啟動儀表在重水堆核電站的應用及改進

仇庭盛

（中核核電運行管理有限公司維修五處，浙江嘉興 314300）

0 引言

與壓水堆相比，重水堆有其自身的特點：在啟動過程中主要靠自身產生的光激中子，完全靠U-238 的自發裂變產生中子，而不依靠外中子源。但在＜10-7FP 的低功率水平階段時，在反應堆常設的堆內通量探測器系統（可測范圍10-1～1.5FP）和電離室測量系統（可測功率水平10-7～1.5FP）都不可用的情況下，啟動儀表系統（可測量功率水平范圍10-14～10-6FP）將投入使用，通過它及時、準確地反映低功率水平下反應堆的功率及變化趨勢，從而確保反應堆處于安全、穩定的可控狀態。

1 系統功能

啟動儀表系統主要用于監測10-14～10-6FP 范圍內的反應堆功率，在為主控室操作員提供可靠的反應堆低功率指示的基礎上，其脫扣報警邏輯還分別連接至一號停堆系統的脫扣邏輯。當出現一個通道內的失去計數率、探測器工作電壓異常、超高的中子計數率或中子計數率上升速率過快時，都將會觸發該通道脫扣，若出現兩個或兩個以上通道都將自動觸發一號停堆系統從而使反應堆進入停堆狀態。其控制邏輯如圖1 所示。

圖1 啟動儀表控制邏輯

2 啟動儀表系統工作原理

啟動儀表系統工作原理如圖2 所示：在主控機柜里的高壓電源通過轉接面板、貫穿件電纜和前置放大器將高壓加至現場的BF3 正比計數器（探頭）上，使探頭可以探測到反應堆堆芯內產生的中子，探頭通過前置放大器（前放）將中子信號進行初步放大，以降低輸出信號在傳遞過程中所受噪聲和外界干擾的影響。此負脈沖信號再通過經過電纜傳輸到線性放大器（主放）的輸入端，經過放大器進行進一步放大。經過線性放大器放大了的信號再送至單道分析器進行甄別，對滿足甄別域的脈沖信號整形輸出成為寬度為0.25 μs、幅度為5 V 的方波信號，此時該信號一路給線性/對數率表單元，另一路接入計時/計數器，通過計數、取對數處理后再與高對數和高對數率進行比較，實現對反應堆功率的實時監測和超功率保護。

圖2 啟動儀表系統工作原理

3 啟動儀表誤脫扣統計

歷次大修都由于啟動儀表的原因造成了SDS#1 誤脫扣，最高時1 次大修就造成5 次以上誤脫扣，其中101、203、205 大修還造成了SDS#1 動作，停堆棒插入堆芯。具體脫扣次數如圖3 所示。

圖3 啟動儀表誤脫扣統計

統計由于啟動儀表的原因造成的誤脫扣共42 次，其中由于信號干擾的原因為36 次，占總的誤脫扣的85%，設備本身故障誤脫扣次數為5 次，占總的誤脫扣的10%，由于人員誤碰導致誤脫扣的次數為1 次，占5%，如圖4 所示。

圖4 啟動儀表誤脫扣原因統計

4 啟動儀表誤脫扣原因分析及改進措施

根據統計啟動儀表誤脫扣的原因集中在信號干擾、設備本身故障及人員誤碰上，下文主要對這3 種原因的產生進行分析，并根據分析結果采取針對性的改進。

4.1 重水堆機組啟動儀表信號特點

重水堆機組啟動儀表系統主要用于監測10-14～10-6FP范圍內的反應堆功率,利用BF3 探測器探測反應堆堆芯內產生的中子并輸出正比于中子數的脈沖信號，通過安裝在現場的前置放大器對脈沖信號放大并反向至0.35 V 的正脈沖信號，經過200 m 電纜傳輸至主控室，主控室設備再對此脈沖信號進一步放大至8 V，放大過程中會對噪聲信號（如γ 噪聲）也進行放大，所以設計了單道分析儀對噪聲信號進行甄別，單道分析器即微分甄別器，對滿足上閾及下閾的脈沖信號轉換成標準幅值的方波信號后輸出，然后經過計數、取對數處理后再進行高對數比較和高對數率比較，來實現對反應堆功率的實時監測和超功率保護。

4.2 重水堆機組啟動儀表信號干擾分析

信號干擾一直是影響啟動儀表正常功能的問題，多次造成啟動儀表的誤脫扣，具有過程短、時間不固定的特點，要徹底解決這個問題，必須要分析信號干擾產生的來源和傳播途徑，只有屏蔽干擾源，切斷傳播途徑，或把干擾強度降到最低的限度內，才能從根本上解決干擾問題。

4.2.1 信號干擾的類型

啟動儀表異常脫扣數據進行采集并分析，最高電壓6.48 V，根據轉換公式得出最高計數為19 000 CPS，持續時間50 ms 左右，遠遠超過當時的脫扣設定值8000 CPS，可以判斷不是設備本身的故障，信號干擾是來自現場，主要由干擾信號在信號線上感應的共態（同方向）電壓迭加所形成。按照干擾產生的原因分類此干擾為放電干擾，按照干擾的長短分類此干擾為偶發干擾。

4.2.2 重水堆機組啟動儀表干擾信號來源檢查

（1）空間的輻射干擾。空間的輻射電磁場主要是由電力網絡、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產生的，通常稱為輻射干擾。若系統置于所射頻場內，就會受到輻射干擾，其影響主要通過兩條路徑：一是直接對控制系統內部的輻射，由電路感應產生干擾；二是對控制系統通信內網絡的輻射，由通信線路的感應引入干擾。

啟動儀表系統主要用于監測在10-14FP～10-6FP 范圍內的反應堆功率，在此功率下機組處于調試或者大修階段，反應堆廠房內人員眾多，各種檢修工作錯綜復雜，各種大電磁干擾的設備都在使用，極容易對啟動儀表的弱電壓脈沖信號形成干擾。

（2）系統外引線的干擾。系統外引線干擾主要是通過電源和信號線引入，通常稱為傳導干擾。實踐證明，因電源引入的干擾造成控制系統故障的情況很多。控制系統的正常供電電源容易受到電磁干擾而在線路上感應電壓和電路，如：開關操作、大型電力設備啟停、交直流傳動裝置引起的諧波，都容易對電源造成干擾。啟動儀表電源線在現場的每個通道的JB 箱內都有獨立的電源隔離器，能夠有效的防止電源的引入干擾。

規范的接地是提高電子設備可靠性的有效手段之一。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設備向外發出干擾；不規范甚至錯誤的接地，會引入嚴重的干擾信號，會導致控制系統無法正常工作。在對啟動儀表的接地系統進行檢查時，發現啟動儀表的盤柜為獨立的機柜沒有進行接地，現場也沒有進行接地，因此啟動儀表的接地處于浮空狀態。

（3）通道間相互干擾檢查。啟動儀表原設計中為了確保不同通道間的計時/計數同步，所有通道必須從屬于（Slave）一個主通道（Master），主通道輸出的控制信號來確保所有通道的工作是同步的，將3 個通道的計時/計數器用信號線進行了連接，所有通道的計時時間都是參照主通道的設定進行并在同一時間開始計時或復位。這樣的連接方式若單道道由于干擾信號的引入脫扣，極容易通過此信號線傳導至其他通道而導致系統動作。

4.3 重水堆機組啟動儀表防信號干擾改進措施

在對信號干擾的改進上主要通過大修指令限制、規范接地系統、去除傳播途徑以及降低干擾強度入手，提高抗干擾能力抑制信號干擾，保證了啟動儀表的穩定運行。

4.3.1 防空間干擾的改進措施

為了防止強干擾設備在啟動儀表投用期間造成干擾而導致啟動儀表誤脫扣，在大修期間會發布大修管理指令，在啟動儀表投用運行期間嚴禁在反應堆廠房（R-110/201//112/012 房間附近）、主控室和設備間使用強干擾設備，如：手機、對講機、電焊機、吸塵器、切割機、轉孔機等。

4.3.2 規范可靠、正確的屏蔽接地系統

統一采用在控制盤側電纜一端接地法，即在啟動儀表盤柜進行單端接地，接地及其余電纜都處于浮空狀態。原設計中信號線處于浮空狀態沒有可靠的接地，干擾信號無法得到釋放，在啟動儀表盤柜連接了一根接地線至一號停堆盤柜的接地，保證了單點接地，提高了抗干擾能力。

4.3.3 保證通道的相互獨立

為了防止各通道之間相互干擾，在一個通道受到干擾時另一個通道也因這個干擾信號而誤動導致SDS#1 動作，去除了3個通道之間的連接，將每個通道的計時/計數器都置于“Master”位置，獨立進行計時和計數。

4.3.4 降低干擾強度的改進

為了增強設備的抗干擾性能，將干擾強度降到最大可能低的限度內，在主控室和現場的信號線、高壓線、電源線上增加抗干擾磁環（圖5）。抗干擾磁環又稱鐵氧體磁環，簡稱磁環，它是電子電路中常用的抗干擾元件，主要用于抑制線纜上的傳導干擾，對于干擾信號有很好的抑制作用。根據信號線的頻率可分為使用鎳鋅抗干擾磁環和錳鋅抗干擾磁環，一般抑制高頻干擾選用鎳鋅抗干擾磁環，低頻干擾選擇錳鋅磁環。現場使用中在同一束電纜上同時使用了兩種抗干擾磁環來應對干擾。

圖5 磁環安裝位置示意

4.4 重水堆機組啟動儀表設備故障的分析及解決

設備本身故障主要是前置放大器的電源接頭不牢固容易脫落導致誤脫扣，以及主放設置的放大倍數過大導致將干擾信號也進行了放大引起的啟動儀表誤脫扣。

4.4.1 前置放大器接頭改進

2011 年6 月11 日，205 大修后啟動過程中，為保持對堆功率的持續監測，需要及時執行1 號停堆系統啟動儀表探頭的重新定位工作。在D 通道處于脫扣狀態時向外拉動D 通道啟動儀表探頭的過程中，現場工作人員觸碰了F 通道電源線，引起接頭松動，最終導致F 通道意外脫扣，1 號停堆系統動作停堆棒落入堆芯。檢查發現現場前置放大器電源線的連接采用的是RS232 接頭（圖6），并用卡簧加固，這種連接方式難以克服接頭自身較重、接觸面不夠深的問題，從而造成電源線容易接觸不良，尤其在卡簧略有松動時更容易接觸不良。后續進行了改進，更換成M2×30 的螺桿（圖7），用兩根（上下各一）30 mm 的螺桿將兩部分固定在一起各用兩個螺絲固定，起到了良好固定的作用。

圖6 接頭改進前

圖7 接頭改進后

4.4.2 主放設置方法的改進措施

主放的功能是前置放大器放大輸出的脈沖信號進行進一步放大，調試階段根據運行規程是將主放的粗調增益設為16、微調增益設為2.2。檢查發現這樣設置實際信號達到10 V 以上幅值，將干擾信號也放大至高于單道分析儀的幀別器門檻（3 V），從而使干擾信號引入。目前將主放的粗調增益設為8、微調增益設為4.5，主放的輸出為8 V的中子脈沖，既保證正常信號能夠準確記錄，又能保證將干擾信號有效的過濾。

4.5 重水堆機組啟動儀表防人因改進措施

為了防止現場進行探頭重新定位工作時，工作人員誤碰其他通道設備，編制了啟動儀表探頭定位演練方案，并規定在作業前演練的要求。同時現場前置放大器的放置位置進行了調整，將前置放大器放置在電離室孔道的外側，容易誤碰的接線放置在墻壁側，使工作人員對探頭進行重新定位時無法接觸到前置放大器的接線。另外每個通道上的電離室孔道上都進行了標識，防止人員走錯間隔。

5 啟動儀表的改進效果

通過不斷的數據積累和分析，對啟動儀表從信號干擾、設備原因、防人因上進行了多項改進措施后，107 大修中沒有發生誤脫扣故障，啟動儀表運行穩定。

5.1 防信號干擾改進效果

針對啟動儀表空間干擾實施大修管理指令后，在大修期間未發生因手機、對講機、電焊機等強干擾設備使用引起的誤脫扣事件。

采取防止通道間相互影響的改線措施后，未發生兩個通道同時由于干擾信號而引起誤脫扣事件。

增加抗干擾的磁環后，對信號進行了比對，D、E 兩個通道主控室和現場的信號線、高壓線、電源線上都增加了抗干擾磁環，而F 通道沒有加抗干擾磁環，效果很明顯，D、E 兩個通道信號穩定，F 通道信號會出現毛刺。

5.2 設備原因改進效果

前置放大器接頭采用螺桿的緊固方式后，該電源線十分牢靠，現場試驗時發現即使人為的進行拉拽等動作也不會造成前置放大器瞬時失電，不會再發生因接頭松動導致的誤脫扣事件。

調試階段由于主放的放大倍數過大導致各種干擾信號引入，啟動儀表誤脫扣頻繁，即使是主控室廣播系統呼叫時都會造成啟動儀表脫扣。調整了主放的放大倍數后，啟動儀表的誤脫扣次數明顯下降。

5.3 防人因改進效果

啟動儀表探頭重新定位工作前工作人員會進行演練，熟悉工作流程，了解工作中的風險及注意事項，實際工作時現場標識明顯清晰，能夠更好地定位設備，更加高效地完成重新定位工作，減少了一號停堆系統單通道脫扣的時間，減少人員受到輻射劑量。

6 后續改進

107 大修中未發生誤脫扣的故障，但是根據記錄監測到的數據顯示，低功率800 CPS 左右時仍極容易受到干擾信號的影響，信號強度已經超過了報警模塊的高計數脫扣值2400 CPS，由于信號持續時間較短在4 ms 以內，小于報警模塊的響應時間20 ms，所以未造成啟動儀表脫扣。

后續將會針對這些干擾信號使用多道分析儀測量信號的脈沖幅度范圍，準確定位干擾信號的幅值范圍及頻率。目前現場單道分析儀的設置是根據經驗數據將LOW LEVEL 設置為2 V,WINWOW 設置為8 V，具體是否能將所有噪聲信號屏蔽無法驗證。引用多道分析儀對探測器信號進行分析，可以把整個脈沖幅度范圍劃分成若干個相等的區間，一次測量就可以得到輸入脈沖的幅度分布譜。根據脈沖的幅度分布譜，就可以更加精確的設置主放的放大倍數，優化單道分析儀的閾值，根據分布譜可以得到干擾信號到底是低頻干擾還是高頻干擾，可以更加合理地使用抗干擾磁環，從而達到徹底消除干擾的目的。

7 結束語

重水堆具有不停堆換料的特點，因此即使在停堆大修期間燃料棒仍處于堆芯中，啟動儀表裝置能夠與重水反應堆自身的設計相配，并能很好地滿足反應堆控制和保護的需要。但在計數率低的情況下，自身抗干擾的能力較差，需要通過不斷改進徹底的消除干擾信號，使啟動儀表能夠安全、穩定的運行。