安全殼大氣壓力測量變送器波動原因分析

中核核電運行管理有限公司 徐霖野 李宇睿 鄭武元

壓水堆核電機組中，安全殼內大氣壓力（即安全殼壓力）是一個很重要的測量參數，尤其是在LOCA 事故工況下，安全殼壓力測量值直接參與控制專設安全設施的動作邏輯。安全殼壓力測量對測量儀表有著極高的要求，要在滿足測量精度和穩定性的前提下，具備一定的抗輻照性能，并能在高溫高濕的LOCA 工況下正常工作。為滿足上述要求，多采用鑒定等級為K1級的絕壓式壓力變送器進行測量，并配套相應的1E 級延伸電纜和接線箱將測量值以4～20mA 電流信號的形式送至模擬量處理機柜。

1 故障經過

國內某核電機組在換料大修開始前兩天，安全殼壓力第三個測量通道測量值波動至0.11979MPa，且波動頻繁（圖1），與第一、二、四通道差異明顯，最大波動值達到滿量程的3%，觸發一路安全殼壓力高1報警。

圖1 安全殼大氣壓力測量通道3波動大

對通道進行檢查并持續觀察該變送器波動情況，通道校驗過程中對電流轉電壓卡件進行測試，測得輸出電壓信號波動最高可達到安全殼壓力高1報警值；然后使用隔離卡件對現場輸入進行隔離，并通過模擬試驗臺向電流轉電壓卡件輸入模擬信號，測試輸出電壓無波動，檢查各卡件接線端子均無接線松動情況，通過以上測試結果分析，初步判斷通道測量值波動原因為就地變送器信號輸出異常。對就地變送器及延伸電纜進行更換后測量通道輸出平穩，與第一、二、四通道測量一致性較好，沒有再出現報警和顯示波動。

2 故障定位及原因分析

由該變送器的測量原理可知，變送器就地測得信號后以4～20mA 信號的形式輸送至模擬量處理機柜，由模擬量處理機柜對測量值進行處理后輸出至計算機系統記錄，當測量值高于報警閾值時，報警信號送至反應堆保護系統參與保護設施動作控制邏輯表決，表決結果為專設安全設施動作指令。由于在通道檢查過程中已經排除了模擬量處理機柜及其下游故障的可能性，可定位故障點位于模擬量處理機柜上游，即就地壓力測量裝置及信號傳輸通道。針對就地儀表測量波動，可能的原因有：壓力變送器測量環境中存在空氣擾動，導致測量值真實波動；壓力變送器本體故障，導致測量值虛假波動；測量信號受到干擾，導致測量值虛假波動。

針對可能存在的原因進行逐步分析排查，正常運行期間該變送器輸出穩定、不存在波動，基本可排除空氣擾動可能，大修期間前往該儀表實際安裝位置，對安裝方式、周邊環境等情況進行核實。核實結果表明，該變送器安裝位置附近無大風量風機出風口等可能造成空氣擾動的干擾源，且變送器高壓側進氣端安裝了不銹鋼彎管，可隔絕空氣對測量腔室直吹。

綜上，環境中空氣擾動的情況不存在，儀表波動不是真實壓力測量的結果，可以排除第一項原因。

排除測量值真實波動的可能性后，對拆卸下來的就地設備進行故障定位。針對變送器本體，首先需排除是否存在熱老化和輻照導致的測量波動，產品出廠型式試驗報告顯示，該變送器進行過熱老化試驗，試驗溫度120℃、試驗時間20天，根據老化試驗數據來評估使用壽命，根據阿斯紐倫方程式對熱老化進行計算，式中t1為合格壽命（h），t2為提高到溫度T2所需加速老化時間（h），T1為正常使用時環境溫度（K），T2為加速老化時環境溫度（K），Φ 為反應活化能eV（一般取0.8），λ 為玻爾茲曼常數（0.00008617eV/K）。

儀表工作溫度可通過房間內安裝的鉑熱電阻溫度計讀取，功率運行期間該房間內四季平均溫度約為19 ℃上下，保守按25 ℃代入進行計算t1==889181.5382(h)≈101.44年。 可知該儀表在正常工作條件下理論壽命可達101年，基本上可排除本次儀表故障原因為熱老化所致；輻照方面，儀表安裝位置為安全殼內環廊的房間墻壁上，附近無熱點，儀表鑒定試驗的劑量為1×106Gy，估算環境累積劑量遠未達到儀表能承受的劑量；震動方面，儀表安裝固定，附近無震源，滿足要求。

綜上，可初步排除儀表本體出現故障導致測量結果不穩定的可能性。接下來對變送器進行拷機和校驗工作，拷機測量介質為實驗室內大氣壓力，拷機共持續三天，結果顯示無可視波動存在。

儀表校驗方面，使用DPI610型打壓儀對儀表進行校驗，校驗結果顯示儀表測量值穩定，無明顯波動，測量結果有輕微超差，超差幅度約-0.03%，該表2019年10月校驗合格，本次校驗超差在實踐過程中可認為屬于正常現象，與本次波動故障無關。由上述試驗可以確定變送器本體無故障，排除第二種可能性。

針對測量信號受到干擾導致結果產生波動這種可能性，將故障點定位于K1級變送器配套所帶的1E 級延伸電纜。在實驗室中對電纜的通斷及絕緣性能分別進行測量，電纜內部無斷開情況；絕緣方面，對接入變送器正極（下文稱正極接線）及接入變送器負極（下文稱負極接線）的兩根接線對外殼絕緣分別進行測量，測量工具為250V 絕緣電阻測試儀，測量結果顯示，正極接線絕緣值在0.021～0.6MΩ之間波動，負極接線絕緣值在6～20MΩ 之間波動，正負極接線相間絕緣約為6MΩ 左右，根據RCC-E2020版中的絕緣測量標準，DC500V 測量情況下穩定至少10秒后的讀數應大于10M?。按此標準該延伸電纜不滿足絕緣要求，處于絕緣失效狀態。

測量電纜相間絕緣失效將導致正負極之間產生一個等效電阻，電阻值為失效后的絕緣電阻大小，可以肯定該等效電阻會對測量值產生一定影響。由于變送器測量信號送出與變送器儀表本體供電均依靠同一組回路完成，等效電阻對于電路本體的影響應分別計算。其中變送器輸出為4～20mA 電流值，可認為變送器是一個恒流源，而測量值輸入卡件為變送器提供DC24V 電源，可認為是一個恒壓源；而輸入卡件將電流轉化為電壓且轉化關系符合線性變化，故可認為測量結果為該電路上的一個等效電阻R2兩端的電壓降（圖2）。

圖2 變送器絕緣性能低等效電路

當同一電路內同時存在恒壓源與恒流源時，根據諾頓定理，將電路內所有電壓源短路，電流源開路，計算得R2兩端電壓滿足，因I 與V 滿足線性關系，可知測量結果I 受失效絕緣等效電阻R1影響，R1越小V 越大。產生這一結果的原因是變送器的DC24V 供電電壓在等效電阻R1上產生了一個分流IV1，而變送器測量結果在R1上產生了一個分流IA1，當R1值降低時Iv1值增加，由于IA1峰值為20mA，而Iv1受R1影響，當電阻接近于0時電流I 理論上可達無窮大，可知絕緣性能越低測量結果偏差越大。

搭建電路對絕緣失效進行復現試驗，通過直接在正負極間并入R1=15kΩ 電阻，并在回路中串聯R2=250Ω 的取壓電阻，對R2兩端的電壓降進行測量。變送器測量對空，未并入電阻前的測量壓降為1.72V，此時變送器輸出電流為I=1.72/250=0.0069A。將R1、R2、I 代入上式，可以計算出電壓表測的電壓降應為2.089V，且電阻接入與斷開會產生明顯波動。經觀察記錄儀測量結果，與理論計算一致，故障得到復現。

綜上，在變送器出現測量波動或漂移的情況下，應先排除電纜對測量結果造成的干擾，同時在變送器校驗的預防性維修項目中也應加入電纜絕緣測量步驟，絕緣性能下降不是突發性故障，提早對線路絕緣進行檢查可有效避免絕緣性能降低造成的測量誤差，提高設備運行的穩定性。