仇庭盛

（中核核電運行管理有限公司維修五處，浙江嘉興 314300）

0 引言

與壓水堆相比，重水堆有其自身的特點：在啟動過程中主要靠自身產(chǎn)生的光激中子，完全靠U-238 的自發(fā)裂變產(chǎn)生中子，而不依靠外中子源。但在＜10-7FP 的低功率水平階段時，在反應(yīng)堆常設(shè)的堆內(nèi)通量探測器系統(tǒng)（可測范圍10-1～1.5FP）和電離室測量系統(tǒng)（可測功率水平10-7～1.5FP）都不可用的情況下，啟動儀表系統(tǒng)（可測量功率水平范圍10-14～10-6FP）將投入使用，通過它及時、準(zhǔn)確地反映低功率水平下反應(yīng)堆的功率及變化趨勢，從而確保反應(yīng)堆處于安全、穩(wěn)定的可控狀態(tài)。

1 系統(tǒng)功能

啟動儀表系統(tǒng)主要用于監(jiān)測10-14～10-6FP 范圍內(nèi)的反應(yīng)堆功率，在為主控室操作員提供可靠的反應(yīng)堆低功率指示的基礎(chǔ)上，其脫扣報警邏輯還分別連接至一號停堆系統(tǒng)的脫扣邏輯。當(dāng)出現(xiàn)一個通道內(nèi)的失去計數(shù)率、探測器工作電壓異常、超高的中子計數(shù)率或中子計數(shù)率上升速率過快時，都將會觸發(fā)該通道脫扣，若出現(xiàn)兩個或兩個以上通道都將自動觸發(fā)一號停堆系統(tǒng)從而使反應(yīng)堆進入停堆狀態(tài)。其控制邏輯如圖1 所示。

圖1 啟動儀表控制邏輯

2 啟動儀表系統(tǒng)工作原理

啟動儀表系統(tǒng)工作原理如圖2 所示：在主控機柜里的高壓電源通過轉(zhuǎn)接面板、貫穿件電纜和前置放大器將高壓加至現(xiàn)場的BF3 正比計數(shù)器（探頭）上，使探頭可以探測到反應(yīng)堆堆芯內(nèi)產(chǎn)生的中子，探頭通過前置放大器（前放）將中子信號進行初步放大，以降低輸出信號在傳遞過程中所受噪聲和外界干擾的影響。此負脈沖信號再通過經(jīng)過電纜傳輸?shù)骄€性放大器（主放）的輸入端，經(jīng)過放大器進行進一步放大。經(jīng)過線性放大器放大了的信號再送至單道分析器進行甄別，對滿足甄別域的脈沖信號整形輸出成為寬度為0.25 μs、幅度為5 V 的方波信號，此時該信號一路給線性/對數(shù)率表單元，另一路接入計時/計數(shù)器，通過計數(shù)、取對數(shù)處理后再與高對數(shù)和高對數(shù)率進行比較，實現(xiàn)對反應(yīng)堆功率的實時監(jiān)測和超功率保護。

圖2 啟動儀表系統(tǒng)工作原理

3 啟動儀表誤脫扣統(tǒng)計

歷次大修都由于啟動儀表的原因造成了SDS#1 誤脫扣，最高時1 次大修就造成5 次以上誤脫扣，其中101、203、205 大修還造成了SDS#1 動作，停堆棒插入堆芯。具體脫扣次數(shù)如圖3 所示。

圖3 啟動儀表誤脫扣統(tǒng)計

統(tǒng)計由于啟動儀表的原因造成的誤脫扣共42 次，其中由于信號干擾的原因為36 次，占總的誤脫扣的85%，設(shè)備本身故障誤脫扣次數(shù)為5 次，占總的誤脫扣的10%，由于人員誤碰導(dǎo)致誤脫扣的次數(shù)為1 次，占5%，如圖4 所示。

圖4 啟動儀表誤脫扣原因統(tǒng)計

4 啟動儀表誤脫扣原因分析及改進措施

根據(jù)統(tǒng)計啟動儀表誤脫扣的原因集中在信號干擾、設(shè)備本身故障及人員誤碰上，下文主要對這3 種原因的產(chǎn)生進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果采取針對性的改進。

4.1 重水堆機組啟動儀表信號特點

重水堆機組啟動儀表系統(tǒng)主要用于監(jiān)測10-14～10-6FP范圍內(nèi)的反應(yīng)堆功率,利用BF3 探測器探測反應(yīng)堆堆芯內(nèi)產(chǎn)生的中子并輸出正比于中子數(shù)的脈沖信號，通過安裝在現(xiàn)場的前置放大器對脈沖信號放大并反向至0.35 V 的正脈沖信號，經(jīng)過200 m 電纜傳輸至主控室，主控室設(shè)備再對此脈沖信號進一步放大至8 V，放大過程中會對噪聲信號（如γ 噪聲）也進行放大，所以設(shè)計了單道分析儀對噪聲信號進行甄別，單道分析器即微分甄別器，對滿足上閾及下閾的脈沖信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)幅值的方波信號后輸出，然后經(jīng)過計數(shù)、取對數(shù)處理后再進行高對數(shù)比較和高對數(shù)率比較，來實現(xiàn)對反應(yīng)堆功率的實時監(jiān)測和超功率保護。

4.2 重水堆機組啟動儀表信號干擾分析

信號干擾一直是影響啟動儀表正常功能的問題，多次造成啟動儀表的誤脫扣，具有過程短、時間不固定的特點，要徹底解決這個問題，必須要分析信號干擾產(chǎn)生的來源和傳播途徑，只有屏蔽干擾源，切斷傳播途徑，或把干擾強度降到最低的限度內(nèi)，才能從根本上解決干擾問題。

4.2.1 信號干擾的類型

啟動儀表異常脫扣數(shù)據(jù)進行采集并分析，最高電壓6.48 V，根據(jù)轉(zhuǎn)換公式得出最高計數(shù)為19 000 CPS，持續(xù)時間50 ms 左右，遠遠超過當(dāng)時的脫扣設(shè)定值8000 CPS，可以判斷不是設(shè)備本身的故障，信號干擾是來自現(xiàn)場，主要由干擾信號在信號線上感應(yīng)的共態(tài)（同方向）電壓迭加所形成。按照干擾產(chǎn)生的原因分類此干擾為放電干擾，按照干擾的長短分類此干擾為偶發(fā)干擾。

4.2.2 重水堆機組啟動儀表干擾信號來源檢查

（1）空間的輻射干擾?？臻g的輻射電磁場主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的，通常稱為輻射干擾。若系統(tǒng)置于所射頻場內(nèi)，就會受到輻射干擾，其影響主要通過兩條路徑：一是直接對控制系統(tǒng)內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；二是對控制系統(tǒng)通信內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線路的感應(yīng)引入干擾。

啟動儀表系統(tǒng)主要用于監(jiān)測在10-14FP～10-6FP 范圍內(nèi)的反應(yīng)堆功率，在此功率下機組處于調(diào)試或者大修階段，反應(yīng)堆廠房內(nèi)人員眾多，各種檢修工作錯綜復(fù)雜，各種大電磁干擾的設(shè)備都在使用，極容易對啟動儀表的弱電壓脈沖信號形成干擾。

（2）系統(tǒng)外引線的干擾。系統(tǒng)外引線干擾主要是通過電源和信號線引入，通常稱為傳導(dǎo)干擾。實踐證明，因電源引入的干擾造成控制系統(tǒng)故障的情況很多。控制系統(tǒng)的正常供電電源容易受到電磁干擾而在線路上感應(yīng)電壓和電路，如：開關(guān)操作、大型電力設(shè)備啟停、交直流傳動裝置引起的諧波，都容易對電源造成干擾。啟動儀表電源線在現(xiàn)場的每個通道的JB 箱內(nèi)都有獨立的電源隔離器，能夠有效的防止電源的引入干擾。

規(guī)范的接地是提高電子設(shè)備可靠性的有效手段之一。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾；不規(guī)范甚至錯誤的接地，會引入嚴(yán)重的干擾信號，會導(dǎo)致控制系統(tǒng)無法正常工作。在對啟動儀表的接地系統(tǒng)進行檢查時，發(fā)現(xiàn)啟動儀表的盤柜為獨立的機柜沒有進行接地，現(xiàn)場也沒有進行接地，因此啟動儀表的接地處于浮空狀態(tài)。

（3）通道間相互干擾檢查。啟動儀表原設(shè)計中為了確保不同通道間的計時/計數(shù)同步，所有通道必須從屬于（Slave）一個主通道（Master），主通道輸出的控制信號來確保所有通道的工作是同步的，將3 個通道的計時/計數(shù)器用信號線進行了連接，所有通道的計時時間都是參照主通道的設(shè)定進行并在同一時間開始計時或復(fù)位。這樣的連接方式若單道道由于干擾信號的引入脫扣，極容易通過此信號線傳導(dǎo)至其他通道而導(dǎo)致系統(tǒng)動作。

4.3 重水堆機組啟動儀表防信號干擾改進措施

在對信號干擾的改進上主要通過大修指令限制、規(guī)范接地系統(tǒng)、去除傳播途徑以及降低干擾強度入手，提高抗干擾能力抑制信號干擾，保證了啟動儀表的穩(wěn)定運行。

4.3.1 防空間干擾的改進措施

為了防止強干擾設(shè)備在啟動儀表投用期間造成干擾而導(dǎo)致啟動儀表誤脫扣，在大修期間會發(fā)布大修管理指令，在啟動儀表投用運行期間嚴(yán)禁在反應(yīng)堆廠房（R-110/201//112/012 房間附近）、主控室和設(shè)備間使用強干擾設(shè)備，如：手機、對講機、電焊機、吸塵器、切割機、轉(zhuǎn)孔機等。

4.3.2 規(guī)范可靠、正確的屏蔽接地系統(tǒng)

統(tǒng)一采用在控制盤側(cè)電纜一端接地法，即在啟動儀表盤柜進行單端接地，接地及其余電纜都處于浮空狀態(tài)。原設(shè)計中信號線處于浮空狀態(tài)沒有可靠的接地，干擾信號無法得到釋放，在啟動儀表盤柜連接了一根接地線至一號停堆盤柜的接地，保證了單點接地，提高了抗干擾能力。

4.3.3 保證通道的相互獨立

為了防止各通道之間相互干擾，在一個通道受到干擾時另一個通道也因這個干擾信號而誤動導(dǎo)致SDS#1 動作，去除了3個通道之間的連接，將每個通道的計時/計數(shù)器都置于“Master”位置，獨立進行計時和計數(shù)。

4.3.4 降低干擾強度的改進

為了增強設(shè)備的抗干擾性能，將干擾強度降到最大可能低的限度內(nèi)，在主控室和現(xiàn)場的信號線、高壓線、電源線上增加抗干擾磁環(huán)（圖5）。抗干擾磁環(huán)又稱鐵氧體磁環(huán)，簡稱磁環(huán)，它是電子電路中常用的抗干擾元件，主要用于抑制線纜上的傳導(dǎo)干擾，對于干擾信號有很好的抑制作用。根據(jù)信號線的頻率可分為使用鎳鋅抗干擾磁環(huán)和錳鋅抗干擾磁環(huán)，一般抑制高頻干擾選用鎳鋅抗干擾磁環(huán)，低頻干擾選擇錳鋅磁環(huán)。現(xiàn)場使用中在同一束電纜上同時使用了兩種抗干擾磁環(huán)來應(yīng)對干擾。

圖5 磁環(huán)安裝位置示意

4.4 重水堆機組啟動儀表設(shè)備故障的分析及解決

設(shè)備本身故障主要是前置放大器的電源接頭不牢固容易脫落導(dǎo)致誤脫扣，以及主放設(shè)置的放大倍數(shù)過大導(dǎo)致將干擾信號也進行了放大引起的啟動儀表誤脫扣。

4.4.1 前置放大器接頭改進

2011 年6 月11 日，205 大修后啟動過程中，為保持對堆功率的持續(xù)監(jiān)測，需要及時執(zhí)行1 號停堆系統(tǒng)啟動儀表探頭的重新定位工作。在D 通道處于脫扣狀態(tài)時向外拉動D 通道啟動儀表探頭的過程中，現(xiàn)場工作人員觸碰了F 通道電源線，引起接頭松動，最終導(dǎo)致F 通道意外脫扣，1 號停堆系統(tǒng)動作停堆棒落入堆芯。檢查發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場前置放大器電源線的連接采用的是RS232 接頭（圖6），并用卡簧加固，這種連接方式難以克服接頭自身較重、接觸面不夠深的問題，從而造成電源線容易接觸不良，尤其在卡簧略有松動時更容易接觸不良。后續(xù)進行了改進，更換成M2×30 的螺桿（圖7），用兩根（上下各一）30 mm 的螺桿將兩部分固定在一起各用兩個螺絲固定，起到了良好固定的作用。

圖6 接頭改進前

圖7 接頭改進后

4.4.2 主放設(shè)置方法的改進措施

主放的功能是前置放大器放大輸出的脈沖信號進行進一步放大，調(diào)試階段根據(jù)運行規(guī)程是將主放的粗調(diào)增益設(shè)為16、微調(diào)增益設(shè)為2.2。檢查發(fā)現(xiàn)這樣設(shè)置實際信號達到10 V 以上幅值，將干擾信號也放大至高于單道分析儀的幀別器門檻（3 V），從而使干擾信號引入。目前將主放的粗調(diào)增益設(shè)為8、微調(diào)增益設(shè)為4.5，主放的輸出為8 V的中子脈沖，既保證正常信號能夠準(zhǔn)確記錄，又能保證將干擾信號有效的過濾。

4.5 重水堆機組啟動儀表防人因改進措施

為了防止現(xiàn)場進行探頭重新定位工作時，工作人員誤碰其他通道設(shè)備，編制了啟動儀表探頭定位演練方案，并規(guī)定在作業(yè)前演練的要求。同時現(xiàn)場前置放大器的放置位置進行了調(diào)整，將前置放大器放置在電離室孔道的外側(cè)，容易誤碰的接線放置在墻壁側(cè)，使工作人員對探頭進行重新定位時無法接觸到前置放大器的接線。另外每個通道上的電離室孔道上都進行了標(biāo)識，防止人員走錯間隔。

5 啟動儀表的改進效果

通過不斷的數(shù)據(jù)積累和分析，對啟動儀表從信號干擾、設(shè)備原因、防人因上進行了多項改進措施后，107 大修中沒有發(fā)生誤脫扣故障，啟動儀表運行穩(wěn)定。

5.1 防信號干擾改進效果

針對啟動儀表空間干擾實施大修管理指令后，在大修期間未發(fā)生因手機、對講機、電焊機等強干擾設(shè)備使用引起的誤脫扣事件。

采取防止通道間相互影響的改線措施后，未發(fā)生兩個通道同時由于干擾信號而引起誤脫扣事件。

增加抗干擾的磁環(huán)后，對信號進行了比對，D、E 兩個通道主控室和現(xiàn)場的信號線、高壓線、電源線上都增加了抗干擾磁環(huán)，而F 通道沒有加抗干擾磁環(huán)，效果很明顯，D、E 兩個通道信號穩(wěn)定，F(xiàn) 通道信號會出現(xiàn)毛刺。

5.2 設(shè)備原因改進效果

前置放大器接頭采用螺桿的緊固方式后，該電源線十分牢靠，現(xiàn)場試驗時發(fā)現(xiàn)即使人為的進行拉拽等動作也不會造成前置放大器瞬時失電，不會再發(fā)生因接頭松動導(dǎo)致的誤脫扣事件。

調(diào)試階段由于主放的放大倍數(shù)過大導(dǎo)致各種干擾信號引入，啟動儀表誤脫扣頻繁，即使是主控室廣播系統(tǒng)呼叫時都會造成啟動儀表脫扣。調(diào)整了主放的放大倍數(shù)后，啟動儀表的誤脫扣次數(shù)明顯下降。

5.3 防人因改進效果

啟動儀表探頭重新定位工作前工作人員會進行演練，熟悉工作流程，了解工作中的風(fēng)險及注意事項，實際工作時現(xiàn)場標(biāo)識明顯清晰，能夠更好地定位設(shè)備，更加高效地完成重新定位工作，減少了一號停堆系統(tǒng)單通道脫扣的時間，減少人員受到輻射劑量。

6 后續(xù)改進

107 大修中未發(fā)生誤脫扣的故障，但是根據(jù)記錄監(jiān)測到的數(shù)據(jù)顯示，低功率800 CPS 左右時仍極容易受到干擾信號的影響，信號強度已經(jīng)超過了報警模塊的高計數(shù)脫扣值2400 CPS，由于信號持續(xù)時間較短在4 ms 以內(nèi)，小于報警模塊的響應(yīng)時間20 ms，所以未造成啟動儀表脫扣。

后續(xù)將會針對這些干擾信號使用多道分析儀測量信號的脈沖幅度范圍，準(zhǔn)確定位干擾信號的幅值范圍及頻率。目前現(xiàn)場單道分析儀的設(shè)置是根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)將LOW LEVEL 設(shè)置為2 V,WINWOW 設(shè)置為8 V，具體是否能將所有噪聲信號屏蔽無法驗證。引用多道分析儀對探測器信號進行分析，可以把整個脈沖幅度范圍劃分成若干個相等的區(qū)間，一次測量就可以得到輸入脈沖的幅度分布譜。根據(jù)脈沖的幅度分布譜，就可以更加精確的設(shè)置主放的放大倍數(shù)，優(yōu)化單道分析儀的閾值，根據(jù)分布譜可以得到干擾信號到底是低頻干擾還是高頻干擾，可以更加合理地使用抗干擾磁環(huán)，從而達到徹底消除干擾的目的。

7 結(jié)束語

重水堆具有不停堆換料的特點，因此即使在停堆大修期間燃料棒仍處于堆芯中，啟動儀表裝置能夠與重水反應(yīng)堆自身的設(shè)計相配，并能很好地滿足反應(yīng)堆控制和保護的需要。但在計數(shù)率低的情況下，自身抗干擾的能力較差，需要通過不斷改進徹底的消除干擾信號，使啟動儀表能夠安全、穩(wěn)定的運行。