量，精度反映的是与实际压力的接近程度；而响应时间反映的是跟踪工艺系统介质压力变化反应快慢，核电厂的大多数1E级变送器响应时间在0.1～0.3 s，响应时间测试的意义可在变送器校验通过的情况下提前发现变送器降级[4]。

一台压力变送器响应时间性能的降级通常表现在动态响应特性的增量，与基线或参考值发生偏离。在大多数情况下，如果响应时间的时间常量或延迟的斜率时间增加，那相应的衰减的频率将降低。或者说，压力变送器衰减速率增加，响应时间降级[5]。

AP1000压力变送器的验收标准根据实际测点的不同，其验收标准不尽相同，三门核电反应堆保护系统涉及的变送器厂家型号、测点及验收标准如表1所示。

表1 三门核电1E级变送器一览表

2.1 国内通行测量方法

目前，国内变送器生产厂家的测量原理都是一样的，即采用离线阶跃响应的测量方法。涉及1E级变送器响应时间的法规标准见表2，反映了标准不尽统一，且存在着企业引用标准混乱的现象。

表2 变送器响应时间测量的相关标准Table 2 The Standards for transmitter response time measurement

2.2 一阶变送器响应分析

核电厂的1E级变送器满足以下特征：

1)变送器响应是线性响应，变送器的输出电流/电压与变送器受到的压力成正比关系;

2)变送器输出为稳态输出，仪表接收到稳定激励，输出是稳定的，不会无限震荡或者发散;

3)变送器为内部固有参数短时间内不会变化。

根据标准《核电厂安全重要压力变送器鉴定规程》，变送器响应时间为阶跃变化的10%～90%，根据仿真结果，其响应时间为0.319 s，大于验收准则，且和实际响应时间偏差较大，仿真结果如图1所示。

根据《核电厂安全重要仪表压力变送器》等标准，变送器响应时间为阶跃变化的0～90%，根据仿真结果，其响应时间为0.334 s，大于验收准则，且和实际响应时间偏差较大，仿真结果如图2所示。

根据某企业变送器响应时间的做法，响应时间为阶跃变化63.2%时的时间为0.145 s和我们预期结果一致，仿真结果如图3所示。

图1 一阶阶跃响应(10%～90%)Fig.1 One order step response(10%～90%)

图2 一阶阶跃响应(0～90%)Fig.2 One order step response(0～90%)

图3 一阶阶跃响应(0～63.2%)Fig.3 One order step response (0～63.2%)

根据IEC标准62385，通过斜坡测试，如图4所示，当斜坡输入和斜坡响应的值都为0.059 9时，两条曲线接近平行，斜坡响应测试的结果为：0.885 s-0.74 s=0.145 s，显然和预期的延时一致，仿真结果如图4所示。

图4 一阶斜坡响应Fig.4 One order ramp response

根据上述分析，目前部分标准的存在缺陷，如果按照10%～90%或者0～90%的标准作为变送器阶跃响应时间的验收标准，会导致特征函数为一阶的变送器出现不合格的情况，因此必须对当前响应时间的标准进行修改，可以使标准反应仪表真实的延时特性。是否可以用63.2%作为阶跃响应时间的标准，我们需要进一步分析高阶变送器的响应分析。

2.3 高阶变送器响应分析

通过噪声分析，获取三门核电某变送器的特征函数为二阶，下面以二阶为例进行分析，其阶跃响应时间按照63.2%的标准进行分析，结果图5所示，响应时间为0.174 s.

图5 二阶阶跃响应Fig.5 Two order step response

标准IEC 62385中，规定了变送器离线响应时间测试方法为斜坡测试，对于上面的二阶变送器，我们模拟斜坡测试，如图6所示。

图6 二阶斜坡响应Fig.6 Two order ramp response

当斜坡输入和斜坡响应的值都为0.499时，两条曲线接近平行，斜坡测试结果为0.671-0.536 9=0.134 1 s，对于二阶系统而言，采用阶跃的响应时间和斜坡测试的响应时间明显存在差别。相对于阶跃响应测试，斜坡信号更能接近于现场工况变化的实际情况。

阶跃响应时间测试方法是一种落后的测试技术，无法准确地反应变送器响应时间，美国AMS公司采用斜坡测试对变送器进行响应时间测试已经有30多年历史。三门核电已通过斜坡响应测试方法检查出有两台变送器超标(表3)，更换后最终结果正常，得以证明此方法是行之有效的。

表3 经RAMP检测不合格的两台变送器Table 3 Failed transmitter detected by the ramp test

2.4 斜坡测试理论分析

高阶模型延时环节在指数项，且变送器为稳定模型，所以当t趋于无穷大时，阶跃响应函数必然收敛，要收敛指数项随时间衰减。

在实际工程应用中，可以允许一定的偏差存在，因此斜坡响应只要在一定的时间范围内和斜坡输入接近平行即可。

3 结 论

通过上述分析，发现当前国内行业标准响应时间准则设置不合理，阶跃响应无法可靠地反应变送器的响应时间，斜坡响应可以更准确地反映变送器的响应时间。

目前国内业界对于仪表响应时间基本停留在最常规的技术状态下，使用阶跃响应定义仪表响应时间，当前行业标准或者国家标准中，对响应时间的规定不太合理，使用阶跃响应求取响应时间和实际响应时间偏差过大，会导致响应时间合格的仪表出现不合格的情况，不能及时有效地发现仪表响应时间的降级。因此建议对国内及行业标准进行修订，以斜坡响应的延时作为仪表响应时间的标准，并取消阶跃响应时间的相关标准。

国内核电领域急需开发斜坡响应时间测试设备，弥补行业内的空白。