CANDU6重水堆启动仪表系统故障分析及改进

徐清华，张振超，刘 铮，王晓峰

（中核核电运行管理有限公司 维修五处仪控科，浙江 海盐 314300）

CANDU6型重水堆启动仪表主要在停堆状态下监测反应堆的功率，当反应堆功率低于2×10-7FP时投用启动仪表，启动仪表可测量的反应堆功率范围为10-14FP～10-6FP。启动仪表能够及时准确地测量停堆下的反应堆功率水平及其变化趋势，在反应堆功率异常上升时能够及时动作一号停堆系统，将停堆棒快速插入反应堆中，在反应堆中引入负反应性，从而保证反应堆处于安全可控的状态下。

1 启动仪表的控制逻辑和工作原理

启动仪表系统有3个通道组成，每个通道的脱扣报警逻辑分别与一号停堆系统的D、E、F通道的脱扣逻辑相连。当出现启动仪表通道失效、探测器工作电压异常、高对数计数或高对数率时，都将会触发该通道脱扣，若出现两个或两个以上通道脱扣将自动触发一号停堆系统动作，28根停堆棒插入堆芯。

启动仪表系统在主控机柜里的高压电源模块，生成高压并加至现场的BF3正比计数器上，使BF3正比计数器可以探测到反应堆堆芯内产生的中子，通过前置放大器将中子信号转换为0.35V的负脉冲信号，此负脉冲信号经过200m电缆传输到位于主控室的主放大器的输入端，经过主放大器后输出7V～8V的脉冲信号，主放大器输出信号再送至单道分析器。信号经过单道分析器内部整形输出后成为宽度为0.25μS，幅度为5V的矩形波，此时该信号一路接入双定时器/计数器。另一路给率表，然后通过计数、取对数处理后再与报警单元模块的高对数计数和高对数率设定值进行比较，以实现对反应堆功率的实时监测和超功率保护。

2 启动仪表的组成及功能特点

每个通道的启动仪表由BF3正比计数器、前置放大器、CANBERRA 2015型带SCA/甄别器的主放大器、CANBERRA 1776型双定时器/计数器、TENNELEC TC593型率表、APTEC ACM-102型对数变化率和停堆触发单元、CANBERRA 3002型高压模块、图表记录仪和示波器等组成[1]。

2.1 BF3正比计数器

BF3正比计数器是通过俘获核子的过程来探测反应堆堆芯内产生的中子。中子俘获产生的带电粒子会在探测器气体中运动生成电子轨迹，随后电子轨迹被电子放大器识别为脉冲信号。由于脉冲信号的频率正比于电子轨迹的生成的次数，而中子俘获生成的电子轨迹的次数又同反应堆内产生的中子个数成正比，这样放大器监测到的脉冲信号即同反应堆功率成正比，从而实现了探测反应堆功率的目的。

2.2 前置放大器

前置放大器的目的是将微弱的电子脉冲放大为较大的、低阻抗信号，以使其在系统中传输的更远，BF3正比计数器的输出信号在经过前置放大器放大后输出的低阻抗信号可以沿着同轴电缆传输达300多米的距离。

2.3 放大器

放大器的功能是将前置放大器放大输出的脉冲信号进行进一步放大，并通过调节前面板上的粗调增益和微调增益来将输入幅值范围是0～10V的信号整定到幅值约为8V的中子脉冲。

2.4 单道分析器

单道分析器是由甄别器和窗口组成的，其目的是将放大后幅值低于甄别器门槛的噪声信号，如γ噪声滤掉后将窗口范围内的脉冲信号转换成标准幅值的方波信号后输出。在实际应用中，BF3正比计数检测到的噪声信号在经一系列放大处理后得到幅值低于2V的脉冲信号，BF3正比计数检测到的中子在经一系列放大处理后得到幅值为8V的中子脉冲信号。启动仪表系统甄别器的门槛设定为3V、窗口大小设定为7V，该单道分析仪检测的是反应堆内的热中子同硼10反应后得到的不同能量的电子经放大后得到3V～10V的中子脉冲信号，滤掉了γ噪声等噪声信号。每检测到一个这样的脉冲信号，单道分析仪就会输出一个幅值为5V的标准方波分别送给率表和双定时器/计数器。

2.5 率表

率表在接收到单道分析仪输出的方波后产生一个即时的对应于脉冲频率的模拟量显示，同时输出一个正比于脉冲频率的、工作范围为0～100mV的直流输出。

启动仪表选用的指示表有两种显示模式，线性显示和对数显示。为了避免在模式选择的时候引起控制的混淆，所以在此系统中选用了两块指示表，一块提供对数显示并将输出信号用于驱动脱扣报警控制模块即参与系统控制功能的实现，另外一块提供线性显示并将输出信号用于驱动图表记录仪来实现存档和科学分析的需要。计数指示表提供不同的响应时间常数来展平指示和直流输出，一个较长的响应时间常数的选择会导致在输入的变化和显示以及直流输出间的长时间延迟。为了避免在使用过程中错误地选择响应时间常数而导致脱扣报警控制模块误动，故在用于对数显示的计数指示表上使用了固定的响应时间常数。

2.6 双定时器/计数器

当启动仪表的计数非常低后或需要较高的计数精度以便于进行物理计算和分析时，计数指示表的显示就远远不能满足这种要求了。这时，双定时器/计数器的引入满足了在反应堆初次启动或长时间停堆后启动时反应堆内部热中子通量比较低，启动仪表检测到的计数值很低的工况。双定时器/计数器卡件的计数器部分又可称为累加器，它提供的是按照计时器设定的时间进行累加后的计数值显示，计时器部分的功能是设定计数值进行累加的时间。

2.7 报警控制模块

报警控制模块的功能是利用其内部的比较器对不同参数进行比较，为操纵员监测堆芯工况的变化提供报警。该模块设计的监测参数有4种：探测器工作电压异常、低对数计数、高对数计数和高对数率，当这4种参数中的任何一个超出其设定值范围时都将输出一个通道脱扣报警信号。在实际应用时对低计数和高对数率采取了闭锁设定以避免通道在低功率、低计数时发生误动。报警控制模块另外3种参数的输入信号分别来自对数显示计数指示表的输出信号和在其内部将对数信号处理后得到的对数率信号，以及来自高压电源的电压信号。报警控制模块的前面板上设置了各种参数的设定值调节器，操纵员可以根据不同的工况方便地设定相应的参数设定值。另外其前面板上还提供了对数率指示表，以便于进行设备标定时显示对数率。

2.8 高压模块

高压电压源是为了满足BF3正比计数器较高的工作电压而设计的，它输出直流电压的范围是0～3000V。启动仪表系统选用的是CANBERA 3002型高压模块，它可提供远程控制调节模式和就地控制调节模式。其远程控制调节模式的实现是通过报警模块背部输出0～5V的直流电压信号来控制0～3000V。就地控制调节模式是通过调节电压源模块前面板的旋钮式可调电位计来实现的，在进行电压调节的同时可以根据位于前面板的电压/电流显示表的显示来设定正常的工作电压。在高电压输出到脱扣报警控制模块进行探测器工作电压异常比较无误后，将送给BF3正比计数器以使其正常工作。

2.9 图表记录仪

图表记录仪可同时接收来自4个通道的线性显示计数指示表的输出信号，并将其记录在记录纸上以便于存档和进行科学分析。

2.10 示波器

示波器主要用于设定主放大器幅值，甄别器的门槛以及确认来自探测器的中子脉冲，它是一台辅助设备并不影响系统的功能。

3 启动仪表故障分析及解决方案

3.1 干扰故障分析及解决

对于启动仪表，其探头和前置放大器位于核岛内，二次放大器及比较器在主控室，中间有超过50m的电缆连接。大修期间核岛内经常有电焊作业或电动工具作业，其高频电磁波对启动仪表有很强的干扰，为了降低高频电磁干扰，在启动仪表的前置放大器的输入和输出端，二次放大器的输入端加了磁环。磁环具有高损耗系数，在不同的频率下有不同的阻抗特性，一般在低频时阻抗很低，当频率升高，磁环表现的阻抗急剧升高。可以把高频电磁能量通过涡流转换成热能，从而抑制高频信号的通过，磁环使正常有用的信号很好地通过，又能很好地抑制高频干扰信号的通过。加上磁环前，启动仪表由于干扰，在每次大修都会脱扣4～5次，加上磁环后，大修期间启动仪表没有出现过由于干扰而导致脱扣的现象。磁环对启动仪表的抗干扰能力的提高具有非常重要的作用，避免现场干扰而使一号停堆系统通道频繁脱扣的情况发生，降低了一号停堆系统误动作的风险。

3.2 内部电路及元器件故障的分析及解决

内部电路及电子元器件问题也是引起启动仪表系统故障的另一主要因素。启动仪表系统在大修投运期间出现过晶振元件故障导致E通道的计数器无法清零的故障，电容故障导致对数变化率指示表指示异常故障，可调电位计接触不良导致计数率低设定值不稳定的故障等。

启动仪表计数器的时钟周期本应是固定不变的，其起始点对应计数零点，但因计数器的时钟基准电路中1MHz晶振元件出现故障，它所在的晶体振荡电路输入到时钟基准电路的脉冲畸变。计数器的时钟是以晶体振荡电路产生脉冲数106个作为1秒钟基准的[2]。当晶振元件故障时，晶体振荡电路在一个周期之内产生的畸变脉冲没有被后面的时钟基准电路完全识别而进行统计，导致计数器的时钟周期发生变化。相应地，计数器清零时就不是在时钟周期的起始点。用1MHz晶振元件合格备件对故障的1MHz晶振元件进行更换后，晶体振荡电路产生脉冲波形稳定，时钟基准电路工作稳定，计数器能够清零。

对数变化率是衡量反应堆是否超功率的一个重要参数。在启动仪表投运，当对数变化率达到+15%时，就会触发通道脱扣。其在电路实现上是一个微分电路，在启动仪表投用期间，发现E通道的对数变化率指示表始终指示在+25%并且E通道没有脱扣，判断是对数变化率指示是虚假的，指示回路存在故障。经检查，果然是微分电路中的电容绝缘降低造成的。更换电容后，对数变化率指示表指示恢复正常。

在标定启动仪表的F通道时，发现其计数率低报值不稳定。检查发现电路板上的一个可调电阻内部接触不良，导致计数率低报设定值漂移，更换可调电位计后，计数率低报设定值稳定。

3.3 启动仪表高压故障

启动仪表的BF3正比计数器需要工作在高电压下，其工作电压为1.80KV。在启动仪表投用期间，启动仪表系统F通道因LOW COUNT自动脱扣，脱扣后检查计数率正常，启动仪表F通道探头电压变为1.83KV，而F通道脱扣前约1：30左右，检查发现启动仪表F通道电压为1.76KV，通过检查启动仪表的高压，发现高压不稳定，在0.8KV～1.9KV之间漂移。由于高压不稳定造成BF3正比计数器的工作电压没有工作在坪区，从而导致计数率偏低，通道脱扣。

鉴于工作高压对启动仪表的运行有着重要影响，探测器工作电压异常会造成通道脱扣。目前针对工作高压故障所采取的预防措施是在连接到一号停堆系统之前，进行工作高压的检查和探头的坪特性检查以保证工作高压稳定并且在坪区正常工作。

3.4 BF3正比计数器的饱和故障

启动仪表的一些部件始终处于高中子通量水平的环境中。因此，在达临界的过程中，随着功率水平的升高，如果BF3探测器测量的中子计数率大于105CPS将出现堆积现象，达到饱和[3]。为了防止这种情况的发生，所以在反应堆启动过程中，随着功率水平的升高，需要维修人员将BF3正比计数器逐渐向外抽出，使其计数降低到103CPS左右。

4 结束语

启动仪表系统在重水堆停堆期间都能够参与反应堆的在线运行，能够及时、准确地监测反应堆内中子通量的变化，并且能够在反应堆功率变化异常时提供报警信号和控制一号停堆系统动作的脱扣逻辑信号。通过技术人员了解启动仪表的工作原理和组成，启动仪表投用前对其进行标定、检查和试验，及时发现启动仪表内部元器件故障、高压故障。通过增加磁环，提高启动仪表的抗干扰能力。通过定期更换内部易老化的元器件等措施，保证启动仪表的可靠运行，减少启动仪表投运期间的故障，及时监控反应堆在停堆期间的中子通量，保证反应堆的安全。