安全壳大气压力测量变送器波动原因分析

中核核电运行管理有限公司 徐霖野 李宇睿 郑武元

压水堆核电机组中，安全壳内大气压力（即安全壳压力）是一个很重要的测量参数，尤其是在LOCA 事故工况下，安全壳压力测量值直接参与控制专设安全设施的动作逻辑。安全壳压力测量对测量仪表有着极高的要求，要在满足测量精度和稳定性的前提下，具备一定的抗辐照性能，并能在高温高湿的LOCA 工况下正常工作。为满足上述要求，多采用鉴定等级为K1级的绝压式压力变送器进行测量，并配套相应的1E 级延伸电缆和接线箱将测量值以4～20mA 电流信号的形式送至模拟量处理机柜。

1 故障经过

国内某核电机组在换料大修开始前两天，安全壳压力第三个测量通道测量值波动至0.11979MPa，且波动频繁（图1），与第一、二、四通道差异明显，最大波动值达到满量程的3%，触发一路安全壳压力高1报警。

图1 安全壳大气压力测量通道3波动大

对通道进行检查并持续观察该变送器波动情况，通道校验过程中对电流转电压卡件进行测试，测得输出电压信号波动最高可达到安全壳压力高1报警值；然后使用隔离卡件对现场输入进行隔离，并通过模拟试验台向电流转电压卡件输入模拟信号，测试输出电压无波动，检查各卡件接线端子均无接线松动情况，通过以上测试结果分析，初步判断通道测量值波动原因为就地变送器信号输出异常。对就地变送器及延伸电缆进行更换后测量通道输出平稳，与第一、二、四通道测量一致性较好，没有再出现报警和显示波动。

2 故障定位及原因分析

由该变送器的测量原理可知，变送器就地测得信号后以4～20mA 信号的形式输送至模拟量处理机柜，由模拟量处理机柜对测量值进行处理后输出至计算机系统记录，当测量值高于报警阈值时，报警信号送至反应堆保护系统参与保护设施动作控制逻辑表决，表决结果为专设安全设施动作指令。由于在通道检查过程中已经排除了模拟量处理机柜及其下游故障的可能性，可定位故障点位于模拟量处理机柜上游，即就地压力测量装置及信号传输通道。针对就地仪表测量波动，可能的原因有：压力变送器测量环境中存在空气扰动，导致测量值真实波动；压力变送器本体故障，导致测量值虚假波动；测量信号受到干扰，导致测量值虚假波动。

针对可能存在的原因进行逐步分析排查，正常运行期间该变送器输出稳定、不存在波动，基本可排除空气扰动可能，大修期间前往该仪表实际安装位置，对安装方式、周边环境等情况进行核实。核实结果表明，该变送器安装位置附近无大风量风机出风口等可能造成空气扰动的干扰源，且变送器高压侧进气端安装了不锈钢弯管，可隔绝空气对测量腔室直吹。

综上，环境中空气扰动的情况不存在，仪表波动不是真实压力测量的结果，可以排除第一项原因。

排除测量值真实波动的可能性后，对拆卸下来的就地设备进行故障定位。针对变送器本体，首先需排除是否存在热老化和辐照导致的测量波动，产品出厂型式试验报告显示，该变送器进行过热老化试验，试验温度120℃、试验时间20天，根据老化试验数据来评估使用寿命，根据阿斯纽伦方程式对热老化进行计算，式中t1为合格寿命（h），t2为提高到温度T2所需加速老化时间（h），T1为正常使用时环境温度（K），T2为加速老化时环境温度（K），Φ 为反应活化能eV（一般取0.8），λ 为玻尔兹曼常数（0.00008617eV/K）。

仪表工作温度可通过房间内安装的铂热电阻温度计读取，功率运行期间该房间内四季平均温度约为19 ℃上下，保守按25 ℃代入进行计算t1==889181.5382(h)≈101.44年。 可知该仪表在正常工作条件下理论寿命可达101年，基本上可排除本次仪表故障原因为热老化所致；辐照方面，仪表安装位置为安全壳内环廊的房间墙壁上，附近无热点，仪表鉴定试验的剂量为1×106Gy，估算环境累积剂量远未达到仪表能承受的剂量；震动方面，仪表安装固定，附近无震源，满足要求。

综上，可初步排除仪表本体出现故障导致测量结果不稳定的可能性。接下来对变送器进行拷机和校验工作，拷机测量介质为实验室内大气压力，拷机共持续三天，结果显示无可视波动存在。

仪表校验方面，使用DPI610型打压仪对仪表进行校验，校验结果显示仪表测量值稳定，无明显波动，测量结果有轻微超差，超差幅度约-0.03%，该表2019年10月校验合格，本次校验超差在实践过程中可认为属于正常现象，与本次波动故障无关。由上述试验可以确定变送器本体无故障，排除第二种可能性。

针对测量信号受到干扰导致结果产生波动这种可能性，将故障点定位于K1级变送器配套所带的1E 级延伸电缆。在实验室中对电缆的通断及绝缘性能分别进行测量，电缆内部无断开情况；绝缘方面，对接入变送器正极（下文称正极接线）及接入变送器负极（下文称负极接线）的两根接线对外壳绝缘分别进行测量，测量工具为250V 绝缘电阻测试仪，测量结果显示，正极接线绝缘值在0.021～0.6MΩ之间波动，负极接线绝缘值在6～20MΩ 之间波动，正负极接线相间绝缘约为6MΩ 左右，根据RCC-E2020版中的绝缘测量标准，DC500V 测量情况下稳定至少10秒后的读数应大于10MΩ。按此标准该延伸电缆不满足绝缘要求，处于绝缘失效状态。

测量电缆相间绝缘失效将导致正负极之间产生一个等效电阻，电阻值为失效后的绝缘电阻大小，可以肯定该等效电阻会对测量值产生一定影响。由于变送器测量信号送出与变送器仪表本体供电均依靠同一组回路完成，等效电阻对于电路本体的影响应分别计算。其中变送器输出为4～20mA 电流值，可认为变送器是一个恒流源，而测量值输入卡件为变送器提供DC24V 电源，可认为是一个恒压源；而输入卡件将电流转化为电压且转化关系符合线性变化，故可认为测量结果为该电路上的一个等效电阻R2两端的电压降（图2）。

图2 变送器绝缘性能低等效电路

当同一电路内同时存在恒压源与恒流源时，根据诺顿定理，将电路内所有电压源短路，电流源开路，计算得R2两端电压满足，因I 与V 满足线性关系，可知测量结果I 受失效绝缘等效电阻R1影响，R1越小V 越大。产生这一结果的原因是变送器的DC24V 供电电压在等效电阻R1上产生了一个分流IV1，而变送器测量结果在R1上产生了一个分流IA1，当R1值降低时Iv1值增加，由于IA1峰值为20mA，而Iv1受R1影响，当电阻接近于0时电流I 理论上可达无穷大，可知绝缘性能越低测量结果偏差越大。

搭建电路对绝缘失效进行复现试验，通过直接在正负极间并入R1=15kΩ 电阻，并在回路中串联R2=250Ω 的取压电阻，对R2两端的电压降进行测量。变送器测量对空，未并入电阻前的测量压降为1.72V，此时变送器输出电流为I=1.72/250=0.0069A。将R1、R2、I 代入上式，可以计算出电压表测的电压降应为2.089V，且电阻接入与断开会产生明显波动。经观察记录仪测量结果，与理论计算一致，故障得到复现。

综上，在变送器出现测量波动或漂移的情况下，应先排除电缆对测量结果造成的干扰，同时在变送器校验的预防性维修项目中也应加入电缆绝缘测量步骤，绝缘性能下降不是突发性故障，提早对线路绝缘进行检查可有效避免绝缘性能降低造成的测量误差，提高设备运行的稳定性。