分体装配式自给能传感器绝缘电阻影响因素分析

谷中鑫，胡润勇，尹小龙，王广金，张敬祎，刘伯宇

分体装配式自给能传感器绝缘电阻影响因素分析

谷中鑫，胡润勇，尹小龙，王广金，张敬祎，刘伯宇

（中国核动力研究设计院第二研究所，四川 成都 610041）

为了比较分体装配式自给能传感器各参数对绝缘电阻的影响，以及进一步为了解决从传感器结构设计方面提高绝缘电阻的问题。本文将根据分体装配式自给能传感器结构特点，建立探头绝缘电阻、引线绝缘电阻以及整体绝缘电阻的计算模型。研究分析传感器探头内材料电阻率、发射体与绝缘壳体配合间隙、发射体偏心、发射体与芯线连接段长度以及引线电缆长度对绝缘电阻的影响。通过理论分析和计算，传感器引线电缆长度是影响整体绝缘电阻的关键因素，发射体偏心和配合间隙对整体绝缘电阻的影响可以忽略不计，尤其对于引线长度10 m以上的传感器。本文对自给能传感器的结构设计具有参考价值。

分体装配式；绝缘电阻；配合间隙；偏心；连接段；引线电缆

中子通量是反应堆重要的物理参数，在反应堆运行中，需要对中子通量进行连续、精确的测量。与其他堆芯中子通量测量方式相比，自给能探测器具有无需外部电源供电、结构简单、体积小便于安装的特点[1-2]。目前的三代核电厂堆芯测量系统普遍采用自给能探测器。自给能传感器是自给能探测器中的核心部件，绝缘电阻是自给能传感器的关键参数，绝缘电阻将直接对信号的测量产生重要影响。相比于一体成型传感器，

分体装配式自给能传感器探头具有部件多的特点，传感器设计时需要考虑各因素对其绝缘电阻的影响，因此分体装配式自给能传感器绝缘电阻设计不能完全照用一体成型传感器。为了比较传感器各参数对绝缘电阻的影响及解决从传感器结构设计方面提高绝缘电阻的问题，本文将开展分体装配式自给能传感器绝缘电阻影响因素分析。

1　传感器结构

自给能传感器由电流输出端、密封套、引线电缆和传感器探头等4个部分组成，传感器整体结构如图1所示，结构尺寸参数如表1所示。引线电缆包括引线外壳、补偿芯线、信号芯线和引线绝缘，如图2（a）所示。传感器探头包括收集极、密封端塞、发射体、绝缘壳体和内部气体介质，如图2（b）所示。引线电缆与传感器探头的连接、收集极与密封端塞的连接以及信号芯线与发射体的连接均通过焊接实现。绝缘壳体为中子截面小、耐辐照、耐高温的高绝缘材料，其既要保证发射体和收集极之间具有一定的绝缘性，又要保证从发射体发射出来的绝大多数电子能够到达收集极。收集极需中子截面小、耐辐照、机械强度高且高温形变小，采用铟科镍。补偿芯线用于补偿反应堆中各辐射与传感器信号芯线相互作用产生的芯线电流。

图1　分体装配式自给能传感器结构

1—电流输出端；2—密封套；3—引线电缆；4—引线外壳；5—补偿芯线；6—引线绝缘；7—信号芯线；8—绝缘壳体；9—发射体；10—收集极；11—密封端塞；12—焊缝；13—焊缝

图2　传感器截面

图3　自给能中子传感器等效电路图

传感器等效电路如图 3 所示，计算漏电流（JY）和测量仪器电流（CL）如公式（1）～公式（2），测量电流CL与0呈现线性关系，当保证绝缘电阻JY＞＞（CL+IIC）条件时，漏电流的贡献不大。

式中：0——发射体产生带电粒子形成的电流；

YC——信号芯线产生的电流；

JY——漏电流；

CL——测量仪器的测得电流；

JY——自给能传感器的绝缘电阻；

ΠC——从传感器至测量仪器连接线的电阻；

CL——测量仪器的输入电阻。

表1　分体装配式自给能传感器主要尺寸参数

2　绝缘电阻模型

绝缘电阻由绝缘材料的电阻率和电缆的结构尺寸所确定。计算绝缘电阻时采用直接积分法，将绝缘材料的整个电介质分为无数个微小电阻，总电阻是这些微电阻串、并联的结果。根据电阻定律，绝缘电阻与沿漏电流方向电介质材料的长度d成正比，与垂直于漏电流方向电介质材料的横截面积成反比，与材料的电阻率ν成正比。因此，对于给定的绝缘材料，绝缘电阻可以根据公式（3）直接计算[3]。分体装配式自给能传感器整个传感器的绝缘电阻由传感器探头绝缘电阻和引线绝缘电阻两部分形成。

2.1　探头绝缘电阻

传感器探头结构较复杂，如图1所示，包括发射体、绝缘壳体、发射体与信号芯线之间的连接段，发射体与绝缘壳体之间为气体介质。绝缘壳体与收集极之间为紧配合，忽略绝缘壳体偏心以及绝缘壳体与收集极间的间隙。整个探头部分的绝缘电阻由以下两大部分绝缘电阻并联形成：

（1）发射体部分，其绝缘电阻包括发射体与绝缘壳体之间的气体和绝缘壳体；

（2）发射体—信号芯线连接段部分，其绝缘电阻包括连接段与绝缘壳体之间的气体介质和绝缘壳体。

2.1.1发射体部分

发射体部分的绝缘电阻由发射体与绝缘壳体之间的气体和绝缘壳体两部分的绝缘电阻串联组成。发射体部分的绝缘电阻计算模型如图 4 所示，绝缘壳体与收集极为同轴布置，发射体与绝缘壳体之间的偏心距为Δ。

根据公式（3），对于发射体与绝缘壳体之间的第Ⅰ气体区域，即对应图4中的间隙，张角d夹角形成的绝缘电阻d1可以由公式（4）计算。对于发射体与绝缘壳体之间形成的第Ⅱ区域，即对应图4中的绝缘壳体和间隙，张角d夹角形成的绝缘壳体的绝缘电阻d2可以由公式（5）～公式（7）计算[4]。d1微元并联形成绝缘电阻1，d2ρ2微元并联形成绝缘电阻2ρ2，d1ρ2微元并联形成绝缘电阻1ρ2，如公式（8）～公式（10）所示。进一步由余弦定理公式（11）～公式（12）化简可以得到公式（13）～公式（15），2可以由公式（16）式计算。

图4　发射体部分计算模型

式中：0——发射体半径；

10——发射体中心O’到绝缘壳体内壁之间的距离；

20——发射体中心O’到绝缘壳体外壁之间的距离；

1——发射体与绝缘壳体之间的气体介质电阻率；

2——绝缘壳体电阻率；

——发射体长度；

2ρ2——发射体与绝缘壳体之间介质的电阻率2时，第Ⅱ区域的绝缘电阻；

1ρ2——发射体与绝缘壳体之间介质的电阻率2时，第Ⅰ气体区域的绝缘电阻；

11——收集中心到绝缘壳体内壁之间的距离；

22——收集中心到绝缘壳体外壁之间的距离。

2.1.2连接段部分

发射体—信号芯线连接段部分在传感器探头内为倾斜布置，整个连接段处于偏心状态，连接段部分的绝缘电阻计算模型如图5所示。整个连接段相对于收集极均处于偏心状态，连接段上每个位置处的偏心距离均不同。结合实际情况和问题分析方便，连接段绝缘电阻的计算模型基于以下假设：

（1）连接段处于直线状态；

（2）连接段的长度Δ不会随着Δ改变而变化。

取连接段上某位置处的长度微元d，长度微元处的偏心半径为x，则长度微元可以表示为公式（17）。同理根据公式（3）～公式（6），长度微元对应的绝缘电阻d3、d4ρ2d3ρ2可以由公式（19）～公式（21）计算。x的变化范围为［Δ，0.5（+）］，进一步可以得到公式（22）～公式（25）。

图5　连接段部分计算模型

式中：——连接段与发射体端部平面的夹角；

30——x位置处芯线中心OX到绝缘壳体内壁之间的距离；

33——收集中心O到绝缘壳体内壁之间的距离；

40——x位置处芯线中心OX到绝缘壳体外壁之间的距离；

44——收集中心O到绝缘壳体外壁之间的距离。

2.2　引线绝缘电阻

传感器引线电缆采用铠装结构，包含两芯、芯线与引线外壳之间填充绝缘介质，如图1和图2（a）所示。根据标准GB/T 18404—2001铠装热电偶电缆及铠装热电偶和JB/T 5582—2014工业铠装热电偶技术条件，本文的传感器引线电缆结构和尺寸参数均能被很好满足。对于单芯情况，绝缘电阻可以由公式（26）计算，对于均匀分布的芯引线，绝缘电阻可由公式（27）计算[5]。

2.3　整体绝缘电阻

分体装配式自给能传感器整个传感器的绝缘电阻由传感器探头绝缘电阻和引线绝缘电阻两部分并联形成。传感器探头绝缘电阻（T）由发射体部分和连接段部分并联形成，其中发射体部分由气体介质和绝缘壳体两部分的绝缘电阻串联形成，连接段部分也由气体介质和绝缘壳体两部分的绝缘电阻串联形成。根据公式（8）、公式（16）、公式（22）、公式（25）和公式（27），探头绝缘电阻（T）可以由公式（28）计算、探测器整体绝缘电阻（all）可以由公式（29）计算。

3　绝缘电阻计算

根据前面的分析和推导，公式（13）～公式（15）为超越积分，公式（22）～公式（24）为二重超越积分。利用复化Simpson公式（30）～公式（31）近似求解[6]-[7]，将积分区间［，］划分为2等分，步长=（-）/，分点x=+（=0，1，…，）。一重超越积分用一次复化Simpson求解，二重超越积分用二次复化Simpson求解。分体装配式自给能传感器绝缘电阻不仅与材料特性相关，还与结构参数密切相关。下面将计算材料电阻率、发射体与绝缘壳体配合间隙、发射体与芯线连接段长度、发射体偏心以及引线电缆长度对传感器绝缘电阻的影响。

3.1　材料电阻率影响

传感器探头部分与绝缘电阻相关的材料包括由发射体与绝缘壳体之间的气体介质和绝缘壳体介质两种。不同气体介质和绝缘壳体介质材料参数如表2所示，气体介质为干燥空气，绝缘壳体材质包括氧化铝和石英玻璃。根据表 1 中的结构参数，传感器其他参数保持不变，介质不同配合情况下对应的绝缘电阻计算如表 3所示。

表2　材料参数

表3　不同材料组合的绝缘电阻

3.2　配合间隙的影响

发射体与绝缘壳体配合间隙需要确保发射体能够正常放入绝缘壳体内，同时发射体不能与收集极接触，因此发射体外径与绝缘壳体内径需配合。为了保证传感器的灵敏度要求，发射体的外径不能过小。绝缘介质采用干燥空气-石英玻璃组合，考虑发射体与绝缘壳体紧贴的极端情况：绝缘壳体外径不变；绝缘壳体壁厚0.25 mm；假设发射体与绝缘壳体为紧配合，即间隙取0 mm；发射体直径0.70 mm。根据表1的结构参数，绝缘电阻计算如表4所示。

表4　配合间隙对应的绝缘电阻

3.3　发射体偏心影响

根据表1给出的结构参数，发射体与绝缘壳体间隙为0.1 mm，因此发射体的偏心距离Δ范围为0-0.1 mm。绝缘介质采用干燥空气-石英玻璃组合，发射体偏心步长为0.01 mm，不同偏心距离时的绝缘电阻计算如表5。

表5　不同发射体偏心的绝缘电阻

3.4　连接段长度影响

根据表1给出的结构参数，发射体-信号芯线连接段部分长度Δ为6.5 mm。连接段的长度需要确保发射体与信号芯线之间的连接可靠，保持传感器其他参数不变，绝缘介质采用干燥空气-石英玻璃组合，Δ范围为4.0～9.0 mm时，步长0.5 mm，传感器的绝缘电阻计算如表6。

表6　不同连接段长度的绝缘电阻

3.5　引线长度的影响

根据表1给出的结构参数，保持传感器其他参数不变，绝缘介质采用干燥空气—石英玻璃组合，表7给出了不同引线电缆长度对应的绝缘电阻计算。

表7　不同引线电缆长度的绝缘电阻

4　结论

本文根据分体装配式自给能传感器的结构特点，建立了传感器探头绝缘电阻计算模型和引线绝缘电阻计算模型，其中探头绝缘电阻计算模型包括发射体段和连接段。分别计算分析了材料电阻率、配合间隙、发射体偏心、连接段长度和引线长度对绝缘电阻的影响。

（1）探头绝缘电阻：传感器探头内充有干燥空气介质并且其他参数不改变时，探头部分的绝缘电阻值将大幅提高；发射体与绝缘壳体之间的间隙为0 mm配合的极端情况时，探头绝缘电阻将减小1个数量级；保持其他参数不改变，随着发射体偏心距离的增大，探头绝缘电阻将减小；连接段长度对探头绝缘电阻基本无影响。

（2）整体绝缘电阻：对整体10 m传感器，探头内部各部件参数对传感器绝缘电阻几乎无影响，整体传感器绝缘电阻与引线电缆长度成反比。

因此，确保传感器探头部分装配方便可靠且发射体-收集极间不短路的前提下，分体装配式自给能传感器的探头各参数对整体绝缘电阻几乎无影响，从传感器探头结构设计方面去提高整体绝缘电阻值无必要。引线电缆的绝缘电阻是影响整体传感器绝缘电阻的关键因素，引线电缆长度是影响整体传感器绝缘电阻的重要变量。进一步提高传感器整体绝缘电阻可以从引线电缆制造工艺方面去优化，确保壁厚、芯径、间距等被满足。

［1］ 张睿，曾力．铑自给能探测器的测量信号计算方法研究［J］．仪器仪表用户，2018，25（1）：88-90.

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［3］ 苏景顺．计算绝缘电阻的几种方法［J］．河北建筑工程学报，2012，30（3）：90-92.

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The Influence Factor Analysis of Insulation Resistance for the Assembly Self-powered Neutron Detector

GU Zhongxin，HU Runyong，YIN Xiaolong，WANG Guangjin，ZHANG Jingyi，LIU Boyu

（Reactor Engineering Research Division，Nuclear Power Institute of China，Chengdu of Sichuan Prov. 610213，China）

To compare the influence of each parameter on insulation resistance of the assembly self-powered neutron detector and to further solve the problem of improving installation from the aspect of structure design, insulation resistance models of the detector probe part, leader cable part and whole detector were established in this paper based on the structure characteristics of the assembly self-powered neutron detector. Influence of material resistivity, tolerance clearance between the emitter and the insulation shell, emitter eccentricity, connection length between emitter and signal conductor, and leader cable length on insulation resistance value was studied and analyzed. Through theoretical calculation, the influence of emitter eccentricity and tolerance clearance between the emitter and insulation shell on whole insulation resistance of the detector is negligible. The leader cable length of the detector is the critical factor for whole insulation resistance of the detector, especially for the self-powered neutron detector of which the leader cable length is more than 10 meters. This paper can provide reference for the structure design of self-powered neutron detector.

Assembly structure; Insulation resistance; Tolerance clearance; Eccentricity; Connection part; Leader cable

TM623

A

0258-0918（2021）06-1303-07

2020-07-10

谷中鑫（1990—），重庆人，工程师，硕士，现主要从事反应堆仪控电气设备研制方面研究