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經(jīng)驗介紹:核電廠核儀表系統(tǒng)信號異常原因分析及改進(jìn)
作者:鄭曉敏

    核儀表系統(tǒng)( RPN)采用分布于反應(yīng)堆壓力容器外的一系列中子探測器來測量反應(yīng)堆功率、功率變化率及軸向功率偏差等,是關(guān)系到反應(yīng)堆安全的重要系統(tǒng)。目前,法國大部分機(jī)組、國內(nèi)在運在建機(jī)組、核電三代技術(shù)機(jī)組在核儀表系統(tǒng)源量程通道所使用的探測器為涂硼正比計數(shù)管。其信號屬于極微小信號,易受到干擾,而用于傳輸該信號的通道存在不同的薄弱環(huán)節(jié),干擾源易通過這些薄弱環(huán)節(jié)使源量程信號異常。

    對于源量程通道信號異常事例,國外鮮有報道。在國內(nèi)某核電項目上,RPN源量程出現(xiàn)了多頻次信號異常情況,對現(xiàn)場調(diào)試、機(jī)組商運工作帶來了極大干擾。而對于RPN源量程信號的異常處理,國內(nèi)外也無成熟處理經(jīng)驗,所以對RPN源量程信號異常的薄弱環(huán)節(jié)及預(yù)防措施進(jìn)行系統(tǒng)性研究,具有現(xiàn)實性和必要性。

1法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)分析

    根據(jù)IEC 61226核電站重要安全性儀器儀表和控制功能分級要求,核儀表系統(tǒng)( RPN)需可靠穩(wěn)定地執(zhí)行其安全功能。

    GB_13284核電廠安全系統(tǒng)準(zhǔn)則規(guī)定核電廠安全系統(tǒng)需要考慮電磁干擾對系統(tǒng)可能導(dǎo)致的運行異常或者損壞。GB_11684“核儀器電磁環(huán)境條件與試驗方法”提到核電廠反應(yīng)堆儀器具有顯著的電磁敏感性,具有長電纜、低信號水平和寬頻帶等特點,需結(jié)合安全性與可靠性的嚴(yán)格要求,謹(jǐn)慎對待電磁干擾效應(yīng)。本文根據(jù)核儀器電磁環(huán)境條件與試驗方法的規(guī)定,以RPN源量程信號異常事件為研究對象,通過開展現(xiàn)場實地測試,分析核電廠RPN系統(tǒng)信號異常薄弱環(huán)節(jié)并制定改進(jìn)措施。

2  源量程通道及信號異常

2.1源量程通道

RPN源量程測量通道由CPNB44型涂硼正比計數(shù)管探測器、連接板、連接電纜及一包含調(diào)理單元與處理單元的保護(hù)機(jī)柜組成,其測量信號送至反應(yīng)堆保護(hù)機(jī)柜進(jìn)行處理及參與保護(hù)。源量程通道組成及示意圖如圖1所示。

2.2信號異常現(xiàn)象

    在某核電項目上數(shù)次出現(xiàn)RPN源量程信號異,F(xiàn)象,異常信號以閃發(fā)尖峰形式波動,最大閃發(fā)尖峰值達(dá)到1E +5 cps(表征計數(shù)率)之上。閃發(fā)以幾個小時一次頻率出現(xiàn),部分異常事件導(dǎo)致反應(yīng)堆跳堆。

3信號傳輸分析

源量程通道由CPNB44型探測器產(chǎn)生脈沖信號,信號經(jīng)由一體化電纜、連接板、貫穿件及生物屏蔽電纜通路傳輸,進(jìn)入RPN保護(hù)機(jī)柜進(jìn)行放大、甄別、數(shù)據(jù)處理等。

    中子探測器有一個密封的包殼,探測器計數(shù)管內(nèi)壁涂硼,管內(nèi)充以氬氣和少量的二氧化碳,并外加高壓直流電(850 V)形成一個電場。每個中子與硼碰撞發(fā)生核反應(yīng),產(chǎn)生d粒子和1射線。其中,0L粒子使計數(shù)管內(nèi)的氬氣電離,產(chǎn)生正負(fù)離子。在外加電場作用下,離子分別向正、負(fù)電極運行,形成電脈沖。核反應(yīng)方程式如下:

信號的處理由RPN保護(hù)機(jī)柜完成,保護(hù)機(jī)柜包含調(diào)理單元與處理單元。調(diào)理單元執(zhí)行功能包括提供探測器工作高壓,進(jìn)行脈沖信號前置放大、后置放大、濾波、甄別,以消除1射線噪聲影響。處理單元實現(xiàn)計數(shù)率計算、計數(shù)率轉(zhuǎn)換為電流、對數(shù)放大、計算倍增周期和輸出模擬信號等功能。

從RPN機(jī)柜進(jìn)入RPS機(jī)柜的信號,在RPS內(nèi)部將對數(shù)電流信號,反轉(zhuǎn)換為計數(shù)率信號,同時在RPS機(jī)柜內(nèi)部完成閾值比較,實現(xiàn)反應(yīng)堆保護(hù)、記錄、指示及報警功能。

結(jié)合上述傳輸路徑,源量程信號通過探測器的生成、電纜通路傳輸、疊加干擾,進(jìn)入RPN機(jī)柜,在機(jī)柜中經(jīng)前置放大、甄別放大和濾波整形,以對數(shù)電流形式進(jìn)入RPS機(jī)柜,在RPS機(jī)柜中進(jìn)行閾值比對、參與反應(yīng)堆保護(hù)和觸發(fā)報警信號。RPN信號傳輸波形如圖2所示。

4等效電路分析及理論干擾源

通過對源量程通道組成及信號傳輸?shù)姆治,建立源量程通道等效電路圖,如圖3所示。圖3中,Id為探測器等效脈沖電流,Il、Rd分別對應(yīng)泄漏電流、絕緣電阻,Ie對應(yīng)電磁干擾等效電流源電流,Im、Rm分別對應(yīng)測量電流、測量電阻,R1、R2、R3分別對應(yīng)傳輸線路電阻,Cd、Cm分別對應(yīng)探測器及傳輸線路分布電容、測試電路輸入電容,Ud為探測器高壓電壓源電壓。

在CPNB44正比計數(shù)管的陰極和陽極之間施加一個直流高壓源,當(dāng)探測器穩(wěn)態(tài)工作時,其測量電流為:

其中,Ud受供電電壓、探測器靈敏度、中子通量密度影響。

其泄漏電流為:

由于Rd>>(R1+R2 +R3 +R。),泄漏電流的貢獻(xiàn)是小的,所以一般來說:

從以上理論分析和電路圖可以看出,影響RPN測量電流的影響因素有:①探測器脈沖等效電流Id,與探測器本體的靈敏度、探測器高壓Ud、堆芯實際布置等有關(guān);②探測器絕緣電阻Rd,由于源量程通道從探測器本體至機(jī)柜貫穿,并在機(jī)柜側(cè)進(jìn)行統(tǒng)一接地,所以該絕緣電阻與探測器絕緣電阻、連接板、連接電纜、貫穿件及機(jī)柜絕緣電阻有關(guān);③線路連接電阻R1、R2、R3與連接板連接接頭、貫穿件接頭、機(jī)柜接頭的連接性能相關(guān);④線路電磁環(huán)境影響等效電流I,電纜路徑上其他系統(tǒng)動力設(shè)備或者動力源,造成線纜傳輸中脈沖信號疊加干擾信號,使得測試失真。

以上影響因素可以分為三類干擾源:I類,探測器性能,對應(yīng)上述影響因素①;II類:電阻變化,對應(yīng)上述影響因素②、③;III類,電磁干擾,對應(yīng)上述影響因素④。

5  電磁干擾測試

5.1測試方法

因外界電磁干擾對RPN系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)為對RPN系統(tǒng)兩條信號鏈路的干擾,所以RPN系統(tǒng)的兩條信號鏈路將成為RPN系統(tǒng)源量程EMC測量的主要測量參考。RPN系統(tǒng)外界電磁干擾的測量將主要沿兩條源量程通道電纜路徑展開。RPN系統(tǒng)源量程信號鏈路沿線存在諸多電氣設(shè)備,如大型機(jī)柜、不間斷電源、空調(diào)、照明設(shè)備等。雖然這些設(shè)備均已經(jīng)過EMC鑒定,但局限于現(xiàn)場空間,設(shè)備臨近布置,是否會產(chǎn)生疊加電磁干擾尚不得而知,因此這些用電設(shè)備的周圍應(yīng)該布置適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測點。

對空間電磁環(huán)境和用電設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾,采用場強(qiáng)測量儀進(jìn)行監(jiān)測。對通過用電設(shè)備連接線纜向外輻射的電磁騷擾,采用電流探頭和頻譜分析儀進(jìn)行測試。

5.2測試結(jié)果及分析

現(xiàn)場基于RPN源量程通道路徑上設(shè)備所處房間進(jìn)行了全范圍測量,表1給出了R450測量數(shù)據(jù)示例。

通過RPN源量程通道的現(xiàn)場查勘和電磁環(huán)境檢測,初步得出以下結(jié)論。

①I通道周邊用電設(shè)備電場發(fā)射強(qiáng)度高于II通道用電設(shè)備。

    ②節(jié)能燈是機(jī)組內(nèi)的一個主要電磁騷擾源,且相應(yīng)的抑制措施不到位;此外,節(jié)能燈電磁發(fā)射在某些頻段超出GB  17743要求。

③設(shè)備所承受的電磁干擾強(qiáng)度稍有不同,I通道所受到電磁干擾強(qiáng)度比II通道大。

④機(jī)組內(nèi)的托盤、機(jī)柜、貫穿件等,存在接地與屏蔽問題。

6  薄弱環(huán)節(jié)分析及改進(jìn)

6.1薄弱環(huán)節(jié)分析

對于RPN源量程通道來說,可能造成影響的I類干擾源、II類干擾源和III類干擾源如下。

①I類干擾源。

探測器014MA/024MA本體性能下降,探測器014MA/024MA靈敏度變化,探測器014MA/024MA高壓品質(zhì)影響,探測器014MA/024MA容器布置位置變動,探測器安裝后核島濕度等影響。

②II類干擾源。

探測器014MA/024MA絕緣電阻性能,一體化電纜絕緣電阻性能,連接板090PJ/270PJ連接絕緣性能,同軸電纜C224和CP711連接絕緣性能,貫穿件ZZZL514/ZZZL530連接絕緣性能,RPNOOIAR和RPN002AR連接絕緣性能,連接板090PJ/270PJ接頭連接狀態(tài),貫穿件ZZZL514/ZZZL530接頭連接狀態(tài),RPNOOIAR和RPN002AR接頭連接狀態(tài),公母接頭的現(xiàn)場制作和現(xiàn)場環(huán)境影響。

③III類干擾源。

環(huán)境電磁干擾效應(yīng),源量程電纜路徑通道周邊動力源;設(shè)備抗干擾能力及耦合路徑,一體化電纜、C224、Cly711電纜屏蔽性能;電纜托盤密封性能和屏蔽性;電纜托盤的接地;電氣及照明系統(tǒng)低壓電纜布置影響。

采用故障樹分析方法,針對上述薄弱環(huán)節(jié)和干擾源,建立RPN源量程信號異常故障樹。通過對已發(fā)生事件分析、同類型因素對比分析和現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)比對等,排除故障樹無關(guān)枝節(jié),得到源量程信號異常的技術(shù)原因故障樹。

6.2技術(shù)原因

    從組成系統(tǒng)的設(shè)備層面分析,導(dǎo)致信號異常的原因如圖4所示。

 技術(shù)原因說明如下。

(1)探測器或連接頭故障。

(2)連接頭故障與周邊電磁環(huán)境不相適應(yīng),或者專用托盤設(shè)備不符合安裝要求,將導(dǎo)致RPN承受較強(qiáng)的電磁干擾。

(3)連接頭降級至與運行環(huán)境的溫濕度不相適應(yīng)。

6.3改進(jìn)

應(yīng)嚴(yán)格按照質(zhì)保大綱進(jìn)行RPN源量程設(shè)備的設(shè)計和制造,保證設(shè)備的質(zhì)量;加強(qiáng)監(jiān)造、驗收環(huán)節(jié)的控制,在驗收活動中增加RPN抗電磁干擾能力測試。

應(yīng)加強(qiáng)RPN設(shè)備施工管理與控制,重點需滿足下述幾點:①核島內(nèi)設(shè)備盡可能等待通風(fēng)系統(tǒng)投入運行、廠房內(nèi)溫濕度條件達(dá)到安裝要求后再進(jìn)行安裝活動;②對于接頭的制造和連接等關(guān)鍵活動,應(yīng)制定標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程;③對于接頭的制作和連接等關(guān)鍵的安裝活動要保證由豐富經(jīng)驗的人員執(zhí)行,建議設(shè)置考核上崗機(jī)制;④注意保證按照環(huán)境條件,特別是I通道,應(yīng)保證安裝活動的溫濕度和有良好的照明。

7結(jié)束語

本文基于IEC 61226要求及CB 11684電磁環(huán)境條件與試驗方法規(guī)定,通過分析源量程通道組成、信號異常現(xiàn)象、信號傳輸線路及傳輸波形,建立源量程通道等效電路模型,對模型進(jìn)行電路分析,得到源量程通道理論干擾源。結(jié)合理論分析結(jié)果和系統(tǒng)組成,建立RPN源量程信號異常故障樹,通過排除故障樹無關(guān)枝節(jié),得到源量程信號異常的薄弱環(huán)節(jié)及原因,并給出改進(jìn)及應(yīng)對措施。RPN信號異常薄弱環(huán)節(jié)分析及改進(jìn)成果已經(jīng)應(yīng)用于工程實際,本文研究成果對國內(nèi)外同類事件的處理具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。

8摘  要:

對國內(nèi)核電廠核儀表系統(tǒng)( RPN)源量程通道信號異常事件的原因和改進(jìn)措施進(jìn)行研究。通過分析源屠程通道組成、信號異常現(xiàn)象、信號傳輸線路及傳輸波形,建立源量程通道等效電路模型;對模型進(jìn)行電路分析,得到源量程通道理論干擾源。建立信號異常故障樹,對已發(fā)生事件、同類型因素比對并排除故障樹無關(guān)枝節(jié),得到源量程信號異常的薄弱環(huán)節(jié)及原因,同時給出改進(jìn)措施。改進(jìn)措施已應(yīng)用于實際核電項目建設(shè)中,對國內(nèi)外同類事件的處理具有一定參考價值。

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