肖 宇，汪 宇，趙云濤

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

核儀表系統(tǒng)(業(yè)內(nèi)簡(jiǎn)稱(chēng)“RPN”)作為重要的核電廠反應(yīng)堆核功率的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]之一，直接與核安全相關(guān)。該系統(tǒng)由源量程、中間量程與功率量程組成。每個(gè)量程包括對(duì)應(yīng)的探測(cè)器、電纜以及處理板卡。其中：源量程通道的覆蓋范圍為1～1.6×106cps，主要在反應(yīng)堆停、啟堆以及換料狀態(tài)下使用；功率量程通道的覆蓋范圍為1×10-6～1×10-3A，主要在功率運(yùn)行階段使用。中間量程被用于監(jiān)視反應(yīng)堆堆芯在啟動(dòng)后的注量率水平及倍增周期，其中子注量率范圍為1.35×102～1.35×1010n·cm-2·s-1，對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)為1×10-11～10×103A，包括了8個(gè)數(shù)量級(jí)。由于中間量程測(cè)量通道范圍較廣，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為采用自動(dòng)量程切換的方式，可以提高信號(hào)的精度。量程的切換根據(jù)電流信號(hào)的變化自動(dòng)進(jìn)行。該過(guò)程在測(cè)量通道的信號(hào)處理卡件內(nèi)完成，其電流信號(hào)通過(guò)對(duì)數(shù)運(yùn)算后轉(zhuǎn)換成4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)對(duì)外輸出。在此種技術(shù)方案中，若軟件相關(guān)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，就會(huì)產(chǎn)生異常尖峰電流，甚至導(dǎo)致跳堆。

本文通過(guò)對(duì)核儀表系統(tǒng)內(nèi)部功能分析，介紹了異常出現(xiàn)后的故障定位，查找根本原因，最終提出解決方案，并完成向后續(xù)項(xiàng)目的反饋。

1 故障背景

2013年1月23日，某核電廠1號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆處于次臨界狀態(tài)，堆芯核功率緩慢下降，RPN中間量程所測(cè)量的電流值也在緩慢下降。一段時(shí)間后，反應(yīng)堆跳堆，經(jīng)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的整理，在事故后監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)中間量程通道RPN013MA閃發(fā)超過(guò)停堆閾值1×10-8A的異常高電流，電流值為2×10-5A，經(jīng)二取一邏輯后直接觸發(fā)跳堆。由于時(shí)間極短，操縱員終端系統(tǒng)未能采集到。

2 原因分析及排查

在本次事件中有3個(gè)疑似觸發(fā)跳堆信號(hào)故障點(diǎn)。

2.1 中間量程探測(cè)器及傳輸電纜部分

中間量程探測(cè)器使用補(bǔ)償電離室。該類(lèi)型探測(cè)器的原理是10B(n，α)7Li核反應(yīng)，產(chǎn)生的7Li和α粒子在探測(cè)器內(nèi)所充的氣體中運(yùn)動(dòng)，損耗能量產(chǎn)生電離形成正負(fù)離子對(duì)，在電場(chǎng)的作用下向兩極運(yùn)動(dòng)，形成正比于入射中子的電流信號(hào)并輸出，經(jīng)電纜傳輸至二次儀表[2]。在探測(cè)器失效以及信號(hào)電纜絕緣性能被破壞的情況下，有一定幾率會(huì)產(chǎn)生異常電流。通過(guò)在機(jī)柜側(cè)對(duì)探測(cè)器及電纜進(jìn)行絕緣性、連續(xù)性及反射儀特性檢查，結(jié)果均正常。通過(guò)對(duì)探測(cè)器進(jìn)行曲線繪制，其結(jié)果合格。因此，可排除該異常電流是由探測(cè)器及電纜部分異常所引起的可能性。

2.2 反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)

在反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)，由于卡件失效等原因，會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)算異常，使輸出異常。通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在中間量程尖峰電流觸發(fā)的同時(shí)，核儀表系統(tǒng)中間量程“低倍增周期”報(bào)警同時(shí)被觸發(fā)?？紤]到保護(hù)系統(tǒng)隔離加冗余設(shè)計(jì)特點(diǎn)和不同通道同時(shí)產(chǎn)生誤報(bào)警的概率較低，因此，初步判定該尖峰電流是由核儀表系統(tǒng)中間量程真實(shí)發(fā)出，可排除故障點(diǎn)不在系統(tǒng)內(nèi)。

2.3 RPN中間量程采集及處理部分

2.3.1 RPN中間量程工作原理

RPN中間量程設(shè)計(jì)的測(cè)量范圍對(duì)應(yīng)的中子注量率是1.35×102～1.35×1010n·cm-2·s-1，對(duì)應(yīng)的探測(cè)器輸出電流信號(hào)為10-11～10-3A，包括了8個(gè)數(shù)量級(jí)。為保證信號(hào)采集及處理的精度，系統(tǒng)采用了自動(dòng)選擇量程的采集處理方案，將8個(gè)數(shù)量級(jí)的電流范圍分為7個(gè)量程，量程切換由系統(tǒng)軟件自動(dòng)進(jìn)行。探測(cè)器采集的信號(hào)，通過(guò)機(jī)柜內(nèi)ACCG4板件采集后，將微電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～10 V電壓信號(hào)(模擬量)及1組5位編碼信號(hào)(開(kāi)關(guān)量)，其中包括3位量程編碼、1位無(wú)效位信號(hào)、1位奇偶校驗(yàn)位信號(hào)。模擬量與開(kāi)關(guān)量信號(hào)分別被16EANA板件與32ETOR板件所采集，后送至UC25板件進(jìn)行處理。量程對(duì)應(yīng)編碼如表1所示。

表1 量程對(duì)應(yīng)編碼

中間量程信號(hào)連接如圖1所示。

圖1 中間量程信號(hào)連接圖

圖1中，ACCG4板件用于微電流信號(hào)的調(diào)理和放大，16EANA板件用于模擬量采集，32ETOR板件用于開(kāi)關(guān)量采集，UC25處理板件為RPN系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)處理板件，6SANA板件的功能為輸出隔離。

2.3.2 試驗(yàn)?zāi)M故障

通過(guò)對(duì)跳堆過(guò)程中的歷史數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，中間量程電流在10-7A緩慢下降至10-8A的過(guò)程中，當(dāng)電流值約為8.5×10-8A時(shí)產(chǎn)生尖峰電流，位于量程4到量程3切換點(diǎn)(板件特性，電壓范圍為0.85～9.90 V)。通過(guò)在輸入端連接電流發(fā)生器模擬探測(cè)器信號(hào)，在輸出端連接高速記錄儀以記錄信號(hào)變化情況。量程切換試驗(yàn)連接如圖2所示。

圖2 量程切換試驗(yàn)連接示意圖

設(shè)置輸入電流在(0.8～1.05)×10-7A之間連續(xù)變化，模擬ACCG4板件各量程切換過(guò)程，包括量程4與量程3切換過(guò)程。通過(guò)高速記錄儀的錄波顯示，多次記錄尖峰電流，驗(yàn)證了觸發(fā)本次跳堆的異常尖峰電流來(lái)自于RPN本體。

試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果如下。①量程3與量程4切換，平均30～40次量程切換會(huì)記錄一次尖峰電流，觸發(fā)頻率較為固定。②不僅在量程3與量程4間切換會(huì)觸發(fā)尖峰電流，其余量程間切換同樣會(huì)觸發(fā)異常的尖峰電流，且各量程間切換觸發(fā)尖峰電流的概率大致相同。

當(dāng)量程切換時(shí)，ACCG4板件會(huì)發(fā)出無(wú)效信號(hào)，使得系統(tǒng)在量程切換過(guò)程中保持上一個(gè)有效值，防止過(guò)程量被系統(tǒng)采集，造成系統(tǒng)誤判。直到無(wú)效信號(hào)消失后，系統(tǒng)開(kāi)始采集最新的有效值。每個(gè)量程的編碼均由0、1來(lái)表征。0、1是由板件內(nèi)的繼電器的得/失電來(lái)體現(xiàn)的。繼電器的得/失電由繼電器內(nèi)銜鐵的吸和釋放來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于繼電器內(nèi)的銜鐵吸合與釋放時(shí)間存在不一致的特性，吸合是一個(gè)充能過(guò)程，比釋放過(guò)程稍快。經(jīng)與RPN設(shè)備供應(yīng)商確認(rèn)，其使用在ACCG4板件內(nèi)的繼電器吸合與釋放時(shí)間存在極短的差別，約為30 μs，即開(kāi)關(guān)量從0～1的轉(zhuǎn)換速度要快于1～0的轉(zhuǎn)換速度[3-4]。以量程3與量程4切換為例，量程3切換至量程4的量程編碼變化順序?yàn)?11-111-100；量程4切換至量程3的量程編碼變化順序?yàn)?00-111-011。

當(dāng)UC25板件接收到無(wú)效位信號(hào)時(shí)，會(huì)暫停運(yùn)算，保持上一個(gè)有效值進(jìn)行輸出。為保證無(wú)效信號(hào)持續(xù)的時(shí)間能夠完整覆蓋整個(gè)量程切換過(guò)程，在UC25板件中針對(duì)每一個(gè)量程設(shè)置了附加延遲(additional delay,AD)參數(shù)。各量程AD參數(shù)如表2所示。

表2 各量程AD參數(shù)

從軟件設(shè)計(jì)原理上看，無(wú)效位信號(hào)的產(chǎn)生應(yīng)與量程切換同時(shí)進(jìn)行。ACCG4板件內(nèi)的邏輯量信號(hào)變化的不同步，可能造成無(wú)效信號(hào)的產(chǎn)生可能晚于量程切換開(kāi)始。若此時(shí)過(guò)程量被UC25板件內(nèi)CPU所采集，則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的運(yùn)算導(dǎo)致輸出結(jié)果錯(cuò)誤，產(chǎn)生虛假的尖峰電流，從而引起中間量程相關(guān)報(bào)警及后續(xù)動(dòng)作，例如倍增周期短報(bào)警、跳堆。

3 解決方案

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析，明確了本次尖峰電流的產(chǎn)生是中間量程通道的UC25板件內(nèi)采集了未被無(wú)效信號(hào)閉鎖的量程編碼“111”這一中間變量，導(dǎo)致虛假信號(hào)的產(chǎn)生。因此，可通過(guò)修改軟件底層參數(shù)來(lái)避免類(lèi)似的情況的再次發(fā)生，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)備影響的最小化。在模擬量程3與量程4切換的過(guò)程中，作為中間變量的量程7(編碼“111”)對(duì)應(yīng)的AD參數(shù)為0，意味著只要量程切換到量程7，將無(wú)法避免該過(guò)程量被UC25板件所采集并參與后續(xù)計(jì)算，導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)果的產(chǎn)生及輸出。因ACCG4板件內(nèi)繼電器的吸合與釋放時(shí)間相差約為30 μs，因此增加一個(gè)大于30 μs的延遲，即可有效避免中間變量被采集?？紤]到UC25板件CPU掃描運(yùn)算周期為10 ms，因此將量程7的AD時(shí)間調(diào)整為10 ms的整數(shù)倍，即可避免該情況的復(fù)現(xiàn)。同時(shí)，為保證數(shù)據(jù)的及時(shí)有效性，應(yīng)選擇最短的AD時(shí)間，即10 ms。該修改方案得到了設(shè)備供應(yīng)商的認(rèn)可。修改后的各量程AD參數(shù)如表3所示。

表3 修改后的各量程AD參數(shù)

通過(guò)修改中間量程AD參數(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，高速記錄儀均未采集到異常尖峰電流，使現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題得以徹底解決。該解決方案不涉及設(shè)備硬件及軟件架構(gòu)的修改，僅需對(duì)底層軟件的部分參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)及機(jī)組進(jìn)度影響的最小化。同時(shí)，該處理措施被反饋至全球多臺(tái)在建及在運(yùn)核電機(jī)組，消除潛在風(fēng)險(xiǎn)。

4 實(shí)施應(yīng)用

EPR機(jī)組中，RPN系統(tǒng)的中間量程通道量程設(shè)置及量程切換方式與CPR1000機(jī)組類(lèi)似。在系統(tǒng)正式投運(yùn)前，根據(jù)CPR1000機(jī)組經(jīng)驗(yàn)反饋，對(duì)EPR機(jī)組RPN系統(tǒng)中間量程通道量程切換進(jìn)行試驗(yàn)，以防止共模故障的發(fā)生。

4.1 EPR機(jī)組RPN系統(tǒng)中間量程介紹

EPR機(jī)組中RPN系統(tǒng)的中間量程有4個(gè)通道，對(duì)應(yīng)的跳堆保護(hù)信號(hào)為2/4邏輯。每一個(gè)中間量程通道測(cè)量范圍對(duì)應(yīng)的中子注量率為25～2.5×109cm-2·s-1，相對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)為1.05×10-12～1.05×10-4A，跨越了8個(gè)數(shù)量級(jí)。為保證測(cè)量電流的精度，中間量程采用自動(dòng)可變量程方式，將10-12～10-3分為10個(gè)量程。量程由卡件根據(jù)測(cè)量信號(hào)的大小自動(dòng)選擇。在每個(gè)量程中，將對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為1個(gè)模擬量信號(hào)及一組5位的邏輯量信號(hào)送出。其中，模擬量為0～10 V電壓信號(hào)，邏輯量信號(hào)包括4個(gè)編碼位(BIT)信號(hào)及1個(gè)有效位信號(hào)。量程對(duì)應(yīng)編碼如表4所示。

表4 量程對(duì)應(yīng)編碼

4.2 EPR機(jī)組中間量程通道量程切換試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)使用KEITHLY 6221電流源模擬探測(cè)器進(jìn)行信號(hào)注入，通過(guò)多通道記錄儀采集機(jī)柜輸出信號(hào)，包括模擬量信號(hào)、有效位信號(hào)以及4位量程編碼位。反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)邏輯量信號(hào)采集模塊的采集特性為:電壓范圍為13～33 V時(shí)，判定為高電平“1”；電壓范圍為-33～+7 V時(shí)，判定為低電平“0”。7～13V區(qū)間為回差范圍。從高電平向低電平切換時(shí)只有電壓降至7 V及以下，邏輯判斷才會(huì)翻轉(zhuǎn)(1變?yōu)?)；而從低電平向高電平切換時(shí)，則需電壓升至13 V及以上，邏輯判斷才會(huì)翻轉(zhuǎn)(0變?yōu)?)。根據(jù)此特性，后續(xù)分析開(kāi)關(guān)量變化的參考點(diǎn)不是電壓起始變化點(diǎn)，而是7 V(下降沿時(shí)參考電壓值)與13 V(上升沿參考電壓值)。

4.2.1 上行量程切換試驗(yàn)

更高效的試驗(yàn)，需找到量程切換點(diǎn)的大致范圍，從而在切換點(diǎn)數(shù)值附近進(jìn)行電流數(shù)值的調(diào)整。首先通過(guò)電流源尋找每個(gè)量程的切換點(diǎn)，量程編碼位從0001切換至0010時(shí)，切換點(diǎn)在9.6×10-12～9.7×10-12A之間。因此，設(shè)定初始值為9.6×10-12A，并使用記錄儀開(kāi)始采集，將電流值增大至9.7×10-12A。量程切換0001-0010如圖3所示。

圖3 量程切換0001-0010示意圖

由此得出，上行時(shí)有效位與BIT位變化具有如下特性。

①下降沿變化快于上升沿。

②有效位下降沿出現(xiàn)稍快于編碼位的下降沿。編碼位從0001切換至0010時(shí)，中間會(huì)出現(xiàn)1.981 7 ms的0000錯(cuò)誤碼，但有效位最早出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。因此，0000錯(cuò)誤碼不被采集，量程切換正常。

4.2.2 模擬量變化與有效位信號(hào)變化對(duì)比

有效位翻轉(zhuǎn)比模擬量變化早了5.457 2 ms。當(dāng)模擬量基本處于最低點(diǎn)時(shí)，表明此時(shí)已切換至新量程，而有效位信號(hào)仍持續(xù)了300 ms左右才恢復(fù)。

由此得出，上行時(shí)模擬量切換具有如下特性。①有效位信號(hào)變化快于中間量程模擬量的變化，在模擬量變化前信號(hào)已變?yōu)闊o(wú)效。因此，理論上不會(huì)出現(xiàn)尖峰電流。②有效位時(shí)間足夠長(zhǎng)，不會(huì)在模擬量切換未結(jié)束時(shí)恢復(fù)閉鎖。

4.2.3 下行量程切換分析

以1001切換至1000為例，切換點(diǎn)位于5.4×10-5～5.3×10-5A之間。同樣采集模擬量、有效位信號(hào)、BIT1～BIT4信號(hào)。量程切換1001-1000如圖4所示。

由圖4可看出，有效位切換依然比BIT位切換要早140.8 μs。因此，在編碼位變化前，信號(hào)已被閉鎖。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，模擬量比有效位變化早了3.574 6 ms。

圖4 量程切換1001-1000示意圖

在閉鎖前，模擬量最大值為4.639 V，是穩(wěn)定值(2.432 V)的1.907倍。因此，在此量程編碼切換點(diǎn)有概率出現(xiàn)最大為實(shí)際值1.907倍的擾動(dòng)信號(hào)。本試驗(yàn)參數(shù)均為人工選取及判定，非定量試驗(yàn)，僅用作定性了解。

在EPR機(jī)組中，RPN無(wú)邏輯運(yùn)算的功能，是在RPR中實(shí)現(xiàn)。RPR中CPU的掃描周期是25 ms。最終經(jīng)設(shè)計(jì)方確認(rèn)，通過(guò)在RPR中RPN模擬量采集通道增加1個(gè)延遲模塊(25 ms)，解決了量程切換產(chǎn)生異常尖峰電流的問(wèn)題。從反應(yīng)堆起堆到滿(mǎn)功率運(yùn)行期間，均未發(fā)現(xiàn)中間量程有異常尖峰電流的產(chǎn)生，證明該解決方案是成功的。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某核電廠1號(hào)機(jī)組發(fā)生的跳堆事件進(jìn)行分析，確定RPN中間量程通道異常電流觸發(fā)的原因。通過(guò)故障模擬，提出了行之有效的解決方案，順利解決了這一重大異?，F(xiàn)象，同時(shí)完成了向后續(xù)CPR及EPR機(jī)組的反饋，提前消除了潛在的跳堆風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到了提高機(jī)組安全運(yùn)行水平的目的。