提高核电站堆外核功率测量系统信号稳定性的研究

熊威

摘要：在核电站运行的控制和保护中，堆外核功率测量系统（RPN）扮演着重要的角色，与反应性的监测与核安全息息相关。鉴于其特殊性，对其信号的稳定性要求极高，必须通过各种检测手段，辅以预防性或纠正性维修，排除可能导致信号波动的诸多因素，包括外部信号干扰，自身的电子器件老化等。必要时，可以考虑改造加强系统的抗干扰能力，但涉及到极为复杂的流程和较高的成本。

关键词：信号波动；干扰；老化；抗干扰；改造

中图分类号：TL48 文献标识码：A 文章编号：2095—6487（2018）02—0087—02

1 RPN系统介绍

RPN系统使用4个功率量程通道，2个中间量程通道和2个源量程通道分别对反应堆不同阶段的功率、功率变化以及功率分布进行监测，各量程之间有一定范围的重叠。三个量程采用不同结构的探测器及信号转换电路，将泄漏中子转换成与功率成比例的脉冲或电流信号。源量程使用涂硼正比计数管，输出脉冲信号；中间量程采用涂硼补偿电离室，功率量程采用涂硼非补偿电离室，两者均输出电流信号。

2 RPN系统信号特点

2.1信号的重要性

RPN系统除了参与反应堆保护与控制功能之外，还给操作员提供反应堆在功率运行、停堆、换料、启堆各个阶段的状态信息；作为评估堆内构件松动与振动情况的信号源；参与破口失水事故（LOCA）裕度的计算。保护功能包括中子通量高和变化率高触发自动停堆，轴向功率偏差参与超温超功保护的停堆和控制棒闭锁信号整定值的形成，以及产生ATWT减轻未能紧急停堆的后果。控制功能主要体现在提供功率信号参与棒速的计算，以及产生一些与功率相关的逻辑信号参与控制棒控制。

2.2信号特点

RPN系统信号覆盖范围广，三个量程覆盖11个数量级，从10E-9%FP到2*10E2%FP。

RPN系统工作环境复杂，三个量程的探头均工作在反应堆压力容器周边的高放射性区域，泄漏中子及γ射线分布密集；信号传输通道距离长，贯穿多种类型的厂房，设备分布密集，信号的产生与处理均较为复杂；基于提高系统安全功能的分列理念，机柜布局复杂，所在房间同时布置着多种动力及控制机柜，电磁环境复杂。

3影响信号稳定性的因素

3.1信号源的不确定性

反应堆在每个循环均会更换部分燃料组件，导致堆芯分布产生变化；在每个循环内，由于燃耗的加深，泄漏中子分布也会变化；各种构件在中子辐照作用下产生的随机性活化也会影响泄漏中子的分布。

3.2信号干扰

对于电容性耦合，即电场干扰耦合，一般对干扰源回路采用屏蔽措施。但如果屏蔽层不采取接地措施或者接地出现异常时，可能造成比不采用屏蔽措施时更大的电场干扰耦合。因为采用屏蔽措施后，被屏蔽的屏蔽体的有效截面积要比不采用屏蔽时的大许多，造成屏蔽体与其他导线之间的距离减小，使得耦合电容增大，进而产生更多的干扰耦合量。

对于电感性耦合，即磁场干扰耦合，一般针对高频磁场采取相应的措施。由于高频磁场为带辐射特性的射频场，利用导电性能良好的屏蔽层包裹在信号线周边即可有效降低干扰。

电缆还具有天线效应、寄生特性和地电位特性。如果布线周边有大功率电机的启停以及大电流信号引入等，均会导致输出异常。某核电站四号机组首次大修期间出现过RPN系统电缆托盘附近电焊作业导致源量程产生异常脉冲信号的现象，其根本原因就在于电焊机将地线挂接在RPN电缆托盘的地线上，由于两个设备接地电位的不同从而产生电位差，在电位差的驱动下，电缆屏蔽层中产生干扰电流。由于屏蔽层与内部导线之间存在寄生电容和寄生电感，进而在电路的输入端产生干扰电压或者干扰电流。

3.3电子器件老化

目前RPN系统除了大亚湾核电站采用早期的模拟电路之外，中广核旗下其余核电站均已实现数字化控制。传统的模拟电路存在易老化元器件，如电解电容等。根据近几年的运行经验来看，数字化系统控制卡件内部也存在同样的老化器件，例如某核电站一号机组出现过RPN系统隔离模块中起高频滤波作用的铝制电解电容短路失效，拉低芯片的工作电压，导致隔离卡无输出的异常现象。另外一个核电站也出现过隔离模块中的电解电容失效，导致功率量程送往事故监测系统（LSS）的电压丧失，从而导致LSS系统不可用。

4采取的措施

4.1针对信号源的不确定性

在信号拾取上，采用巧妙的设计消除掉干扰信号的影响。源量程通过设置合适的工作电压与甄别电压，消除掉1，射线脉冲的影响。利用中间量程基于涂硼电离室对中子和1，射线均敏感，不涂硼电离室仅对1，射线敏感的机理，探测器采用同轴圆柱形双电离室的结构，一个涂硼，一个不涂硼，通过反向高压抵消1，射线的影响。功率量程工作区间内的中子通量远远大于干扰信号，无需特殊处理。无论哪个量程，探头工作高压值的选取以及高压电路的稳定性尤为重要。在每个换料周期，都会通过绘制高压坪曲线以及甄别阈曲线，选取合适的工作电压。

4.2针对信号干扰

RPN系统的信号电缆均采用同轴电缆，芯线为铜线，屏蔽层包裹芯线外层的同轴形状电缆，之间填充绝缘材料，并且屏蔽层外面也包裹着一层用于隔离外界环境的绝缘层。这种均匀不变低损耗特性阻抗的结构设计，使其具备高带宽和极好的噪声抑制特性。为保证电缆的功能完好，一般在换料周期内通过常规检查以及抗干扰能力测试。常规检查包括目视检查、电缆的连续性与绝缘性检查。目视检查主要是基于核岛内的电缆工作于高温高辐照的恶劣环境，如果出现变色等异常，就需要考虑进行更换。绝缘性检查针对芯线与屏蔽层，屏蔽层与地线之间的绝缘，屏蔽层的绝缘检查的目的就在于确保绝缘层的完整性，以有效降低容性耦合干扰。连续性检查主要确保信号回路的完整性，因为各量程的探头到机柜部分经过多个厂房，除了长距离的电缆之外，还涉及到五个接头，分别为探头到连接盘，岛内电缆与连接盘，岛内电缆与贯穿件，岛外电缆与贯穿件，岛外电缆与机柜。接头连接部分的完整性也极为关键，某核电站一号机组曾出现接头松动导致信号异常而退出状态的事件。

4.3针对电子器件老化

对于大亚湾基地采用的模拟量电路，可以采用预防性更换老化器件的策略，具体操作为提前梳理出存在老化机理的元器件，结合现场实际使用年限以及故障出现的频率，采用同规格器件提前更换。对于数字化系统，由于卡件集成度较高，一般采用整體更换卡件的策略。

4.4针对信号处理

对于源量程产生的脉冲信号，一般进行放大整形后输出，目前的核电站均采用探头信号直接送往电气厂房机柜处理的方式，存在的弊端在于微弱信号传输回路距离过长，一般达到80～120 m，综合前文所提到的电缆固有的接收及辐射特性，导致信号回路串入干扰概率大大增加。可以借鉴从源头上加强信号的处理方式，例如采用美国西屋设计理念的AP1000电站，其堆外核测系统采用岛内就地机柜将信号放大后传输至电气厂房的方式。

5结论

RPN系统的信号产生、传输、处理均经过较多环节，无论是系统本身功能的需求还是监管要求，均对其信号的稳定性有着近乎苛刻的要求。系统从设计源头上采用了较好的处理方式与抗干扰措施，在核电站的运行期内，要通过各种有效的预防性和纠正性手段保证这些功能的实现。系统有一定的改进空间，但涉及到监管机构的审批以及接口系统的变更，流程复杂，成本较高，后续设计参考改进的方向。