核电站建设阶段堆外核测仪表典型故障诊断与质量管控

辽宁红沿河核电有限公司 王永新，张树山，史红亮，邳立鹏，金洪兴

1 引言

RPN（堆外核仪表系统）用于测量核电站反应堆外的中子通量，直接参与反应堆的保护和控制，是完全与质量和安全相关的系统。RPN系统包括三个量程，三个量程相互重叠，能够监测反应堆从装料到满功率运行甚至LOCA（失水事故）的所有工况，RPN系统对核安全管控以及核电站的经济效益都有重要的意义[1]。RPN系统信号非常微弱，信号的传输路径长且中间没有信号放大环节，系统容易产生不稳定性。RPN系统设备对运行环境的温度、湿度及电磁环境的要求较高，因此，对核电站建设阶段的RPN安装及调试工作的质量管控要求非常严格。本文就核电站建设阶段RPN系统典型故障诊断以及质量管控进行具体说明。

2 RPN典型故障诊断

2.1 电缆绝缘问题

2013年5月，某新建核电机组进行首次达临界操作，在缓慢提升R棒的过程中，1RPN013MA的倍增时间产生大幅波动，最小跳变为5.9s，小于18s定值，触发1RPN419KA（中间量程通道倍增时间小于设定值）报警，导致出现C1（闭锁控制棒自动或手动提升）信号，达临界操作被迫中止。经现场排查，使用万用表测量机柜侧中间量程电缆屏蔽层与地间的绝缘阻值为0.44Ω，而正常标准要求此数值应大于1MΩ。设备厂家声明电缆屏地绝缘应在标准之内，但并无屏地绝缘低造成倍增时间异常案例，因此无法评估影响，给不出具体处理意见。

维修人员采取分段排查的方法，解开机柜侧中间量程电缆，利用万用表在核岛外贯穿件侧对1RPN013MA信号电缆进行屏地绝缘阻值检查，确认测量值0.44Ω，因此可确认接地点在核岛内。进入核岛检查，对易于产生破损位置的电缆进行摸排，发现位于R440房间内的电缆托盘与中间量程电缆之间发生磨损，导致中间量程电缆接地。经过处理电缆外层绝缘，中间量程电缆屏地绝缘满足要求，异常故障消失，机组顺利达临界。

此次故障的根本原因为中间量程电缆接地，信号电缆通路两点接地引入地环流，如图1所示，造成中间量程1RPN013MA倍增时间异常大幅波动。RPN系统中间量程核岛内电缆为铠装电缆，需要人工在电缆外缠绕上绝缘材料，这种电缆与核电站其他系统电缆存在很大不同，在电缆铺设过程中不能简单延续常规电缆的铺设方法，脆弱的中间量程电缆绝缘层需要得到良好的保护，电缆安装完成后需要对每段电缆进行检查确保没有接地风险。

2.2 系统软件问题

2013年6月，某新建核电机组中间量程中子通量测量仪表（功能位置为1RPN013MA）闪发尖峰电流导致中间量程停堆保护阈值触发，反应堆跳堆。经分析，跳堆前1RPN013MA电流值稳定没有异常波动，1RPN013MA与执行同样功能的1RPN023MA变化趋势一致，跳堆前1RPN013MA电流值为8.6×10-8A，判定该问题为电流异常闪发。中间量程信号处理分为模拟信号放大部分和数字信号运算部分，与信号处理相关的卡件连接方式如图2所示。

图2 中间量程信号流程图

通过现场试验的方式，利用微电流源模拟探测器信号，找出中间量程电流各量程的切换点，发现异常闪发时的电流值接近量程4到量程3的切换点，可判断故障原因为量程切换时软硬件不匹配造成电流值的波动。通过大量针对性试验使故障得以复现，证明了中间量程在量程切换的时候会随机闪发尖峰电流，大约有1/30的概率会产生尖峰电流，并超过中间量程停堆保护阈值。

根据试验现象进行定性分析，确定导致该故障的根本原因是RPN中间量程软件存在缺陷，软硬件不匹配造成中间量程在量程切换时产生了尖峰电流，通过修改延时参数（见表1），避免了量程切换时，软硬件不匹配造成输出电流发生阶跃变化，确保中间量程在量程切换时电流平稳，不会因量程切换引起虚假波动。

表1 Additional Delay参数修改前后对照

2.3 设备问题

2013年10月，某建设期核电机组核岛厂房内出现大量冷凝水，导致RPN功率量程电缆屏地绝缘不合格，后确认为功率量程套筒内外壁绝缘不合格导致。在更换功率量程过程中发现新的套筒顶部存在一些金属屑，在RX厂房20m平台测量套筒内外壁绝缘大于10MΩ，符合要求，经过简单清理后，将套筒安装就位，就位后测量发现探测器套筒的内外壁绝缘不合格。

RPN功率量程探测器套筒（准直器）的主要作用是：

（1）确保探测器接收的是来自堆芯特定范围内的热中子，原理是利用热中子无法通过镉层的特性，将其滤除。来自堆芯的快中子穿过镉层后，经过聚乙烯的慢化，变为热中子最终被探测器俘获；

（2）确保探测器屏地绝缘合格，探测器传输电流为0～120μA，信号较弱，屏地绝缘不合格会导致信号波动，影响功率量程平均核功率显示，有保护误动的风险，如图3所示。

图3 套筒镉层作用的示意图

通过现场模拟分析，套筒顶部安有两个吊耳，用于探测器整体吊装，厂家在吊耳攻丝过程中，未及时将产生的金属碎屑清理，同时在现场安装过程中，吊耳旋入螺纹孔时再次产生碎屑，仍未及时清理。探测器套筒未正式吊装前一直为平放状态，产生的金属屑落入套筒的几率较小，测试时不易发现，在吊装过程中套筒由水平状态变为垂直状态，金属碎屑落入套筒内外壁之间，导致绝缘不合格。RPN设备厂家在现场对有金属屑的套筒进行拆解检查处理，将金属碎屑清理干净，套筒拆解处理完成后测量绝缘满足要求，现场安装就位后绝缘测量合格。

3 RPN建设阶段质量管控措施

核电机组工程建设期间，RPN系统各阶段质量管控分布在设备采购、制造、安装及调试阶段，业主有必要全程参与工程的安装及调试项目。通过深入参与，能够发现RPN设备及软件缺陷，既锻炼了队伍，又保障了设备商运后的稳定运行。结合国内核电站建设阶段RPN质量监管过程，主要质量管控措施如下：

3.1 招标采购阶段

在招标及合同采购阶段，不能单单考虑系统单价，需要全面考虑系统是否能够稳定运行、技术指标是否先进、后期运营维护的成本。以Rolls-Royce供货的RPN系统为例，由于RPN系统故障导致的工期延误折算成的经济损失已经远远超出合同的价格，且由于法国与中国在语言、文化等诸多方面的差异，新建核电机组在RPN系统故障排查、问题澄清、备件采购及现场服务等方面遇到了很大的困难，后续新建机组可适当考虑采购国产化核仪表设备。

3.2 设计制造阶段

经统计，核电机组建设阶段RPN出现问题的诸多原因都出现在厂家设计及制造环节，有设计制造缺陷的设备一旦用于现场将造成严重的后果，产生显性和隐性的缺陷。由于厂家设计人员与核电站业主维护人员看问题的角度不同以及信息不对称等因素，厂家人员不能完全了解现场需求甚至出现偏差。而系统工程师对系统及机组状态有详细了解，能够明确提出系统的功能要求，同时能够将各核电厂经验反馈及时落实到系统设计阶段。因此，业主人员参与系统的最初设计，并参加系统的全面测试，可以及时挖掘出系统本身存在的设计缺陷。

3.3 安装调试阶段

RPN系统由于其测量信号的特殊性，对于安装环境、安装质量有较高的要求，国内已运营核电站和在建工程有大量安装问题经验反馈。在安装和调试前，业主单位有必要对安装及调试文件的完整性进行审核，审查程序中存在的错误，同安装及调试工作人员对系统安装、调试过程的风险进行讨论，并全面参加系统的安装及调试工作，同时实现对设备安装及调试过程进行有效监督。

4 结语

RPN系统的稳定性问题已经成为国内外核电站共同面对的问题，目前RPN系统可能发生的问题大部分已经暴露出来，但由于国产化程度低、厂家设置技术壁垒等因素，仍有部分核心问题需要继续探索。本文对核仪表系统在建设阶段典型故障诊断方法的分析以及质量管控措施方面的探讨对后续核电机组建设过程有较高的参考价值。工程技术人员只有对RPN进行全过程的质量管控，才能在工程建设过程中少走弯路，并充分保证核安全。

[1] 张英, 陈智, 王殳, 孙剑. 核电厂核仪表系统功率量程中子注量率变化率校正系数的仿真研究[J]. 核动力工程, 2012, 33(6): 42 - 45.