核仪表系统中间量程通道量程切换问题研究

肖 宇，汪 宇，赵云涛

(中广核工程有限公司，广东 深圳 518124)

0 引言

核仪表系统(业内简称“RPN”)作为重要的核电厂反应堆核功率的在线监测系统[1]之一，直接与核安全相关。该系统由源量程、中间量程与功率量程组成。每个量程包括对应的探测器、电缆以及处理板卡。其中：源量程通道的覆盖范围为1～1.6×106cps，主要在反应堆停、启堆以及换料状态下使用；功率量程通道的覆盖范围为1×10-6～1×10-3A，主要在功率运行阶段使用。中间量程被用于监视反应堆堆芯在启动后的注量率水平及倍增周期，其中子注量率范围为1.35×102～1.35×1010n·cm-2·s-1，对应的电流信号为1×10-11～10×103A，包括了8个数量级。由于中间量程测量通道范围较广，系统设计为采用自动量程切换的方式，可以提高信号的精度。量程的切换根据电流信号的变化自动进行。该过程在测量通道的信号处理卡件内完成，其电流信号通过对数运算后转换成4～20 mA标准信号对外输出。在此种技术方案中，若软件相关参数设置不当，就会产生异常尖峰电流，甚至导致跳堆。

本文通过对核仪表系统内部功能分析，介绍了异常出现后的故障定位，查找根本原因，最终提出解决方案，并完成向后续项目的反馈。

1 故障背景

2013年1月23日，某核电厂1号机组反应堆处于次临界状态，堆芯核功率缓慢下降，RPN中间量程所测量的电流值也在缓慢下降。一段时间后，反应堆跳堆，经对历史数据的整理，在事故后监测系统数据中发现中间量程通道RPN013MA闪发超过停堆阈值1×10-8A的异常高电流，电流值为2×10-5A，经二取一逻辑后直接触发跳堆。由于时间极短，操纵员终端系统未能采集到。

2 原因分析及排查

在本次事件中有3个疑似触发跳堆信号故障点。

2.1 中间量程探测器及传输电缆部分

中间量程探测器使用补偿电离室。该类型探测器的原理是10B(n，α)7Li核反应，产生的7Li和α粒子在探测器内所充的气体中运动，损耗能量产生电离形成正负离子对，在电场的作用下向两极运动，形成正比于入射中子的电流信号并输出，经电缆传输至二次仪表[2]。在探测器失效以及信号电缆绝缘性能被破坏的情况下，有一定几率会产生异常电流。通过在机柜侧对探测器及电缆进行绝缘性、连续性及反射仪特性检查，结果均正常。通过对探测器进行曲线绘制，其结果合格。因此，可排除该异常电流是由探测器及电缆部分异常所引起的可能性。

2.2 反应堆保护系统

在反应堆保护系统内，由于卡件失效等原因，会造成系统内部运算异常，使输出异常。通过对历史数据的对比发现，在中间量程尖峰电流触发的同时，核仪表系统中间量程“低倍增周期”报警同时被触发。考虑到保护系统隔离加冗余设计特点和不同通道同时产生误报警的概率较低，因此，初步判定该尖峰电流是由核仪表系统中间量程真实发出，可排除故障点不在系统内。

2.3 RPN中间量程采集及处理部分

2.3.1 RPN中间量程工作原理

RPN中间量程设计的测量范围对应的中子注量率是1.35×102～1.35×1010n·cm-2·s-1，对应的探测器输出电流信号为10-11～10-3A，包括了8个数量级。为保证信号采集及处理的精度，系统采用了自动选择量程的采集处理方案，将8个数量级的电流范围分为7个量程，量程切换由系统软件自动进行。探测器采集的信号，通过机柜内ACCG4板件采集后，将微电流信号转换为0～10 V电压信号(模拟量)及1组5位编码信号(开关量)，其中包括3位量程编码、1位无效位信号、1位奇偶校验位信号。模拟量与开关量信号分别被16EANA板件与32ETOR板件所采集，后送至UC25板件进行处理。量程对应编码如表1所示。

表1 量程对应编码

中间量程信号连接如图1所示。

图1 中间量程信号连接图

图1中，ACCG4板件用于微电流信号的调理和放大，16EANA板件用于模拟量采集，32ETOR板件用于开关量采集，UC25处理板件为RPN系统内部信号处理板件，6SANA板件的功能为输出隔离。

2.3.2 试验模拟故障

通过对跳堆过程中的历史数据分析发现，中间量程电流在10-7A缓慢下降至10-8A的过程中，当电流值约为8.5×10-8A时产生尖峰电流，位于量程4到量程3切换点(板件特性，电压范围为0.85～9.90 V)。通过在输入端连接电流发生器模拟探测器信号，在输出端连接高速记录仪以记录信号变化情况。量程切换试验连接如图2所示。

图2 量程切换试验连接示意图

设置输入电流在(0.8～1.05)×10-7A之间连续变化，模拟ACCG4板件各量程切换过程，包括量程4与量程3切换过程。通过高速记录仪的录波显示，多次记录尖峰电流，验证了触发本次跳堆的异常尖峰电流来自于RPN本体。

试验模拟结果如下。①量程3与量程4切换，平均30～40次量程切换会记录一次尖峰电流，触发频率较为固定。②不仅在量程3与量程4间切换会触发尖峰电流，其余量程间切换同样会触发异常的尖峰电流，且各量程间切换触发尖峰电流的概率大致相同。

当量程切换时，ACCG4板件会发出无效信号，使得系统在量程切换过程中保持上一个有效值，防止过程量被系统采集，造成系统误判。直到无效信号消失后，系统开始采集最新的有效值。每个量程的编码均由0、1来表征。0、1是由板件内的继电器的得/失电来体现的。继电器的得/失电由继电器内衔铁的吸和释放来实现。由于继电器内的衔铁吸合与释放时间存在不一致的特性，吸合是一个充能过程，比释放过程稍快。经与RPN设备供应商确认，其使用在ACCG4板件内的继电器吸合与释放时间存在极短的差别，约为30 μs，即开关量从0～1的转换速度要快于1～0的转换速度[3-4]。以量程3与量程4切换为例，量程3切换至量程4的量程编码变化顺序为011-111-100；量程4切换至量程3的量程编码变化顺序为100-111-011。

当UC25板件接收到无效位信号时，会暂停运算，保持上一个有效值进行输出。为保证无效信号持续的时间能够完整覆盖整个量程切换过程，在UC25板件中针对每一个量程设置了附加延迟(additional delay,AD)参数。各量程AD参数如表2所示。

表2 各量程AD参数

从软件设计原理上看，无效位信号的产生应与量程切换同时进行。ACCG4板件内的逻辑量信号变化的不同步，可能造成无效信号的产生可能晚于量程切换开始。若此时过程量被UC25板件内CPU所采集，则会出现错误的运算导致输出结果错误，产生虚假的尖峰电流，从而引起中间量程相关报警及后续动作，例如倍增周期短报警、跳堆。

3 解决方案

根据上述试验结果及数据分析，明确了本次尖峰电流的产生是中间量程通道的UC25板件内采集了未被无效信号闭锁的量程编码“111”这一中间变量，导致虚假信号的产生。因此，可通过修改软件底层参数来避免类似的情况的再次发生，以实现对现场及设备影响的最小化。在模拟量程3与量程4切换的过程中，作为中间变量的量程7(编码“111”)对应的AD参数为0，意味着只要量程切换到量程7，将无法避免该过程量被UC25板件所采集并参与后续计算，导致错误结果的产生及输出。因ACCG4板件内继电器的吸合与释放时间相差约为30 μs，因此增加一个大于30 μs的延迟，即可有效避免中间变量被采集。考虑到UC25板件CPU扫描运算周期为10 ms，因此将量程7的AD时间调整为10 ms的整数倍，即可避免该情况的复现。同时，为保证数据的及时有效性，应选择最短的AD时间，即10 ms。该修改方案得到了设备供应商的认可。修改后的各量程AD参数如表3所示。

表3 修改后的各量程AD参数

通过修改中间量程AD参数，在现场进行多次重复试验，高速记录仪均未采集到异常尖峰电流，使现场问题得以彻底解决。该解决方案不涉及设备硬件及软件架构的修改，仅需对底层软件的部分参数进行优化，实现了对系统状态及机组进度影响的最小化。同时，该处理措施被反馈至全球多台在建及在运核电机组，消除潜在风险。

4 实施应用

EPR机组中，RPN系统的中间量程通道量程设置及量程切换方式与CPR1000机组类似。在系统正式投运前，根据CPR1000机组经验反馈，对EPR机组RPN系统中间量程通道量程切换进行试验，以防止共模故障的发生。

4.1 EPR机组RPN系统中间量程介绍

EPR机组中RPN系统的中间量程有4个通道，对应的跳堆保护信号为2/4逻辑。每一个中间量程通道测量范围对应的中子注量率为25～2.5×109cm-2·s-1，相对应的电流信号为1.05×10-12～1.05×10-4A，跨越了8个数量级。为保证测量电流的精度，中间量程采用自动可变量程方式，将10-12～10-3分为10个量程。量程由卡件根据测量信号的大小自动选择。在每个量程中，将对应的电流信号转换为1个模拟量信号及一组5位的逻辑量信号送出。其中，模拟量为0～10 V电压信号，逻辑量信号包括4个编码位(BIT)信号及1个有效位信号。量程对应编码如表4所示。

表4 量程对应编码

4.2 EPR机组中间量程通道量程切换试验

现场使用KEITHLY 6221电流源模拟探测器进行信号注入，通过多通道记录仪采集机柜输出信号，包括模拟量信号、有效位信号以及4位量程编码位。反应堆保护系统逻辑量信号采集模块的采集特性为:电压范围为13～33 V时，判定为高电平“1”；电压范围为-33～+7 V时，判定为低电平“0”。7～13V区间为回差范围。从高电平向低电平切换时只有电压降至7 V及以下，逻辑判断才会翻转(1变为0)；而从低电平向高电平切换时，则需电压升至13 V及以上，逻辑判断才会翻转(0变为1)。根据此特性，后续分析开关量变化的参考点不是电压起始变化点，而是7 V(下降沿时参考电压值)与13 V(上升沿参考电压值)。

4.2.1 上行量程切换试验

更高效的试验，需找到量程切换点的大致范围，从而在切换点数值附近进行电流数值的调整。首先通过电流源寻找每个量程的切换点，量程编码位从0001切换至0010时，切换点在9.6×10-12～9.7×10-12A之间。因此，设定初始值为9.6×10-12A，并使用记录仪开始采集，将电流值增大至9.7×10-12A。量程切换0001-0010如图3所示。

图3 量程切换0001-0010示意图

由此得出，上行时有效位与BIT位变化具有如下特性。

①下降沿变化快于上升沿。

②有效位下降沿出现稍快于编码位的下降沿。编码位从0001切换至0010时，中间会出现1.981 7 ms的0000错误码，但有效位最早出现反转。因此，0000错误码不被采集，量程切换正常。

4.2.2 模拟量变化与有效位信号变化对比

有效位翻转比模拟量变化早了5.457 2 ms。当模拟量基本处于最低点时，表明此时已切换至新量程，而有效位信号仍持续了300 ms左右才恢复。

由此得出，上行时模拟量切换具有如下特性。①有效位信号变化快于中间量程模拟量的变化，在模拟量变化前信号已变为无效。因此，理论上不会出现尖峰电流。②有效位时间足够长，不会在模拟量切换未结束时恢复闭锁。

4.2.3 下行量程切换分析

以1001切换至1000为例，切换点位于5.4×10-5～5.3×10-5A之间。同样采集模拟量、有效位信号、BIT1～BIT4信号。量程切换1001-1000如图4所示。

由图4可看出，有效位切换依然比BIT位切换要早140.8 μs。因此，在编码位变化前，信号已被闭锁。通过数据分析可知，模拟量比有效位变化早了3.574 6 ms。

图4 量程切换1001-1000示意图

在闭锁前，模拟量最大值为4.639 V，是稳定值(2.432 V)的1.907倍。因此，在此量程编码切换点有概率出现最大为实际值1.907倍的扰动信号。本试验参数均为人工选取及判定，非定量试验，仅用作定性了解。

在EPR机组中，RPN无逻辑运算的功能，是在RPR中实现。RPR中CPU的扫描周期是25 ms。最终经设计方确认，通过在RPR中RPN模拟量采集通道增加1个延迟模块(25 ms)，解决了量程切换产生异常尖峰电流的问题。从反应堆起堆到满功率运行期间，均未发现中间量程有异常尖峰电流的产生，证明该解决方案是成功的。

5 结论

通过对某核电厂1号机组发生的跳堆事件进行分析，确定RPN中间量程通道异常电流触发的原因。通过故障模拟，提出了行之有效的解决方案，顺利解决了这一重大异常现象，同时完成了向后续CPR及EPR机组的反馈，提前消除了潜在的跳堆风险，达到了提高机组安全运行水平的目的。