核電廠輻射測量儀表異常接地導(dǎo)致閃發(fā)高計數(shù)故障分析及處理

連杰 吳平韜

福建福清核電有限公司維修一處 福建福州 350300

在核電廠的儀表及控制（I&C）系統(tǒng)中，與常規(guī)電廠測量原理和應(yīng)用差別最大的設(shè)備是核與輻射測量類儀表。在核電機組中，核測量儀表主要分為堆芯測量、堆外核測和輻射監(jiān)測類。輻射測量儀表的測量原理多為電離室、光電倍增管或正比計數(shù)管等方式[1]，敏感元件與傳統(tǒng)熱工儀表相比，信號強度較弱且受統(tǒng)計漲落影響比較嚴(yán)重。本文通過分析一起伽馬測量儀表閃發(fā)高計數(shù)的故障和解決方案，來闡明接地的可靠性對核測量儀表正常工作的重要性。

1 核電廠輻射監(jiān)測儀表信號與結(jié)構(gòu)特點

目前核電廠中輻射監(jiān)測設(shè)備型號眾多，總體來說可以按其敏感元件不同分為氣體探測器類、閃爍體類、半導(dǎo)體類等。對于不同類型的監(jiān)測儀器，一般都具備以下幾個通用特點。

1）測量范圍廣，量程寬。一般輻射監(jiān)測儀表測量范圍可能跨越6-7個數(shù)量級，且在測量下限附近也要求有較高的測量精度（通常的正常測量值接近測量下限）。

2）原始信號極弱。電離室類探測器的正常測量時輸出電流一般在10-10A級別或更低級別。這對整個監(jiān)測通道的探測器制造工藝、信號傳輸與屏蔽、前端放大、后端信號處理和輸出都提出了更高的要求。

3）原始信號需遠(yuǎn)傳。為了避免工作人員在進行維修巡檢時受到非必要照射.部分監(jiān)測儀在探測器測得微弱的原始信號后，還要對信號進行遠(yuǎn)傳。如核島內(nèi)的事故后反應(yīng)堆廠房劑量率監(jiān)測儀需要將10-14A的模擬量信號傳輸至安全殼外，傳輸距離約100m。

4）儀表智能化程度較高。為了在滿足寬量程、弱信號的同時能夠?qū)⑤椛浔O(jiān)測儀表信號接入電廠數(shù)字化控制系統(tǒng)，輻射測量儀表一般需要將探測器測得的信號進行放大、整形和處理，換算成具有實際意義的劑量率或活度信號后上傳至主控室，故一般輻射監(jiān)測儀表0層設(shè)備智能化程度較高。

2 核電廠儀表接地準(zhǔn)則和要求

對于核電廠輻射監(jiān)測類儀控設(shè)備來說，接地一般有以下幾點要求：

設(shè)備保護地應(yīng)和儀表與控制系統(tǒng)外殼相接。為了保護人員和設(shè)備安全，儀表和控制設(shè)備外殼接地應(yīng)為交流故障電流提供低阻抗的路徑，以便在任何外部事件或交流電源故障的情況下使設(shè)備外殼始終處于地點為，相鄰設(shè)備間的跨步電壓和接觸電壓不超過安全限制。

信號接地應(yīng)對不同的儀表進行區(qū)分。對于輻射監(jiān)測和泵軸振動監(jiān)測這類計數(shù)脈沖型探測器的信號回路可不接地。當(dāng)屏蔽電纜的屏蔽層也作為信號傳輸線時，只有在末端才作為信號的公共零線單點接地。探測器信號接地方法應(yīng)充分考慮設(shè)備制造商的建議。

圖1 典型輻射監(jiān)測儀表接地方式

低頻段屏蔽層單點接地原則。即信號電纜屏蔽地應(yīng)在信號回路接地的同一點上接地。如果屏蔽多余一點接地，那么地電位差將驅(qū)動電流流過屏蔽層，屏蔽層電流在信號賄賂中感應(yīng)出共模噪聲，并轉(zhuǎn)變?yōu)榕c信號回路阻抗不平衡的成比例的差模噪聲信號進入信號線路[1]。電廠典型輻射監(jiān)測儀表接地可參考上圖1進行。

3 閃爍體儀表閃發(fā)高計數(shù)故障現(xiàn)象及原因分析

3.1 故障現(xiàn)象

國內(nèi)某核電機組內(nèi)輻射監(jiān)測系統(tǒng)三個儀表（儀表編號為KRT042/043/044MA）多次閃發(fā)高計數(shù)報警。據(jù)統(tǒng)計，自2014年11月來至今，該機組處理22個此類故障相關(guān)的工單。總結(jié)歷次的故障現(xiàn)象，有以下典型的干擾型故障特點：

(1)閃發(fā)報警時歷時很短，多為幾秒鐘高計數(shù)，之后迅速回落

(2)出現(xiàn)故障時會在短時間內(nèi)（一般幾十分鐘到一小時）多次閃發(fā)，此時間段過后儀表自動恢復(fù)

(3)有不止一次出現(xiàn)了同時2個或3個儀表同時高計數(shù)的情況

3.2 處理和測試過程

通過多次測試，檢修人員發(fā)現(xiàn)，該類型設(shè)備可能引入干擾的方式為：外部干擾通過就地處理箱的保護地線串入就地處理箱的測量板，在測量板內(nèi)造成共模干擾[3]，從而造成測量異常，產(chǎn)生瞬間大計數(shù)。

由于外部干擾無法捕捉，也很難進行復(fù)現(xiàn)，將出現(xiàn)高計數(shù)的原因歸結(jié)為外部干擾主要有以下幾點考慮。

(1)在閃發(fā)報警歷史中，有7次屬于同一時間點兩臺或以上的儀表同時出現(xiàn)高計數(shù)，而兩臺儀表同時損壞并在同一時間段內(nèi)出現(xiàn)故障的概率極低，可初步判定是由于兩臺儀表的共同因素造成的同類型故障；

原設(shè)備安裝方式為三個儀表的就地處理箱保護地線先匯總再統(tǒng)一接入電廠地，更改后為分別直接接入電廠地（如下圖2所示），更改接地方式后同時多個通道閃發(fā)報警的情況明顯改善；

圖2 保護地線接線示意圖

(3)測試發(fā)現(xiàn)，將就地處理箱從墻上取下后單獨放置在絕緣平臺上，即使不安裝地線，也可穩(wěn)定運行一段時間，但掛在墻上之后閃發(fā)頻率變高

(4)就地處理箱的安裝孔使用膨脹螺栓進行固定，經(jīng)測試，膨脹螺栓與墻面內(nèi)鋼筋連通并接入電廠大地，而墻體內(nèi)鋼筋網(wǎng)絡(luò)走向復(fù)雜，可能有強電磁干擾或大功率設(shè)備接入造成干擾；

(5)測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)探測器端外殼和安裝支架之前絕緣下降時（一般為小于1MΩ時），易出現(xiàn)閃發(fā)報警情況。

3.3 閃發(fā)高計數(shù)原因分析

根據(jù)現(xiàn)場多次故障處理情況，除探測器本身故障外 ,外部干擾導(dǎo)致探測器閃發(fā)高計數(shù)故障主要有以下三種原因：

(1)就地處理箱膨脹螺栓引入異常干擾信號，造成保護接地失效；

(2)監(jiān)測儀信號/保護回路多點接地造成電勢差，造成外部干擾并通過保護地線進入就地處理箱,造成計數(shù)瞬時升高；

(3)探測器端絕緣下降，造成變相的多點接地（就地處理箱保護地和探測器外殼保護地），并形成電勢差，在測量電纜內(nèi)產(chǎn)生干擾。

4 處理方案及處理過程

對于接地干擾，最重要的處理辦法就行進行接地可靠性和多點接地的排查，具體措施包括：

分離地線，為了避免干擾從一個就地處理箱串到另外的幾個就地處理箱，首先應(yīng)將042MA/043MA/044MA的就地處理箱保護地線分離（如前文圖2所示）；

為了保證接地可靠并盡可能少的經(jīng)過其它電氣設(shè)備，將三個LPU的地線直接改接至就地處理箱附近的接地銅牌。利用絕緣板將就地處理箱和顯示箱等小三箱背板安裝方式進行改進，使得處理箱與墻體碰撞螺栓之間絕緣電阻大于50MΩ。保證探測器端和安裝支架的絕緣（浮空）電阻大于50MΩ。加工絕緣安裝墊片，如出現(xiàn)絕緣下降情況則進行絕緣墊片更換。經(jīng)過一系列接地可靠性提升，該型號監(jiān)測儀閃發(fā)高計數(shù)頻度大幅下降，目前該類頻度小于1次/年，可滿足現(xiàn)場監(jiān)測要求的可靠度。

5 結(jié)語

輻射監(jiān)測儀表在核電廠中屬于特殊的弱信號類儀控設(shè)備，在進行接地設(shè)計和安裝時需要盡量能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中準(zhǔn)則和要求。在現(xiàn)場實際的安裝過程中，要注意防止監(jiān)測儀多點接地導(dǎo)致外部干擾影響測量。在檢測到有多點接地的可能性時，可通過增加絕緣背板等措施進行提升和改進，確保儀表測量的準(zhǔn)確性。