周洪旭,何 勇,胡萬紅,周晨鈺,陳世敏

(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610213)

0 引言

堆外核測(cè)量系統(tǒng)是核電站中的重要核安全級(jí)設(shè)備,主要用于監(jiān)視核反應(yīng)堆啟堆和運(yùn)行過程中的反應(yīng)堆功率和功率倍增周期等重要參數(shù)。三代核電堆外核測(cè)量系統(tǒng)能在反應(yīng)堆高中子注量率和快變化周期的工況下觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆,同時(shí)兼具連續(xù)監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆核功率水平變化、功率分布情況等功能[1]。

堆外核測(cè)量系統(tǒng)有源量程、中間量程、功率量程這3個(gè)量程,分別對(duì)應(yīng)正比計(jì)數(shù)管、裂變電離室管、補(bǔ)償電離室管這3種探測(cè)器[2]。每種探測(cè)器都需要各量程提供不同值的直流高壓以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。然而,所提供的直流高壓中夾雜著不同大小值的紋波。如果紋波過大極易影響探測(cè)器正常工作,干擾探測(cè)器輸出微小脈沖信號(hào),使堆外核測(cè)量系統(tǒng)無法準(zhǔn)確識(shí)別脈沖數(shù)量,從而影響反應(yīng)堆功率的計(jì)算。

工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)、國防科技以及通信、科研、醫(yī)療等領(lǐng)域都需要高壓電源的支持。因此,國內(nèi)外有很多對(duì)直流高壓紋波測(cè)試的試驗(yàn)研究。測(cè)試過程多數(shù)采用隔直電容,以隔離直流高壓部分。研究使用示波器對(duì)紋波進(jìn)行測(cè)量,從時(shí)域、頻域等角度對(duì)紋波進(jìn)行分析,以了解紋波的本質(zhì)[3]。這些高壓紋波測(cè)試方法均是基于不同行業(yè)領(lǐng)域開展的研究工作。

但是,在堆外核測(cè)量領(lǐng)域的高壓紋波測(cè)試研究,目前還處于空白區(qū)。為了高效、快捷、準(zhǔn)確性高地測(cè)量堆外核測(cè)量系統(tǒng)的高壓紋波,本文結(jié)合工程供貨實(shí)際情況,利用數(shù)據(jù)仿真技術(shù)計(jì)算出適用于堆外核測(cè)量系統(tǒng)高壓紋波測(cè)試的隔直濾波電容容值,并使用Creo結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)了1種腔體式屏蔽盒。屏蔽盒內(nèi)嵌隔直濾波電容。盒體的輸入輸出接口均采用標(biāo)準(zhǔn)連接器加卡口螺母連接器(bayonet nut connector, BNC)同軸電纜的連接方式,以減少外部電磁環(huán)境對(duì)測(cè)試的干擾。本文通過一系列相關(guān)試驗(yàn)來驗(yàn)證本文方法的安全性、有效性,并制定統(tǒng)一的高壓測(cè)試操作流程和儀器使用規(guī)范,以降低“人因”風(fēng)險(xiǎn)、提高測(cè)試效率。該方法可以有效解決堆外核測(cè)量裝置的高壓紋波測(cè)試過程極易受到外部電磁環(huán)境干擾的問題,保證測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)、有效。

1 高壓紋波的產(chǎn)生及危害

1.1 高壓紋波產(chǎn)生原因

堆外核測(cè)量裝置的每種量程都有直流高壓模塊。各高壓模塊在硬件電路原理上基本相同,均由穩(wěn)壓電路單元、調(diào)節(jié)電路單元、倍壓電路、高壓控制電路和采樣反饋電路組成[4]。

倍壓原理如圖1所示。

圖1 倍壓原理

裝置通過脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)波控制金屬氧化物半導(dǎo)體(metal oxide semiconductor,MOS)管導(dǎo)通與截止。當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí),電源由電感-MOS管形成回路,使電流在電感中轉(zhuǎn)化為磁能貯存。當(dāng)MOS管關(guān)斷時(shí),電感中的磁能轉(zhuǎn)化為電能在電感端左負(fù)右正。此時(shí),電壓疊加在電源正端,經(jīng)二極管-負(fù)載形成回路,以實(shí)現(xiàn)升壓功能[5]。這種升壓過程極易產(chǎn)生超高頻諧振噪聲,并導(dǎo)致因閉環(huán)調(diào)節(jié)控制而產(chǎn)生紋波。

1.2 高壓紋波過大帶來的危害

紋波通常是1個(gè)直流電壓中的交流成分,主要包含紋波和噪聲這2個(gè)部分。輸出直流電壓所包含具有周期性變化的交流成分量為紋波。而噪聲指受到外界電磁干擾隨機(jī)產(chǎn)生的無規(guī)律電壓或者電流尖峰,是存在一定偶然性且沒有規(guī)律的交流分量[3]。

紋波分解結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 紋波分解結(jié)構(gòu)

堆外核測(cè)量系統(tǒng)中源量程正比計(jì)數(shù)管高壓坪特曲線如圖3所示。

圖3中:U0為閥電壓;U1為坪區(qū)起始電壓;U2為坪區(qū)終止電壓;N1為坪區(qū)起始計(jì)數(shù)率;N2為坪區(qū)終止計(jì)數(shù)率;U2-U1的電壓值為坪長(zhǎng)。計(jì)數(shù)管工作電壓為坪長(zhǎng)的中點(diǎn)。通常,核測(cè)量系統(tǒng)探測(cè)器坪長(zhǎng)的斜率較高,故探測(cè)器對(duì)高壓變化十分敏感。如果提供的高壓不穩(wěn)定,將導(dǎo)致探測(cè)器測(cè)量的脈沖數(shù)值(中子計(jì)數(shù)率)波動(dòng)大,從而降低測(cè)量精度、影響核測(cè)量系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)堆周期的計(jì)算,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致反應(yīng)堆停堆。

因此,核測(cè)量系統(tǒng)輸出高壓紋波值滿足設(shè)計(jì)要求,是保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的重要指標(biāo)之一。

2 現(xiàn)狀及分析

依據(jù)設(shè)計(jì)要求,堆外核測(cè)量系統(tǒng)輸出高壓紋波都需要進(jìn)行帶載測(cè)試。不同量程間輸出的高壓紋波值要求不同。一般情況下:源量程紋波值要求不大于15 mV;中間量程和功率量程紋波值要求不大于10 mV。當(dāng)前測(cè)試高壓紋波主要存在以下問題。

①測(cè)試中傳輸線纜與測(cè)試使用器件極易形成“天線效應(yīng)”,吸收外界電磁干擾形成雜波信號(hào),從而導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)大、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差。

②傳輸線纜與測(cè)試儀器間存在阻抗不匹配等情況,易導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過程中衰減。

③測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)大、不穩(wěn)定,會(huì)間接導(dǎo)致需要重復(fù)測(cè)試,使測(cè)試時(shí)間過長(zhǎng)。

④測(cè)試使用器件在選型上不嚴(yán)謹(jǐn),未作充分的計(jì)算分析,易導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。

⑤測(cè)試環(huán)境要求高,通常需要在相對(duì)獨(dú)立和無其他設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境條件下進(jìn)行測(cè)試。

⑥傳輸線纜與測(cè)試使用器件連接處裸露在外部環(huán)境中,容易對(duì)測(cè)試人員安全造成威脅。

本文針對(duì)上述存在的問題進(jìn)行分析與研究,并開展高壓紋波測(cè)試的準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)。

3 測(cè)試準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)

為提高高壓紋波測(cè)試的準(zhǔn)確性,本文結(jié)合工程測(cè)試實(shí)際情況,從數(shù)據(jù)仿真、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、線纜優(yōu)化、安全防范、流程標(biāo)準(zhǔn)化這5個(gè)方面出發(fā),開展了高壓紋波測(cè)試的準(zhǔn)確性研究。該研究的目的是使高壓紋波測(cè)試環(huán)境形成電磁屏蔽效果,以減少外部的電磁干擾[6],從而在根本上解決測(cè)試過程中準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性差等問題。這可以在確保測(cè)試數(shù)據(jù)真實(shí)、有效的同時(shí),提高測(cè)試效率。

3.1 選型數(shù)據(jù)仿真

隔離電容選型是高壓紋波準(zhǔn)確性測(cè)試的重要部分。其主要作用是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔直通交。交流信號(hào)通過電容時(shí),電容極板上逐步累積的電荷對(duì)定向移動(dòng)電荷具有阻礙作用。物理學(xué)上把這種阻礙作用稱為容抗。

(1)

式中:Xc為電容容抗;f為信號(hào)頻率;c為電容值;π為圓周率;ω為角頻率;j為虛數(shù)。

本文基于堆外核測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生高壓的頻率特點(diǎn)和電容特性,建立了實(shí)際測(cè)試高壓紋波仿真電路。

測(cè)試仿真電路如圖4所示。

圖4 測(cè)試仿真電路

圖4中:交流信號(hào)源U1用于模擬核測(cè)量系統(tǒng)輸出的高壓紋波;R1為模擬示波器內(nèi)阻。本文運(yùn)用計(jì)算式和數(shù)據(jù)仿真,測(cè)試紋波信號(hào)通過測(cè)試仿真電路后的頻域傳遞函數(shù),以及影響頻域傳遞函數(shù)的相關(guān)參數(shù)。

依據(jù)測(cè)試仿真電路,可推導(dǎo)出頻域傳遞函數(shù)。

(2)

式中:Ut為輸出信號(hào)電壓;Un為輸入信號(hào)電壓。

(3)

式中:Hω為頻域傳遞函數(shù)。

由式(3)可知,紋波信號(hào)在測(cè)試仿真電路中頻域傳遞函數(shù)與角頻率、測(cè)試儀器內(nèi)阻以及隔離電容值均有關(guān)系。而在實(shí)際測(cè)試中:儀器內(nèi)阻為定值;紋波信號(hào)頻率在一定范圍內(nèi)。為了保證紋波信號(hào)不失真且傳遞性良好,選擇合適的電容非常關(guān)鍵。為驗(yàn)證電容容值對(duì)紋波信號(hào)的影響,本文運(yùn)用Cadence軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真。試驗(yàn)選取3組電容進(jìn)行仿真對(duì)比,并分析所選取的參數(shù)段電容容值對(duì)信號(hào)衰減的影響。

在100 pF電容值下:信號(hào)頻率從1 Hz逐步上升至10 kHz,信號(hào)衰減逐漸減弱;信號(hào)頻率達(dá)到10 kHz及以上時(shí),信號(hào)傳輸基本無衰減。在1 nF電容值下:信號(hào)頻率從1 Hz逐步上升至1 kHz,信號(hào)衰減逐漸減弱;信號(hào)頻率達(dá)到1 kHz及以上時(shí),信號(hào)傳輸基本無衰減。在100 nF電容值下:信號(hào)頻率從1 Hz逐步上升至55 Hz,信號(hào)衰減逐漸減弱;信號(hào)頻率達(dá)到50 Hz及以上時(shí),信號(hào)傳輸基本無衰減。

依據(jù)仿真數(shù)據(jù)結(jié)果建立的數(shù)據(jù)擬合分析趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)擬合分析趨勢(shì)圖

由圖5可知,在實(shí)際測(cè)量電路中電容值越大,越有利于信號(hào)傳遞,信號(hào)幅度衰減也相對(duì)越小。當(dāng)電容從100 pF增加到1 nF(即增大10倍)時(shí),信號(hào)頻率從10 kHz以上不再衰減變?yōu)? kHz以上不再衰減,衰減減少10倍;當(dāng)電容從1 nF增加到100 nF(即增大100倍)時(shí),信號(hào)頻率從1 kHz以上不再衰變?yōu)?0 Hz以上不再衰減,衰減減少20倍。如果信號(hào)頻率要從50 Hz以上不再衰減變到接近于0 Hz不再衰減,電容值至少要增加10倍,即1 μF左右才能滿足高壓紋波濾除需求。核測(cè)量系統(tǒng)中輸出最高電壓在1 600 V左右。綜合考慮后續(xù)系統(tǒng)電壓升級(jí)及冗余度等因素,本文選取電容耐壓值至少要達(dá)到2 000 V。

基于以上分析并結(jié)合電容體積、精度、通用性和使用過程損壞便于更換等因素,本文以耐高壓達(dá)2 000 V 容值在1 μF左右的薄膜電容作為隔離電容,以進(jìn)行實(shí)際高壓紋波的測(cè)試。

3.2 屏蔽盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為解決測(cè)試電路置于外部空間環(huán)境形成的“天線效應(yīng)”問題,本文對(duì)屏蔽盒結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),以消除外部環(huán)境的電磁噪聲干擾。

本文使用Creo軟件對(duì)屏蔽盒結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D建模,從而實(shí)現(xiàn)可視化,以便非標(biāo)結(jié)構(gòu)件加工和精度控制。這將提升屏蔽盒體各部件組裝工藝,減少銜接縫隙,提高整個(gè)屏蔽盒體的電磁抗干擾能力。

屏蔽盒體外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。由圖6可知,屏蔽盒主體為鏤空腔體,兩端采用蓋板加螺釘固定,設(shè)計(jì)尺寸為80 mm×25 mm×25 mm。屏蔽盒兩端的蓋板上安裝Q9連接器底座。Q9連接器線芯連接隔離電容與負(fù)載,放置在屏蔽盒腔體內(nèi)部,形成1個(gè)完整屏蔽罩,從而有效消除外部電磁噪聲的干擾。這種設(shè)計(jì)方便后續(xù)維修,同時(shí)通過使用標(biāo)準(zhǔn)連接器,可以適應(yīng)不同模式高壓輸出接口,從而提高測(cè)試效率。

圖6 屏蔽盒體外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.3 測(cè)試傳輸線纜優(yōu)化

傳輸線纜優(yōu)化前,通過線纜可引出系統(tǒng)輸出的高壓,并在引出線纜上加載合適的負(fù)載,使用示波器高壓探頭對(duì)負(fù)載兩端高壓紋波進(jìn)行測(cè)量。

優(yōu)化前高壓紋波測(cè)試如圖7所示。

圖7 優(yōu)化前高壓紋波測(cè)試示意圖

測(cè)試設(shè)備間信號(hào)連接采用普通單芯線纜進(jìn)行信號(hào)傳輸。此類傳輸線纜多數(shù)不具備屏蔽功能,在測(cè)試過程極易受到外界電磁環(huán)境干擾,會(huì)導(dǎo)致測(cè)試過程數(shù)據(jù)偏差大、穩(wěn)定性差等問題。

傳輸線纜優(yōu)化后,可采用BNC同軸電纜與標(biāo)準(zhǔn)連接器焊接的方式,以連接核測(cè)量系統(tǒng)、隔離裝置與示波器。

優(yōu)化后的高壓紋波測(cè)試消除了待測(cè)信號(hào)與測(cè)試儀器間的串模干擾和外部電磁干擾。因BNC同軸電纜特性阻抗為50 Ω,與整個(gè)信號(hào)測(cè)試電路阻抗匹配,保證了信號(hào)傳輸無衰減,有效提升了高壓紋波測(cè)試的準(zhǔn)確性。

優(yōu)化后高壓紋波測(cè)試如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后高壓紋波測(cè)試示意圖

3.4 安全防護(hù)與驗(yàn)證

為了提高核測(cè)量系統(tǒng)高壓紋波測(cè)試準(zhǔn)確性,整個(gè)測(cè)試電路均采用金屬性材料進(jìn)行外部干擾屏蔽,因此測(cè)試過程極易引起高壓觸電。

本文將高壓安全防范納入測(cè)試準(zhǔn)確性設(shè)計(jì),通過使用絕緣耐高壓材料對(duì)屏蔽盒內(nèi)器件連接導(dǎo)線進(jìn)行保護(hù),并優(yōu)化內(nèi)部接線方式及安裝工藝。為驗(yàn)證高壓安全防范設(shè)計(jì)的安全性,本文根據(jù)《壓水堆核島電氣設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》(RCC-E)中的“MC3100 介電強(qiáng)度試驗(yàn)”要求[7-8],開展整個(gè)高壓測(cè)試回路的電氣絕緣性能驗(yàn)證。試驗(yàn)進(jìn)行2 820 V直流(direct current,DC)和2 000 V交流(alternating current,AC)電氣的絕緣測(cè)試,以檢查試驗(yàn)過程中是否出現(xiàn)放電、擊穿和飛狐等現(xiàn)象。高壓絕緣性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 高壓絕緣性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

通過絕緣性能試驗(yàn)可得,漏電流均不大于10 mA,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。這證明高壓安全防范設(shè)計(jì)滿足要求,可有效保障測(cè)試人員人身安全、提升測(cè)試過程安全性。

4 效果驗(yàn)證

4.1 測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性

通過試驗(yàn),本文分別對(duì)堆外核測(cè)量系統(tǒng)的源量程(source range,SR)、中間量程(intermediate range,IR)、功率量程(power range,PR)這3種高壓電源模塊的準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)前后進(jìn)行高壓紋波測(cè)試。每組至少進(jìn)行10次實(shí)際測(cè)量,并作相應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)比。

SR、IR、PR的準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)前后測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)如圖9所示。綜合分析圖9可知,準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)后測(cè)量高壓紋波的數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度明顯減小,紋波數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定。這說明測(cè)試準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)后,測(cè)試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性得以提高,測(cè)試數(shù)據(jù)真實(shí)、有效。

圖9 準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)前后測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)圖

4.2 抗干擾能力

為了驗(yàn)證測(cè)試準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)后,在測(cè)試過程中的抗干擾能力得以提升,試驗(yàn)對(duì)比準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)前后抗干擾測(cè)試能力。試驗(yàn)以SR高壓輸出為對(duì)象,使用同樣的干擾源和干擾點(diǎn)位。試驗(yàn)共抽取3～40 cm之間的固定距離點(diǎn)位10個(gè),以進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比。

準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)前后抗干擾能力數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

表2 準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)前后抗干擾能力數(shù)據(jù)對(duì)比

由表2可知:準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)前在距離干擾源12 cm以內(nèi)均無法準(zhǔn)確測(cè)試到紋波信號(hào),且在后續(xù)測(cè)試距離下數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度明顯較大,測(cè)試結(jié)果可信度低;準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)后在距離干擾源最近3 cm處也能正常測(cè)試到紋波信號(hào),后續(xù)測(cè)試距離下數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度較小,測(cè)試結(jié)果可信度高。這說明準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)后的抗干擾能力得到大幅提升。

5 測(cè)試流程標(biāo)準(zhǔn)化

為更好地提升高壓紋波測(cè)試的準(zhǔn)確性、固化測(cè)試準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)成果,本文制定了專用的高壓測(cè)試操作流程和儀器使用規(guī)范。

堆外核測(cè)量系統(tǒng)高壓紋波測(cè)試流程如圖10所示。

測(cè)試的目的是防止“人因”造成安全事故,從而降低風(fēng)險(xiǎn)、提高測(cè)試效率。

在儀器使用規(guī)范方面,本文基于圖10的每個(gè)步驟,形成步驟中儀器設(shè)置統(tǒng)一性指導(dǎo),以保證不同人員在測(cè)試過程的規(guī)范性和統(tǒng)一性,確保測(cè)試結(jié)果的真實(shí)有效。

6 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際工程運(yùn)用,開展對(duì)堆外核測(cè)量系統(tǒng)輸出高壓紋波測(cè)試準(zhǔn)確性的研究,總結(jié)了1套適合于堆外核測(cè)量系統(tǒng)高壓紋波準(zhǔn)確性測(cè)試的方法。該方法首先利用數(shù)據(jù)仿真技術(shù)計(jì)算出符合測(cè)試要求的隔離濾波電容,設(shè)計(jì)、制作符合屏蔽要求的結(jié)構(gòu)體,優(yōu)化紋波信號(hào)傳輸線纜工藝;然后通過一系列耐壓試驗(yàn)和干擾試驗(yàn),驗(yàn)證高壓紋波準(zhǔn)確性測(cè)試方法的安全性和可靠性;最后制定標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試流程及儀器操作規(guī)范,以解決高壓紋波測(cè)試過程易受到外部電磁環(huán)境干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)波動(dòng)大、不穩(wěn)定的問題。這將確保高壓紋波測(cè)試的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)的有效性,并提升高壓紋波測(cè)試效率,從而保證項(xiàng)目供貨時(shí)的產(chǎn)品質(zhì)量。

同時(shí),本文方法也可以運(yùn)用于其他核電項(xiàng)目設(shè)備參數(shù)測(cè)試,以提升測(cè)試的有效性、提高核電產(chǎn)品供貨質(zhì)量和競(jìng)爭(zhēng)力。