★北京广利核系统工程有限公司温超然，刘静波，王晓卫

关键词：堆芯冷却测量系统；热电偶；扰动；温度测量

堆芯冷却测量系统（CoreCoolingMonitoringSystem，CCMS）是堆芯测量系统（RIC）的一部分，具有数据采集、数据处理、数据显示及数据计算机接口功能。本文以某电厂CCMS系统中热电偶信号的扰动问题为基础，探讨了扰动产生的来源，并提出了相应的抑制策略。对热电偶信号扰动问题的研究，不仅可以提高核电厂的安全性能、降低事故发生的风险，而且对于推动我国核能事业的发展具有重要的现实意义。

1　CCMS设计原理

CCMS系统分为冗余的A/B两个通道，每个通道的CCMC机柜分别布置在实体隔离的两个不同的房间，通过采集堆芯热电偶信号、反应堆冷却剂压力等信号计算出堆芯饱和裕度。两个通道使用热电偶与冷端补偿电阻进行温度测量，它们的输入信号及计算处理过程相互独立。两个通道的计算结果会进行交叉比较，得到的数据一部分通过安全总线传递给DTC机柜，并通过安全系统总线送至NC进行显示，还有一部分则通过硬接线直接送至BUP进行显示和报警。CCMS系统不直接承担堆芯安全功能，但在事故工况下操纵员能够连续监视堆芯温度的变化趋势。

图1CCMS系统结构图

2　信号扰动原因分析

2.1　故障现象

在某核电机组大修的堆芯热电偶信号检查时，检修人员在工作完成后查询热电偶曲线（图2），发现如下异常：

B列热电偶相较A列热电偶的波动更大，其中A列热电偶波动在-1~1℃之间，而B列波动幅度约-1~+2℃，最大波幅在3℃以内。

B列3个冷端补偿电阻（对B列20个热电偶冷端补偿取平均）温度同步变化，而且变化趋势相同。

B列机柜房间环境温度变化趋势相一致，B列所有热电偶随着机柜房间温度变化而波动变化。

图2热电偶曲线

2.2　信号扰动来源

热电偶作为核电厂安全级保护系统中的关键传感器，承担着监测设备温度变化的重要任务，其信号的准确性和稳定性直接关系到核电站的运行安全。热电偶信号的扰动可能会引起温度信号的失真，进而影响对堆芯状态的准确评估，严重时甚至可能导致反应堆失控^[1]。

CCMS系统中热电偶信号从测量处理到传递显示的过程都可能受到扰动。热电偶信号扰动的主要来源可以总结归纳为三类：设备故障、传输干扰、环境因素，如图3所示。

设备故障，尤其是传感器故障是导致热电偶信号扰动的一个重要原因。热电偶的铠装材料长期暴露于高温和腐蚀性环境中可能产生微小裂纹。这种裂纹在高温环境下可能迅速扩展，从而影响热电偶的测量精度^[2]。

信号传输过程中的干扰也不容忽视。在信号的传输过程中，热电偶信号可能受到外部电磁场的干扰，导致信号失真。曾有核电厂的某电子设备在遭受浪涌干扰时，热电偶信号出现了显著的波动，经过仿真分析和整改研究，发现是由于设备的抗扰度不足造成的^[3]。

环境因素也是热电偶信号扰动的一个重要来源。核电厂内部环境复杂，温度、湿度等都会对热电偶信号产生影响。相应的工艺设计需考虑这些环境因素的影响，例如热电偶导管堵头的结构设计不当，在设备所处环境变化时可能导致热电偶信号的干扰。特别是在核岛RIC系统中，热电偶导管堵头的焊接工艺若不符合标准，将直接影响信号的稳定性^[9]。

图3热电偶信号扰动因素

2.3　故障分析

2.3.1　环境搭建

CCMS系统的功能是实现堆芯温度的测量。A/B两类为冗余结构，通过核实核电现场CCMS系统A列所测量的堆芯温度，可以发现A列所测量的堆芯温度稳定，仅B列测量温度随厂房温度波动，因此可以排除堆芯温度波动、冷端补偿方案以及传输干扰仅对B列温度测量造成影响。考虑到硬件设备的冗余性以及采集的数据在处理会去掉异常值后取平均，硬件设备损坏可能性较小。

根据B列热电偶所测温度同步变化，且所有热电偶随厂房间温度变化而波动，该核电厂的问题很可能由环境温度变化导致。为了模拟现场温度补偿盒的实际情况，我们搭建了一个简易环境模拟现场热电偶及热电阻安装方式，如图4所示，测试外界环境变化后热电阻及补偿盒内热偶的温度响应差异。

图4简易温度补偿盒

2.3.2　问题复现

复现外部环境温度变化对冷端补偿电阻以及补偿盒内温度的影响（图5）：热风机加热5分钟，采用隔板安装的热电阻温度变化速率较快，温度线性上升（图6）。补偿盒内热电阻温度响应较隔板安装的热电阻慢，温度线性上升，但温度变化幅度小（图7）。停止加热后，隔板安装的热电阻温度继续上升一段时间后开始缓慢下降。此时补偿盒内热电阻仍在升温，温度响应较隔板安装热电阻明显滞后，经过一段时间后开始缓慢下降。

图5实验场景1

图6隔板安装的热电阻温度变化

图7补偿盒内的热电阻温度变化

按照原设计意图，外界环境温度变化对冷端补偿电阻及盒内热偶冷端影响一致，实际情况采用金属隔板安装的热阻受外界环境影响敏感温度响应快，而补偿盒内温度由气体传播，温度传导慢，温度值变化明显滞后。

验证隔板对热电阻测温的影响：用手握住隔板安装热电阻外侧尾部，通过DCS采集数据发现隔板安装热电阻短时间内测温缓慢升高1.7℃（图8），补偿盒内热电阻温度变化不明显（图9）。

图8隔板安装的热电阻温度变化

图9补偿盒内的热电阻温度变化

按照原设计意图，热电阻感温原件为电阻探头，安装方式对测温无影响。但热电阻感温原件安装在探头位置，试验发现传感器外壳的平均温度影响感温元件的测量结果。

验证增加补偿盒内空气流动，对冷端补偿电阻以及补偿盒内温度的影响（图10）：打开简易恒温箱一侧盖子吹风（测试开放环境），观察隔板安装热电阻及盒子内热电阻测温变化。经过验证，发现两个热阻温度响应及测温值基本一致（图11、图12）。增加温度补偿箱内的气流变化，能够降低不同安装方式对测温的影响。

图10试验场景3

图11隔板安装的热电阻温度变化

图12补偿盒内的热电阻温度变化

2.3.3　试验结论

隔热热电阻采用金属隔板安装，电阻裸露部分、铁盒金属壁对测温有直接影响，热电阻对外界环境感应快；补偿盒内空气不流通，温度传导较慢，热电偶温度响应滞后。经试验分析，该电厂所测堆芯温度随厂房温度波动是由补偿电阻安装方式导致。

为验证该结论，打开现场温度补偿盒一侧盖子增加盒内空气流动，检查是否能够缓解安装方式导致的温度响应差异。拆除盖板后，A、B列测得数据一致，可确认B列热电偶波动较大的根本原因是补偿电阻安装位置不当，温度响应滞后。

3　扰动消除方案

热电偶信号的扰动抑制策略应根据核电厂的具体需求和条件进行选择和优化。通过结合硬件滤波、软件滤波和故障诊断与隔离等多种策略，可以实现对热电偶信号扰动的有效抑制，从而确保核电厂安全级保护系统的稳定运行。

结合试验结果，该电站可通过变更原冷端补偿电阻的安装方式来解决该问题。将热电阻整体移到补偿盒内部上侧盖，盖板采用支架安装方式，如图13所示。

图13热电偶安装示意图

现场热电偶、热电阻信号均送到调理机箱然后才到DCSAI采集板卡。对于调理机箱平台鉴定EMC试验采用机架式，端子连接时是裸露状态，辐射发射及辐射抗扰度磁场等试验均顺利通过。因此变更原冷端补偿电阻的安装方式对于EMC没有影响。热电偶安装方式变更后，对于机柜结构整体固有频率无影响，因此对于机柜整体的抗震性能也无影响。

4　结论

本文对某核电站B列热电偶相较A列热电偶波动更大问题进行分析，讨论在热电偶信号传输的路径上造成波动的可能因素，从理论上分析出环境温度是最有可能的影响因素，并搭建试验平台进行验证，最后确认该核电厂堆芯测得温度随厂房波动是由补偿电阻安装位置不当、温度响应滞后导致。考虑到成本与影响范围，本文通过更改原冷端补偿电阻的安装方式来解决该问题，该方案对EMC以及机柜整体的抗震性能没有影响。

作者简介：

温超然（2001-），男，湖北人，助理工程师，学士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核安全级仪控系统的设计工作。

参考文献：

[1] 王振永, 刘鹏. 核电厂1E级铠装热电偶质量鉴定[C]. 中国核学会核能动力分会核电质量保证专业委员会第十二届年会暨学术报告会论文专 集, 2014.

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[5] 孙智超, 孙炯, 朱陈洛, 等. 巴基斯坦核电机组C3/C4堆芯测温用铠装热电偶的研制[J]. 工业仪表与自动化装置, 2017, (6) : 29 - 32.

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[9] Scerbo J A, et al. Safety system augmentation at Russian nuclear power plants[C]. IEEE Nuclear Science Symposium, Conference Record. Vol. 2. IEEE, 1996.

摘自《自动化博览》2025年11月刊