核测信号的主动降噪方法研究

徐建飞

(中广核工程有限公司，广东 深圳 518124)

0 引言

用于堆芯功率监测、放射性剂量监测的核测仪表被广泛应用于核电站。核测信号一般都较为微弱。以压水堆核电站中间量程中子通量测量仪表为例，其量程范围为10-11～10-3A。微弱电流系统在核电站工程建设和运行阶段一直深受噪声问题的困扰[1]，由于噪声问题导致的跳堆等内部运行事件偶有发生。核测系统首次投运前，测量系统本底噪声是否影响系统的可用性，是必不可少的一个环节。

某压水堆核电厂在调试启动阶段的临界前中间量程测量通道探头噪声检查过程中，发现稳定的噪声信号。经信号调理卡件放大后，噪声峰峰值高达110 mV，频率约50 Hz。如不处理，噪声将会影响相关的倍增周期计算，进而影响机组临界。该核电厂的堆外中子通量测量系统使用Rolls-Royce处理单元，并使用Schneider ElectricCC80型涂硼γ补偿电离室作为中间量程探头。

1 噪声源定位

噪声源的定位可以分理论分析、分区排查和对比定位三个步骤来执行。

一般而言，大功率电气设备、高压电线等是主要的电磁干扰源[2]。但对于核电站中使用的微电流核测仪表而言，中低压电气设备、电缆等对微弱电流信号也会产生强大的干扰。核电常见干扰源类型可分为如下五类[3]。

①运行和启动过程中的一次设备。

②中低压电源转换装置及线路(针对微弱信号)。

③短路电流。

④高频线路。

⑤核辐射。由于核辐射带来的主要干扰形式是核爆产生的极强电磁脉冲，中间量程中子通量测量的整个通道都是可能的受扰对象。根据不同设备的分布情况，将整个通道分为三个部分：A区域，中子探头及其连接电缆；B区域，贯穿件及及连接电缆；C区域，处理单元及连接电缆。

中间量程测量通道如图1所示。

图1 中间量程测量通道示意图

根据噪声频率特点，50 Hz具有典型的工频特征，可排除类型4、类型5这两种噪声。在每个独立的区域，对剩余三类可能的干扰源进行了排查。

分区排查结果如表1所示。

表1 分区排查结果

排查结果显示，有两处220 VAC、50 Hz照明用电源电缆距离受扰信号电缆15 cm左右，可能造成本底噪声的增大。另外，处理单元机柜内供电的两个冗余的48 V电源转换模块也可能是噪声来源。对照明用电源电缆采取断电对比方案。断电前后，信号本底噪声无明显变化。柜内冗余48 V电源转换模块负责柜内所有设备的供电，断电后无法测量噪声。因此，采用外接第三台独立48 V电源转换模块为整个处理单元供电，并使外接的48 V独立电源模块尽量远离受扰对象。然后，断开柜内48 V电源转换模块供电，进行对比试验。断电前后噪声变化明显，峰峰值降低至36 mV。根据断电结果，可以明确噪声来源为柜内冗余的48 V电源转换模块。

2 有源降噪系统模型分析及降噪方案

降噪方案一般基于噪声三要素(噪声源、受扰对象和干扰路径)进行相应的方案优化。在对象受低频段电磁干扰的情况下，距离防护和屏蔽防护是降低干扰的主要途径。但是以上两种方案都需要增加系统占用的空间，改造难度大。

在不改变系统占用空间的情况下，这些防御式的被动降噪方案基本无法实施。因此，主动(有源)降噪成了唯一可行的选择。传统有源降噪(active noise control,ANC)能够利用场的叠加原理，通过引入新的噪声场，使之与原有的噪声场相互作用，以达到降噪的目的[4]。ANC系统在声场环境中已有广泛的应用。根据有源降噪原理和电磁场干扰特点，绘制电磁场系统主动降噪结构模型。主动降噪系统理论结构如图2所示[5]。

图2 主动降噪系统理论结构框图

系统稳定后，残差的表达式如下：

e(i)=d(i)+g(i)=s(i)+v(i)+[p(i)+

u(i)]wopt(i)h(i)

(1)

其中：

g(i)=[p(i)+u(i)]wopt(i)h(i)

最理想的降噪方案需要使最终残差等于信号源，即：

e(i)=s(i)

v(i)= - [p(i)+u(i)]wopt(i)h(i)

根据经验，信号源几乎不会对48 V电源转换模块的噪声产生影响，所以可以使u(i)=0。由此可得：

v(i)= -p(i)wopt(i)h(i) = -g(i)

(2)

根据模型和现场实际进行分析，只要有一个相反相位的类似噪声源，经过相同的传递函数，即可对噪声起到抑制甚至抵消作用。

堆外中子中间量程测量通道机柜供电线路如图3所示。

图3 机柜供电线路示意图

由分析可知，噪声来自两个冗余供电的48 V电源转换模块。两个电源转换模块上游电源完全相同，所以两个电源转化模块产生的空间电磁波基本一致，幅值、频率和相位相同。从传递函数的角度分析，两个电源模块平行对称布置，且距离接近，可以近似为相同传递函数。受扰对象感受到的噪声，是两个电源转化模块产生的噪声经相同传递函数叠加的结果。由于电源模块布置较近，那么可以近似为两个电源转换模块产

生的噪声反向叠加，这将起到主动降噪的效果。

电源模块为220 V交流供电，两台电源适配器为同一电源输入。将电源适配器2的输入端3、4对调，将会使电源适配器2的输入转变为与电源适配器1输入电源幅值相同、频率相同、相位相反的输入电源，从而使电源适配器2在理论上产生与电源适配器1近似相位相反的空间电磁波。

3 试验验证

按照理论分析结果，采用对比试验的方法验证分析结果。在不改变其他外部条件的情况下，使用同一试验仪器，在主动降噪方案执行前后分别测量信号噪声1 min，并分别选择1 min内噪声最大值进行对比分析。采用主动降噪方案处理前，工频干扰噪声幅值测试结果最大值为110 mV。采用主动降噪方案处理后，工频干扰噪声幅值测试结果平均值为31 mV，降噪有效率达78.1%。由此可见，噪声幅值已降至可接受水平。该方案使核测系统中间量程噪声高问题得以解决。

4 结束语

本文以某核电厂堆外中子通量测量通道噪声问题为例，建立了电磁场干扰主动降噪模型，并依据模型进行分析，给出了一种可以广泛用于同类电磁干扰的主动降噪方案。试验表明，此方案的降噪有效率可达70%以上。整个方案采用有源降噪方法，方案简单易行，可以作为被动式降噪方案,如屏蔽降噪、距离降噪的补充，为长期受电磁干扰困扰的核测仪表类微弱信号系统提供了新的降噪思路。