核电厂辐射测量仪表异常接地导致闪发高计数故障分析及处理

连杰 吴平韬

福建福清核电有限公司维修一处 福建福州 350300

在核电厂的仪表及控制（I&C）系统中，与常规电厂测量原理和应用差别最大的设备是核与辐射测量类仪表。在核电机组中，核测量仪表主要分为堆芯测量、堆外核测和辐射监测类。辐射测量仪表的测量原理多为电离室、光电倍增管或正比计数管等方式[1]，敏感元件与传统热工仪表相比，信号强度较弱且受统计涨落影响比较严重。本文通过分析一起伽马测量仪表闪发高计数的故障和解决方案，来阐明接地的可靠性对核测量仪表正常工作的重要性。

1 核电厂辐射监测仪表信号与结构特点

目前核电厂中辐射监测设备型号众多，总体来说可以按其敏感元件不同分为气体探测器类、闪烁体类、半导体类等。对于不同类型的监测仪器，一般都具备以下几个通用特点。

1）测量范围广，量程宽。一般辐射监测仪表测量范围可能跨越6-7个数量级，且在测量下限附近也要求有较高的测量精度（通常的正常测量值接近测量下限）。

2）原始信号极弱。电离室类探测器的正常测量时输出电流一般在10-10A级别或更低级别。这对整个监测通道的探测器制造工艺、信号传输与屏蔽、前端放大、后端信号处理和输出都提出了更高的要求。

3）原始信号需远传。为了避免工作人员在进行维修巡检时受到非必要照射.部分监测仪在探测器测得微弱的原始信号后，还要对信号进行远传。如核岛内的事故后反应堆厂房剂量率监测仪需要将10-14A的模拟量信号传输至安全壳外，传输距离约100m。

4）仪表智能化程度较高。为了在满足宽量程、弱信号的同时能够将辐射监测仪表信号接入电厂数字化控制系统，辐射测量仪表一般需要将探测器测得的信号进行放大、整形和处理，换算成具有实际意义的剂量率或活度信号后上传至主控室，故一般辐射监测仪表0层设备智能化程度较高。

2 核电厂仪表接地准则和要求

对于核电厂辐射监测类仪控设备来说，接地一般有以下几点要求：

设备保护地应和仪表与控制系统外壳相接。为了保护人员和设备安全，仪表和控制设备外壳接地应为交流故障电流提供低阻抗的路径，以便在任何外部事件或交流电源故障的情况下使设备外壳始终处于地点为，相邻设备间的跨步电压和接触电压不超过安全限制。

信号接地应对不同的仪表进行区分。对于辐射监测和泵轴振动监测这类计数脉冲型探测器的信号回路可不接地。当屏蔽电缆的屏蔽层也作为信号传输线时，只有在末端才作为信号的公共零线单点接地。探测器信号接地方法应充分考虑设备制造商的建议。

图1 典型辐射监测仪表接地方式

低频段屏蔽层单点接地原则。即信号电缆屏蔽地应在信号回路接地的同一点上接地。如果屏蔽多余一点接地，那么地电位差将驱动电流流过屏蔽层，屏蔽层电流在信号贿赂中感应出共模噪声，并转变为与信号回路阻抗不平衡的成比例的差模噪声信号进入信号线路[1]。电厂典型辐射监测仪表接地可参考上图1进行。

3 闪烁体仪表闪发高计数故障现象及原因分析

3.1 故障现象

国内某核电机组内辐射监测系统三个仪表（仪表编号为KRT042/043/044MA）多次闪发高计数报警。据统计，自2014年11月来至今，该机组处理22个此类故障相关的工单。总结历次的故障现象，有以下典型的干扰型故障特点：

(1)闪发报警时历时很短，多为几秒钟高计数，之后迅速回落

(2)出现故障时会在短时间内（一般几十分钟到一小时）多次闪发，此时间段过后仪表自动恢复

(3)有不止一次出现了同时2个或3个仪表同时高计数的情况

3.2 处理和测试过程

通过多次测试，检修人员发现，该类型设备可能引入干扰的方式为：外部干扰通过就地处理箱的保护地线串入就地处理箱的测量板，在测量板内造成共模干扰[3]，从而造成测量异常，产生瞬间大计数。

由于外部干扰无法捕捉，也很难进行复现，将出现高计数的原因归结为外部干扰主要有以下几点考虑。

(1)在闪发报警历史中，有7次属于同一时间点两台或以上的仪表同时出现高计数，而两台仪表同时损坏并在同一时间段内出现故障的概率极低，可初步判定是由于两台仪表的共同因素造成的同类型故障；

原设备安装方式为三个仪表的就地处理箱保护地线先汇总再统一接入电厂地，更改后为分别直接接入电厂地（如下图2所示），更改接地方式后同时多个通道闪发报警的情况明显改善；

图2 保护地线接线示意图

(3)测试发现，将就地处理箱从墙上取下后单独放置在绝缘平台上，即使不安装地线，也可稳定运行一段时间，但挂在墙上之后闪发频率变高

(4)就地处理箱的安装孔使用膨胀螺栓进行固定，经测试，膨胀螺栓与墙面内钢筋连通并接入电厂大地，而墙体内钢筋网络走向复杂，可能有强电磁干扰或大功率设备接入造成干扰；

(5)测试发现，当探测器端外壳和安装支架之前绝缘下降时（一般为小于1MΩ时），易出现闪发报警情况。

3.3 闪发高计数原因分析

根据现场多次故障处理情况，除探测器本身故障外 ,外部干扰导致探测器闪发高计数故障主要有以下三种原因：

(1)就地处理箱膨胀螺栓引入异常干扰信号，造成保护接地失效；

(2)监测仪信号/保护回路多点接地造成电势差，造成外部干扰并通过保护地线进入就地处理箱,造成计数瞬时升高；

(3)探测器端绝缘下降，造成变相的多点接地（就地处理箱保护地和探测器外壳保护地），并形成电势差，在测量电缆内产生干扰。

4 处理方案及处理过程

对于接地干扰，最重要的处理办法就行进行接地可靠性和多点接地的排查，具体措施包括：

分离地线，为了避免干扰从一个就地处理箱串到另外的几个就地处理箱，首先应将042MA/043MA/044MA的就地处理箱保护地线分离（如前文图2所示）；

为了保证接地可靠并尽可能少的经过其它电气设备，将三个LPU的地线直接改接至就地处理箱附近的接地铜牌。利用绝缘板将就地处理箱和显示箱等小三箱背板安装方式进行改进，使得处理箱与墙体碰撞螺栓之间绝缘电阻大于50MΩ。保证探测器端和安装支架的绝缘（浮空）电阻大于50MΩ。加工绝缘安装垫片，如出现绝缘下降情况则进行绝缘垫片更换。经过一系列接地可靠性提升，该型号监测仪闪发高计数频度大幅下降，目前该类频度小于1次/年，可满足现场监测要求的可靠度。

5 结语

辐射监测仪表在核电厂中属于特殊的弱信号类仪控设备，在进行接地设计和安装时需要尽量能够满足相关标准中准则和要求。在现场实际的安装过程中，要注意防止监测仪多点接地导致外部干扰影响测量。在检测到有多点接地的可能性时，可通过增加绝缘背板等措施进行提升和改进，确保仪表测量的准确性。