核電站RPN電氣貫穿件典型故障分析與改進(jìn)

俞紀(jì)維

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

核電站RPN電氣貫穿件典型故障分析與改進(jìn)

俞紀(jì)維

（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

RPN系統(tǒng)是核電站用來確保中子活動(dòng)得到持久性監(jiān)測(cè)的核儀表系統(tǒng)，其測(cè)量準(zhǔn)確性要求較高；RPN電氣貫穿件作為RPN信號(hào)傳輸回路的關(guān)鍵一環(huán)，其質(zhì)量可靠程度同樣備受關(guān)注。本文介紹了某一核電站RPN電氣貫穿件的兩個(gè)典型故障案例，中間量程電纜插頭陶瓷絕緣層破損和源量程饋通線特性阻抗超差，分析闡述了故障原因及處理過程，并提出相應(yīng)改進(jìn)措施。

核電站；RPN；電氣貫穿件；源量程；中間量程；特性阻抗

核儀表系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱RPN）用分布于反應(yīng)堆壓力容器外的6個(gè)中子探測(cè)器來測(cè)量反應(yīng)堆功率、功率變化率以及功率的徑向和軸向分布等，是直接關(guān)系到核電站反應(yīng)堆安全的重要系統(tǒng)之一［1］。RPN電氣貫穿件是專用于 RPN電纜穿越安全殼的數(shù)套低壓儀表同軸類電氣貫穿件［2］。本文介紹了某一核電站 RPN電氣貫穿件的中間量程電纜插頭陶瓷絕緣層破損和源量程饋通線特性阻抗超差這兩個(gè)典型故障案例，分析闡述了故障原因及處理過程，并提出相應(yīng)改進(jìn)措施，對(duì)后續(xù)核電站的建設(shè)、運(yùn)行和檢修提供經(jīng)驗(yàn)積累和借鑒支持。

1 RPN電氣貫穿件

RPN系統(tǒng)包含源量程、中間量程和功率量程三個(gè)類型的測(cè)量通道，以實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆不同階段功率的連續(xù)監(jiān)測(cè)。每臺(tái)機(jī)組 RPN系統(tǒng)主要設(shè)備包含RPN001AR、RPN002AR、RPN003AR和RPN004AR這 4面保護(hù)機(jī)柜，分別對(duì)應(yīng) ZZZ514WD、ZZZ530WD、ZZZ516WD和ZZZ534WD共4套R(shí)PN電氣貫穿件（以下簡(jiǎn)稱貫穿件），相關(guān)探頭及測(cè)量回路通道與之彼此對(duì)應(yīng)，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系見表 1。其中514、530貫穿件包含8根功率量程（含1根備用）、4根中間量程（含1根備用）和1根源量程共13根測(cè)量電纜，而516、534貫穿件則僅包含功率量程測(cè)量回路。

RPN電氣貫穿件作為 RPN信號(hào)傳輸路徑上的關(guān)鍵一環(huán)，如何保證其連通性和可靠性至關(guān)重要。一旦RPN電氣貫穿件出現(xiàn)異常，對(duì)RPN信號(hào)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確程度及對(duì)核電站的安全運(yùn)行將產(chǎn)生重大影響。

表1 RPN主要設(shè)備對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 典型故障

2.1 中間量程電纜插頭陶瓷絕緣層破損

1）RPN中間量程

RPN中間量程測(cè)量通道由兩個(gè)獨(dú)立的相同測(cè)量線路（RPN013MA和RPN023MA）構(gòu)成，并連接至中子探測(cè)器。后者為涂硼 γ 補(bǔ)償電離室，提供反應(yīng)堆在堆功率建立期間的中子計(jì)數(shù)率，測(cè)量范圍從2×102～5×1010n/（cm2·s），相當(dāng)于堆功率從10-6%～100%FP（FP：滿功率）。

RPN系統(tǒng)中間量程要求在主管道大破口時(shí)依然可用，為保證其可用性，在核島內(nèi)使用了1E級(jí)K1類的礦物質(zhì)電纜，其同軸電纜插頭與電纜是一體化的，插頭內(nèi)部的絕緣層采用陶瓷材料，可防止電纜絕緣值下降，并兼顧密封和防輻射功能。

2）電纜插頭陶瓷絕緣層破損

2012年4—9月，國(guó)內(nèi)某核電站1號(hào)機(jī)組在安裝、調(diào)試過程中，多次發(fā)生RPN中間量程測(cè)量電纜插頭陶瓷絕緣層破損。兩組中間量程測(cè)量通道核島內(nèi)側(cè)總共8根測(cè)量電纜，前后5次插拔操作共造成7個(gè)RPN電纜插頭陶瓷絕緣層破損，另與7個(gè)同軸電纜插頭相連的貫穿件同軸連接器插座卻保持完好。如圖1所示，中間量程同軸電纜插頭陶瓷絕緣層有明顯破損，圖2為與電纜插頭配套的貫穿件同軸連接器插座。

圖1 電纜插頭絕緣破損

圖2同軸連接器插座

3）分析與處理

（1）影響分析

RPN 中間量程傳輸信號(hào)為微電流信號(hào)（10-11～10-3A），其礦物質(zhì)同軸電纜插頭絕緣層破損，甚至輕微破損，都易導(dǎo)致信號(hào)丟失。由于電纜插頭和電纜是一體化制造的，插頭絕緣層破損后現(xiàn)場(chǎng)無法修復(fù)，導(dǎo)致整根電纜無法使用，而更換每根電纜的代價(jià)都極為昂貴，對(duì)工期的影響也較大。

（2）原因分析

RPN電氣貫穿件514、530的B、C、D、E同軸饋通線，屬于RPN中間量程測(cè)量通道，其核島內(nèi)側(cè)使用的同軸連接器插座型號(hào)為 HN-11K-A，由貫穿件廠家供貨，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)軍標(biāo) GJB 5246（2004）；而核島內(nèi)側(cè)使用的中間量程同軸電纜插頭型號(hào)為 Radiall R176 028 500，由RPN系統(tǒng)設(shè)備廠家供貨，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為美軍標(biāo)MIL-DTL-3643B。

通過比對(duì)美軍標(biāo) MIL-DTL-3643B與國(guó)軍標(biāo)GJB 5246中對(duì)同軸連接器插座尺寸的要求，二者基本一致，不存在較大差異［3-4］。

但比照Radiall產(chǎn)品樣本說明發(fā)現(xiàn)，Radiall插座的陶瓷絕緣子外徑尺寸（A：B：如圖 3（b）所示）比美軍標(biāo)要求的尺寸（A：6.66～6.76mm、B：7.345～7.47mm）偏小，由于Radiall插座的陶瓷絕緣子外徑小，故插入與其對(duì)應(yīng)Radiall插頭（陶瓷絕緣層內(nèi)徑A：B：如圖 3（a）所示）時(shí)，插頭與插座內(nèi)的陶瓷間存在一定間隙，不易因擠壓產(chǎn)生破損。

圖3 Radiall插頭及插座

此外，在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，由于與貫穿件同軸連接器所連接的同軸電纜剛性較強(qiáng)，在與同軸連接器對(duì)接時(shí)容易出現(xiàn)不同軸的情況，而插座與插頭內(nèi)的陶瓷絕緣間的空隙本身較小，這樣的彎曲度及不當(dāng)插合操作也容易造成插頭陶瓷絕緣層擠壓破損。

（3）最終處理與試驗(yàn)驗(yàn)證

圖4 HN-11K-A型同軸連接器插座陶瓷絕緣子外徑尺寸（修改前）

通過上述分析，可以確認(rèn)Radiall插頭陶瓷絕緣層破損因Radiall插頭與HN-11K-A型插座的陶瓷絕緣子尺寸不匹配導(dǎo)致。由于RPN中間量程電纜插頭為一體，無法輕易改動(dòng)，只能改造貫穿件同軸連接器插座。在綜合考慮進(jìn)度、技術(shù)要求、成本等因素之后，最終方案選擇改造貫穿件同軸連接器插座內(nèi)陶瓷絕緣子的外徑尺寸（修改后尺寸如圖5所示，A=B：），以匹配同軸電纜插頭。

圖5 HN-11K-A型同軸連接器插座陶瓷絕緣子外徑尺寸（修改后）

最終，8套新貫穿件同軸連接器插座完成加工制作和現(xiàn)場(chǎng)更換（現(xiàn)場(chǎng)更換時(shí)注意保證接頭對(duì)接同軸操作），并經(jīng)過中間量程絕緣、微電流測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果滿足要求，均未再出現(xiàn)電纜插頭絕緣層破損情況。

2.2 源量程饋通線特性阻抗超差

1）RPN源量程

RPN源量程測(cè)量通道，由兩個(gè)獨(dú)立的相同測(cè)量線路（RPN014MA和RPN024MA）構(gòu)成，主要用于反應(yīng)堆換料、裝料啟動(dòng)和臨界階段，其中子探測(cè)器為涂硼正比計(jì)數(shù)器，提供反應(yīng)堆停堆狀態(tài)以及初始起堆期間的中子計(jì)數(shù)率，測(cè)量范圍約 6個(gè)數(shù)量級(jí)（0.1～2×105n/（cm2·s）），相當(dāng)于堆功率從10-9%～10-3%FP。

2）饋通線特性阻抗超差

2014年11月底，國(guó)內(nèi)某核電站3號(hào)機(jī)RPN系統(tǒng)進(jìn)行源量程通道反射計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證回路連續(xù)性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)反射計(jì)曲線于貫穿件處存在明顯凸起現(xiàn)象，測(cè)得貫穿件源量程饋通線的阻抗達(dá) 58Ω，相較以往機(jī)組數(shù)值（基本在52Ω左右）偏高，而RPN系統(tǒng)設(shè)備廠家要求源量程通道測(cè)量電纜阻抗范圍為 50± 5Ω，貫穿件源量程饋通線特性阻抗與所連接測(cè)量電纜阻抗不匹配。

3）分析與處理

（1）影響分析

從回路特性阻抗角度分析，由于RPN源量程信號(hào)傳輸范圍大約為 0～200000CPS，頻率約為0.1MHz，波長(zhǎng)約為1680m，相對(duì)于電纜和貫穿件長(zhǎng)度，傳輸信號(hào)不會(huì)在回路中產(chǎn)生駐波，特性阻抗偏大對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懣梢哉J(rèn)為是微乎其微的。

從外接同軸電纜和貫穿件同軸饋通線特性阻抗匹配角度分析，當(dāng)電纜阻抗與貫穿件阻抗不匹配時(shí)，會(huì)在貫穿件連接處出現(xiàn)功率損耗。以電纜阻抗50Ω、貫穿件阻抗 58Ω推算，功率損耗小于 0.05%，阻抗偏差基本不會(huì)影響信號(hào)的傳輸功率。

但從 RPN系統(tǒng)特定應(yīng)用角度及其高安全可靠性要求方面考慮，由于RPN源量程信號(hào)傳輸?shù)氖堑蛪?、脈沖信號(hào)，回路特性阻抗對(duì)回路中電纜、貫穿件饋通線以及接頭之間的特性阻抗匹配性要求較高，其值偏高，除了造成通道信號(hào)功率微量損耗外，還會(huì)在回路內(nèi)產(chǎn)生附加的反射波，與正常傳輸?shù)拿}沖信號(hào)疊加，造成源量程信號(hào)虛高。

（2）原因分析

經(jīng)調(diào)查，RPN電氣貫穿件源量程饋通線兩側(cè)接頭連接正常，單獨(dú)測(cè)量饋通線的特性阻抗偏高，再核查相關(guān)文件及控制過程，了解如下：

①電氣貫穿件技術(shù)規(guī)格書只給出饋通線的特性阻抗需滿足50Ω的要求，但未給出具體公差；另外，貫穿件技術(shù)規(guī)格書規(guī)定饋通線的線性電阻應(yīng)不大于外部電纜導(dǎo)體的線性電阻。

②RPN系統(tǒng)設(shè)備廠家對(duì)其源量程電纜的特性阻抗要求為50±5Ω。

③儀控專業(yè)出版測(cè)量電纜技術(shù)規(guī)格書，對(duì)于50?同軸電纜的阻抗要求為50±3Ω。

④電氣貫穿件廠家沒有對(duì)成品貫穿件饋通線的特性阻抗進(jìn)行出廠檢測(cè)，只在采購(gòu)環(huán)節(jié)要求其分供商出廠前對(duì)整根1000m長(zhǎng)同軸饋通線（半硬同軸電纜）的阻抗進(jìn)行抽檢。

（3）最終處理

為避免留下安全隱患，該核電站最終決定更換阻抗偏高的RPN電氣貫穿件源量程饋通線，要求特性阻抗按照 50±5Ω進(jìn)行控制。3號(hào)機(jī)兩套貫穿件3ZZZ514WD、3ZZZ530WD和 4號(hào)機(jī)兩套貫穿件4ZZZ514WD、4ZZZ530WD源量程饋通線先后完成更換。同時(shí)，作為經(jīng)驗(yàn)反饋，分別落實(shí)設(shè)計(jì)（確定貫穿件源量程饋通線特性阻抗公差標(biāo)準(zhǔn)）、制造廠（增加貫穿件源量程饋通線特性阻抗測(cè)量控制點(diǎn)），并將經(jīng)驗(yàn)反饋至同類核電站項(xiàng)目，以加強(qiáng)控制。

3 改進(jìn)

基于對(duì)上述兩個(gè)典型故障案例的闡述和分析，可從下列幾方面著手改進(jìn)。

1）標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化：對(duì)一些關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)指標(biāo)要明確細(xì)化，如規(guī)定RPN電氣貫穿件源量程同軸饋通線特性阻抗及其公差標(biāo)準(zhǔn)。

2）控制精準(zhǔn)：制造廠與現(xiàn)場(chǎng)對(duì)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求進(jìn)行精準(zhǔn)控制，如增加RPN電氣貫穿件源量程饋通線特性阻抗出廠檢測(cè)項(xiàng)目，合理設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)項(xiàng)目并確保其驗(yàn)證工作的完整性。

3）執(zhí)行嚴(yán)苛：制造、安裝、調(diào)試等各階段的質(zhì)量控制過程中，均須嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

另外，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)需重視落實(shí)反饋，不斷優(yōu)化改進(jìn)相關(guān)產(chǎn)品，注重設(shè)計(jì)接口交換質(zhì)量，保證匹配性（如中間量程各接頭型號(hào)規(guī)格尺寸匹配）。

4 結(jié)論

RPN核儀表系統(tǒng)是核電站重要的安全系統(tǒng)，其對(duì)信號(hào)傳輸回路的可靠性要求較高，作為信號(hào)傳輸關(guān)鍵一環(huán)的電氣貫穿件，其質(zhì)量可靠程度同樣備受關(guān)注。因此，通過積累RPN電氣貫穿件的若干典型故障處理經(jīng)驗(yàn)，從標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化、控制精準(zhǔn)、執(zhí)行嚴(yán)苛方面著手實(shí)施改進(jìn)，可以大幅提高RPN系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的安全性與可靠性，對(duì)保障核電機(jī)組正常啟動(dòng)和安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重大意義。

［1］賀禹，濮繼龍，高立剛，等.900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備［M］.北京：原子能出版社，2004.

［2］GB/T 13538—1992.核電廠安全殼電氣貫穿件［S］.

［3］MIL-DTL-3643B-2003.Connectors，Coaxial，Radio Frequency，Series Hn，AndAssociated Fittings，General Specification For［S］.

［4］GJB 5246—2004.射頻連接器界面［S］.

Typical Failure Analysis and Improvement of RPN Electrical Penetration Assemblies in Nuclear Power Station

Yu Jiwei
（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd，Shenzhen，Guangdong 518124）

The Reactor Protection Neutronic（RPN）is a nuclear instrumentation system in nuclear power station to ensure the permanent monitoring of neutron activity，which requires high measurement accuracy.As the key part of the RPN signal transmission circuit，the RPN electrical penetration assembly's quality reliability is also of the same concern.This paper introduces two typical fault cases of RPN electrical penetration assemblies，the intermediate range cable plug's ceramic insulation layer is broken and the source range feedthrough line's characteristic impedance out of tolerance，analyzes and expounds the fault causes and treatment process，and puts forward corresponding improvement measures.

nuclear power station； reactor protection neutronic； electrical penetration assembly；source range； intermediate range； characteristic impedance

俞紀(jì)維（1981-），男，工程師，注冊(cè)電氣工程師（發(fā)輸變電），主要從事核電廠電氣、儀控專業(yè)系統(tǒng)設(shè)備的服務(wù)與管理工作。