电离室类区域辐射监测仪表及其常见故障检修

张静波

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

为确保核电站运行安全，防止放射性物质向外环境泄漏及保证核电站工作人员免受高核辐射的危害，秦山第二核电厂设计了多种放射性的监测方法，区域I型、Ⅱ型监测仪就是其中之一。它是KRT系统中非常重要的监测通道。

1 设备描述

秦山第二核电厂3、4号机组采用的电离室类区域监测仪表主要有区域Ⅰ型监测仪、区域Ⅱ型监测仪，隶属于KRT系统，两机组一共设计了13台，选用的是西安核仪器厂生产的XH-3202Q2型和XH-3203Q2型，电离室的体积为1升。监测仪由探测器、LPDU、源检装置、RDU组成。

1.1 探测器

该仪器采用的是常压空气电离室探测器。探测器主要由1升电离室和前置放大器组成。参见图1探测器电原理图。电离室由高压极、收集极、保护电极、绝缘体、工作气体组成。前置放大器采用的是全反馈电流电压放大器，探测器的安装采用浮空设计，探测器安装在具有放射性代表性的房间。当房间内电离射线通过探测器内的两个电极之间的气体时，会使气体电离，并使电离室产生一个电流信号，信号强弱与照射剂量率成正比，电流信号引入到前置放大器中，经过电子线路成形放大等过程而被分析和记录[1-3]。

图1 探测器电原理图Fig.1 Electrical schematic diagram of detector

图2 监测道结构示意图Fig.2 Diagram of monitoring channel structure

1.2 就地处理显示报警箱（LPDU）

M-2036B数字化就地处理箱（LPDU）其外壳为不锈钢材料，由开关电源、键盘和显示模块、M-2100数据处理模块、M-2116V/F转换模块、高压电源模块、调零模块、继电器和端子排等几大部件组成。可显示、查询测量数据，更改及设置设备参数，并具有声光报警等功能；为探测器提供低压工作电源和-500V的高压，对探头输出的信号进行处理、计算和报警状态控制，并通过RS485通讯将数据信息传至远程显示单元（RDU）；箱体采用浮空设计，在机箱底部最右端设有保护接地端柱，仪表的TE与PE均都通过此接地柱与大地相联。

1.3 远程显示单元（RDU）

远程显示单元（RDU）为一标准CAMAC插件，它安装在系统集中机柜内。其主要功能是采集LPDU的测量数据及状态，对测量结果、报警状态、历史数据等进行显示和存储，此外它还负责整个通道的测量结果、报警状态等模拟量或开关量或RS485网络的输出。其前面板有一RS232通讯口，用于连接计算机。

1.4 源检装置

源检装置采用皮老虎的原理，通过电磁铁吸合与脱离带动气囊吸气与吹气来驱动放射源。源检的主要功能是检查探测器对放射性的响应是否正常。当就地处理箱或远程显示单元给出源检信号时，检查源被打入探测器灵敏区，此时，探测器对放射源进行响应，得出源的计数。当解除源检命令后，检查源收回，测量值恢复到原值。

2 监测道工作原理

电离射线通过两个电极之间的气体时，会使气体电离。当外γ场照射到探测器上，探测器中电离室产生一个电流信号，信号强弱与照射剂量率成正比，在高压电场作用下，电离产生的电子和正离子在负高压作用下分别向正负极运动，并产生感应电荷。将感应电荷产生的电流信号引入到前置放大器中，经过电子线路成形放大等过程而被分析和记录[4,5]。电流经前置放大器放大后，直接转换成电压信号输出至LPDU。

LPDU内部的V/F转换模块对探测装置输出的模拟电压进行处理后转化为电脉冲，然后再输出到LPDU箱内部的数据处理模块，定时采集输入信号，进行处理后得到与放射性活度有关的信息，再经计算后得到符合统计误差的测量值，给出最终测量结果并对测量结果进行显示。当LPUD分析的结果超出报警阈值或通道出现故障时，该单元给声光报警。同时，通过RS485通讯方式将最终数据信息传给安装在集中机柜内的RDU，RDU根据前端LPDU传送来的测量数据和状态进行同步显示。如果通道出现报警时，远程显示单元给出声光报警，同时给出开关量信号通过机柜内的故障、一级、二级报警端子排将报警信息送到KRT系统继电器机架，通过机架继电器的逻辑转换将报警信息送到电厂计算机系统（KIT）和主控光字牌并联动其它系统被控制的设备。RDU还将代表测量结果的模拟量信号通过机柜内的端子排送给电厂计算机系统（KIT）和主控室记录仪，并且还将通道的数据信息以RS485通讯方式输送至辐射监测系统的集中数据采集系统进行集中显示，并对历史值、事件记录进行存储、打印和报表等。实现了辐射监测数据的集中管理[4]。监测道的结构示意图如图2所示。

3 仪表典型故障处理及经验反馈

该类型仪表在现场调试开通至后续运行期间出现多次故障，其故障类型主要有：低值失效故障、通讯故障、参数故障、闪发高计数故障等。以下分别介绍了不同类型故障的处理方法。

3.1 通道低值失效故障

主要故障表现为：L P D U显示面板上“L O U”与“0.00”交替显示，Hz数为“0”，RDU显示面板上故障提示符处显示“LOU”，测量值显示“0.00μGy/h”，且蜂鸣器响，Hz数为“0”，主控室故障报警光字牌亮。

出现的原因大致有以下几种情况：

图3 区域Ⅰ、Ⅱ型监测仪核心参数配置图Fig.3 Regional Ⅰ,Ⅱ type monitor core parameter configuration diagram

① 探测器故障无信号输出；② LPDU内的高压模块无高压输出或高压不稳定，导致探测器中电离室的电离效应不够稳定，在外环境稳定的情况下，使探测器无法正常工作，不能输出稳定的信号，进而导致LPDU触发“低值失效”报警；③ LPDU内V/F转换模块工作不稳定，无法正常将由探测器输出的电压脉冲信号转换成频率信号，导致数据处理模块在处理数据时发出“低值失效”报警；④ 通道连接电缆虚接或脱离；⑤ LPDU的参数设置错误。

处理方法：检查紧固各连接电缆，检查验证LPDU内保存的参数是否正确，重点核查图3中的这几项参数设置是否正确。

◆ 探测器故障处理

在LPDU端子排上探测器信号输入端检查探测器是否有信号输出，在LPDU内用万用表直流电压档测量X2 8:3是否有40mV左右的信号，若没有则表明探测器已损坏，更换探测器即可。在检修平台间打开探测器，做如下检查：① 检查焊接处是否脱落、虚焊；② 检查探测器输出连线是否有断线；③ 探测装置的高、低压电源是否在正常范围内；④ 通电测试。用万用表测量3个量程挡的吸合状况，吸合为12V，断开为0V，若都能吸合及断开则表明继电器无问题；⑤ 检查场效应对管是否击穿，按等电位接地的方法卸下高绝缘MOS场效应对管3C02，测量绝缘是否满足要求，一般绝缘指标能达到5×1015Ω左右，若达不到指标则说明场效应管已被击穿，需更换一对新的合格的对管。

从目前现场换下来的探测器来看，大部分探测器故障都为场效应管击穿所引起的。

◆ 高压模块故障处理

在LPDU端子排上用万用表直流电压档在X2 6:3上测量高压模块输出的高压是否与探测装置的设定值相符，一般为-400V左右。若不相符，则调节高压电位器到规定值；若没有高压输出则表明高压模块已故障，需要做进一步检查：

断开与探测装置的高压连线后，若高压正常，则可能探测装置内部高压短路，需检查探测器。若断开后仍无高压输出，检查LPDU为高压模块提供的低压电源DC+12V是否正常，若有+12V电压则表明高压模块内部故障，更换高压模块即可；若没有则检查LPDU内的开关电源是否有电压输出及检查电源电缆插头是否牢固。

用示波器检查高压模块输出的纹波是否超出限值，若已超出则说明模块性能下降，更换模块。

◆ V/F模块故障处理

区域Ⅰ、Ⅱ监测仪探测器过来的信号都是0V～10V的直流电压信号，V/F模块主要功能是直流电压信号转换成频率信号，它主要采用核心芯片是ZF450K，由射极跟随器、ZF450K型V/F转换模块、单稳态整形输出和限幅射级跟随器3部分组成。其模块的转换比为1mV：1Hz，输入输出成线性关系。其检测V/F模块好坏：

① 用万用表HZ档测量V/F 模块的输出值是否与仪表显示的HZ值是否一致；② 检测V/F模块的上下限是否在范围内：断开探测器的高压，将调零电位器调到10mV，看仪表的HZ值是否在10HZ左右，或用744电检仪模拟探头信号输入0 V～10V（从毫伏到伏）直流电压信号接到V/F模块的信号输入端，看仪表的HZ数与744电检仪输入的信号值是否成线性关系，如果下限和上限都满足要求，则V/F模块工作正常；若不满足要求，则将744电检仪设置10mV调节V/F模块内RP2的22K电位器，使仪器显示HZ值与电检仪输出值一一对应。低端调好后，再输入10V电压，调节RP1的2.2K电位器，使仪器显示HZ值与电检仪输出值一一对应，反复调整几次。若无法调节说明V/F故障，需更换。

另如果仪表的零点电压在复位后3个量程都切换完成一直稳定在零点（40mV），则说明探测器没有问题，很有可能是V/F模块的问题，则可采用上述检测方法进行检测。

除了V/F模块本身故障外，还有可能是LPDU开关电源故障，无法为V/F模块提供低压工作电源。

3.2 通讯故障

主要是RDU与LPDU之间存在的故障，其故障表现为RDU显示“COMERR”故障代码，面板上失效灯亮、蜂鸣器响，LPDU显示正常或无任何显示和指示灯点亮。

出现该故障的主要原因有：① 通讯参数设置错误；② LPDU继电器板故障；③ LPDU电源故障或失电；④ LPDU内的数据处理模块或RDU通讯芯片故障。

处理方法：检查RDU的System｜CommParam子菜单中的LPU Port、LPU Addr、LPU Baud各项参数设置是否正确；用万用表测量LPDU电源输入端是否有AC220V，开启LPDU电源检查LPDU能否正常启动，显示是否正常，测量电源输出的±12V、+5V是否正常，测量继电器板上的+12V、5V是否正常。检查通讯电缆是否连接牢固；测量RDU内的电源输出是否正常，输入到RDU主板上的电源是否正常。若上述检查都正常则更换通讯芯片。

3.3 闪发高计数故障

主要表现为测量值偶然的突然上升，有时会超过一、二级报警阈值触发报警和联动。随后测量值恢复正常，且出现的频率低。

图4 区域Ⅰ、Ⅱ型监测仪地线连接方式Fig.4 Regional Ⅰ and Ⅱ type monitoring instrument ground connection mode

其原因有以下几种：① 探测器附近有点源移动，触发真实报警；② 仪表各模块性能不稳定；③ 外界（地线）的干扰，该类仪表厂家设计时其接地方式分为了两处接地，一是LPDU单点PE接地，前端探测器、源检装置、LPDU都进行了浮空。探测器的接地通过H.V线组、DC.V线组和信号线组的利用双绞双屏蔽线缆，分别单独走线连接到LPDU的TE端子上，最终LPDU的TE通过X5:1TE端子与X5:9PE端子用短接线相连接，通过PE接地柱接入电厂地，具体接地方式见图4。另一部分是RDU采用机柜内的PE、TE铜排分别接入电厂地的方式。这种接地方式目前从现场仪表运行情况来看，很容易由于地线上的干扰造成仪表计数不稳定，原因如下：保护地与仪表地之间进行了混接，虽然TE接地与PE接地最终都是接入到电厂地，但两者中间连接地方式是有区别的，TE最终是一点接地，而PE是多点接地，这两种接地的差异导致在PE地线上可能存在一定的电流，而在TE上不会有电流，导致接地效果降低，从而使地线上的干扰信号进入到仪表地上，引发了闪发报警。

处理方法：① 首先对探测器所处环境进行分析，通过便携式环境剂量率仪测量设备周围的环境，确认环境辐射剂量是否正常，询问防护值班人员，有没有放射性物质运输。② 检查LPDU内保存的参数的完整和正确性；③ 检查高压模块输出端电压的稳定性；④检查V/F转换模块输入与输出线性关系的准确性；⑤ 检查仪表的接地与浮空，其中包括探测器的浮空安装、设备接地的连续性、LPDU内部PE和TE之间的短接等；⑥ 更改仪表接地方式，断开X5:1TE端子与X5:9PE端子的短接线，利用通讯电缆的内屏蔽层将LPDU的TE与机柜内的TE铜排连接；⑦ 检查探头和LPDU之间连接电缆，尤其是电缆与电缆头的焊接处，是否存在虚焊，各芯线与插针之间的绝缘层是否有效，检查电缆的屏蔽层金属丝网与电缆芯线是否接触，检查电缆的总屏蔽层是否与电缆头进行了有效连接。

3.4 数据处理模块故障

数据处理模块是LPDU的核心部件，主要功能是数据的分析、处理、存储、通讯与报警控制。

主要表现为：LPDU显示面板上显示“------”，RDU报通讯故障。

处理方法：① 检查模块内的线路板是否有虚焊、漏焊、错焊现象；② 检查各联接电缆是否牢固，有无断裂；③ 检查LPDU开关电源提供给数据处理模块的电压是否正常；④通电检查其主要工作点5V、3.3V、1.8V是否正确，检查脉冲极性开关SW1、SW2是否在正（+）端；⑤ 用电检仪或脉冲发生器送入脉冲信号检查LPDU显示的HZ数是否与电检仪或脉冲发生器输出的信号是否一致。

4 仪表调试和运行期间的历次故障处理

电离室类区域监测仪调试开通至后续运行期间主要出现的故障报警为低值失效故障，闪发高计数故障两种。其中，引发这两种故障主要是ZF450k芯片质量问题、电缆焊接缺陷及仪表的抗干扰能力弱等原因。经多次检修、原因查找及长期运行考核，目前通道已逐步趋向于稳定运行。

5 结论

秦山第二核电厂3、4号机组电离室类区域监测仪，从开通调试至后续的长期运行考核期间，通过多次的故障检修，使仪器慢慢的恢复到稳定运行。

由于该类型仪表在机组不同的运行工况下，都会占用机组IO的时间，尤其在进行燃料操作期间，若通道不可用会迫使燃料操作的停止，直接影响到主线的进度，所以仪表的稳定运行及快速地消除缺陷，变得尤其重要。通过上述介绍的检修方法，为后续的检修提供了有效的帮助。