提高核電站堆外核功率測量系統信號穩定性的研究

熊威

摘要：在核電站運行的控制和保護中，堆外核功率測量系統（RPN）扮演著重要的角色，與反應性的監測與核安全息息相關。鑒于其特殊性，對其信號的穩定性要求極高，必須通過各種檢測手段，輔以預防性或糾正性維修，排除可能導致信號波動的諸多因素，包括外部信號干擾，自身的電子器件老化等。必要時，可以考慮改造加強系統的抗干擾能力，但涉及到極為復雜的流程和較高的成本。

關鍵詞：信號波動；干擾；老化；抗干擾；改造

中圖分類號：TL48 文獻標識碼：A 文章編號：2095—6487（2018）02—0087—02

1 RPN系統介紹

RPN系統使用4個功率量程通道，2個中間量程通道和2個源量程通道分別對反應堆不同階段的功率、功率變化以及功率分布進行監測，各量程之間有一定范圍的重疊。三個量程采用不同結構的探測器及信號轉換電路，將泄漏中子轉換成與功率成比例的脈沖或電流信號。源量程使用涂硼正比計數管，輸出脈沖信號；中間量程采用涂硼補償電離室，功率量程采用涂硼非補償電離室，兩者均輸出電流信號。

2 RPN系統信號特點

2.1信號的重要性

RPN系統除了參與反應堆保護與控制功能之外，還給操作員提供反應堆在功率運行、停堆、換料、啟堆各個階段的狀態信息；作為評估堆內構件松動與振動情況的信號源；參與破口失水事故（LOCA）裕度的計算。保護功能包括中子通量高和變化率高觸發自動停堆，軸向功率偏差參與超溫超功保護的停堆和控制棒閉鎖信號整定值的形成，以及產生ATWT減輕未能緊急停堆的后果。控制功能主要體現在提供功率信號參與棒速的計算，以及產生一些與功率相關的邏輯信號參與控制棒控制。

2.2信號特點

RPN系統信號覆蓋范圍廣，三個量程覆蓋11個數量級，從10E-9%FP到2*10E2%FP。

RPN系統工作環境復雜，三個量程的探頭均工作在反應堆壓力容器周邊的高放射性區域，泄漏中子及γ射線分布密集；信號傳輸通道距離長，貫穿多種類型的廠房，設備分布密集，信號的產生與處理均較為復雜；基于提高系統安全功能的分列理念，機柜布局復雜，所在房間同時布置著多種動力及控制機柜，電磁環境復雜。

3影響信號穩定性的因素

3.1信號源的不確定性

反應堆在每個循環均會更換部分燃料組件，導致堆芯分布產生變化；在每個循環內，由于燃耗的加深，泄漏中子分布也會變化；各種構件在中子輻照作用下產生的隨機性活化也會影響泄漏中子的分布。

3.2信號干擾

對于電容性耦合，即電場干擾耦合，一般對干擾源回路采用屏蔽措施。但如果屏蔽層不采取接地措施或者接地出現異常時，可能造成比不采用屏蔽措施時更大的電場干擾耦合。因為采用屏蔽措施后，被屏蔽的屏蔽體的有效截面積要比不采用屏蔽時的大許多，造成屏蔽體與其他導線之間的距離減小，使得耦合電容增大，進而產生更多的干擾耦合量。

對于電感性耦合，即磁場干擾耦合，一般針對高頻磁場采取相應的措施。由于高頻磁場為帶輻射特性的射頻場，利用導電性能良好的屏蔽層包裹在信號線周邊即可有效降低干擾。

電纜還具有天線效應、寄生特性和地電位特性。如果布線周邊有大功率電機的啟停以及大電流信號引入等，均會導致輸出異常。某核電站四號機組首次大修期間出現過RPN系統電纜托盤附近電焊作業導致源量程產生異常脈沖信號的現象，其根本原因就在于電焊機將地線掛接在RPN電纜托盤的地線上，由于兩個設備接地電位的不同從而產生電位差，在電位差的驅動下，電纜屏蔽層中產生干擾電流。由于屏蔽層與內部導線之間存在寄生電容和寄生電感，進而在電路的輸入端產生干擾電壓或者干擾電流。

3.3電子器件老化

目前RPN系統除了大亞灣核電站采用早期的模擬電路之外，中廣核旗下其余核電站均已實現數字化控制。傳統的模擬電路存在易老化元器件，如電解電容等。根據近幾年的運行經驗來看，數字化系統控制卡件內部也存在同樣的老化器件，例如某核電站一號機組出現過RPN系統隔離模塊中起高頻濾波作用的鋁制電解電容短路失效，拉低芯片的工作電壓，導致隔離卡無輸出的異?，F象。另外一個核電站也出現過隔離模塊中的電解電容失效，導致功率量程送往事故監測系統（LSS）的電壓喪失，從而導致LSS系統不可用。

4采取的措施

4.1針對信號源的不確定性

在信號拾取上，采用巧妙的設計消除掉干擾信號的影響。源量程通過設置合適的工作電壓與甄別電壓，消除掉1，射線脈沖的影響。利用中間量程基于涂硼電離室對中子和1，射線均敏感，不涂硼電離室僅對1，射線敏感的機理，探測器采用同軸圓柱形雙電離室的結構，一個涂硼，一個不涂硼，通過反向高壓抵消1，射線的影響。功率量程工作區間內的中子通量遠遠大于干擾信號，無需特殊處理。無論哪個量程，探頭工作高壓值的選取以及高壓電路的穩定性尤為重要。在每個換料周期，都會通過繪制高壓坪曲線以及甄別閾曲線，選取合適的工作電壓。

4.2針對信號干擾

RPN系統的信號電纜均采用同軸電纜，芯線為銅線，屏蔽層包裹芯線外層的同軸形狀電纜，之間填充絕緣材料，并且屏蔽層外面也包裹著一層用于隔離外界環境的絕緣層。這種均勻不變低損耗特性阻抗的結構設計，使其具備高帶寬和極好的噪聲抑制特性。為保證電纜的功能完好，一般在換料周期內通過常規檢查以及抗干擾能力測試。常規檢查包括目視檢查、電纜的連續性與絕緣性檢查。目視檢查主要是基于核島內的電纜工作于高溫高輻照的惡劣環境，如果出現變色等異常，就需要考慮進行更換。絕緣性檢查針對芯線與屏蔽層，屏蔽層與地線之間的絕緣，屏蔽層的絕緣檢查的目的就在于確保絕緣層的完整性，以有效降低容性耦合干擾。連續性檢查主要確保信號回路的完整性，因為各量程的探頭到機柜部分經過多個廠房，除了長距離的電纜之外，還涉及到五個接頭，分別為探頭到連接盤，島內電纜與連接盤，島內電纜與貫穿件，島外電纜與貫穿件，島外電纜與機柜。接頭連接部分的完整性也極為關鍵，某核電站一號機組曾出現接頭松動導致信號異常而退出狀態的事件。

4.3針對電子器件老化

對于大亞灣基地采用的模擬量電路，可以采用預防性更換老化器件的策略，具體操作為提前梳理出存在老化機理的元器件，結合現場實際使用年限以及故障出現的頻率，采用同規格器件提前更換。對于數字化系統，由于卡件集成度較高，一般采用整體更換卡件的策略。

4.4針對信號處理

對于源量程產生的脈沖信號，一般進行放大整形后輸出，目前的核電站均采用探頭信號直接送往電氣廠房機柜處理的方式，存在的弊端在于微弱信號傳輸回路距離過長，一般達到80～120 m，綜合前文所提到的電纜固有的接收及輻射特性，導致信號回路串入干擾概率大大增加。可以借鑒從源頭上加強信號的處理方式，例如采用美國西屋設計理念的AP1000電站，其堆外核測系統采用島內就地機柜將信號放大后傳輸至電氣廠房的方式。

5結論

RPN系統的信號產生、傳輸、處理均經過較多環節，無論是系統本身功能的需求還是監管要求，均對其信號的穩定性有著近乎苛刻的要求。系統從設計源頭上采用了較好的處理方式與抗干擾措施，在核電站的運行期內，要通過各種有效的預防性和糾正性手段保證這些功能的實現。系統有一定的改進空間，但涉及到監管機構的審批以及接口系統的變更，流程復雜，成本較高，后續設計參考改進的方向。