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摘要：基于核电厂棒位系统探测器及其电缆性能检测现状，结合现有检测方法的适用性，针对电厂应用的需求和特点，研究分析了棒位系统探测器及其电缆性能检测技术的原理实现、自动化测试方法等，完成了一套测试装置的研制并成功应用于现场测试。

关键词：核电厂；棒位；探测器；检测

1绪论

1.1课题背景

核电厂棒位系统采用磁感线圈式探测器监测棒控系统驱动机构动作后的具体位置，其准确性将直接影响操作员人对控制棒位置的判断以及对反应堆内核反应的控制。棒位系统在反应堆停堆后检修需断开岛内连接电缆，并且在棒位系统停运后和启动前均需要对电缆连接情况、探测器线圈性能、电缆性能进行检测。

1.2课题的研究意义

棒位系统由于自身设备的特殊性，检修过程均占用核电厂大修的主线时间，具体问题和操作如下：

检测性能手段单一：目前使用的检测手段就是利用万用表测量线圈电阻、兆欧表测量线圈绝缘两个手段，针对评价线圈功能性指标的电感值和评价电缆性能指标的电容值未进行检测，尚未有其他方法或工具来进行检测。

评估标准欠缺：目前对探测器及电缆的性能评估只对测量的现场实时电阻值和绝缘值与合格标准对比，一方面缺少电感和电容的数据，另一方面未对测量的具体数值以及历年老化曲线进行精细算法分析，尚未有标准化、专业化、规范化的评价标准。

人力需求多：一次棒位探测器检修工作需求人力4名（一组）或8名（两组），每组根据核电厂工作需求配置1名操作人员（操作万用表或兆欧表利用表笔对电缆针脚进行测量）、1名读数人员（辅助操作人员对万用表或兆欧表显示进行读数，对测量后针脚进行放电）、1名规程记录人员（负责读取规程、记录数据、计算合格值）、1名安全监督人员（现场人员和设备安全监督、对数据记录进行核实）

耗时久：棒位探测器检修工作设计33个探测器组件，每个组件需测量13个数值，共计429个数值，评价标准和工作质量提升后，预计需测量891个数值；由于测量时利用万用表或兆欧表表笔对每根探测器电缆接头的特定针脚进行检测，选择和确认困难，耗时久。

设备安全风险：本工作使用万用表或兆欧表的表笔与电缆接头针脚接触测试，现场实际操作过程中存在针脚对压弯或松动的情况或风险。

人员安全风险：使用兆欧表测试绝缘过程中，选择高压300V-800V，一般选取500V，由于测试空间狭小，极易发生检测或放电过程中人员被高压触点风险。

因此，研制一套自动化检测设备用于核电厂棒位探测器系统及其电缆测试非常有必要。

1.3本文研究的主要内容和关键问题

本文研究主要内容如下：

1.对被测对象（核电厂棒位系统探测器及其电缆）的特性进行分析研究；

2.根据分析结果，进行测量方案的确定；

3.进行自动化测量装置的设计；

4.进行自动化测量装置的现场验证。

关键问题如下：

1.自动化测试流程的确定；

2.针对各个测试项的测试方法的确定；

3.多通道切换实现方式的确定。

1.4功能分析及设计方案确定

根据现场测量需求的分析，自动化测量装置需完成如下测量功能：

1.绝缘电阻测量功能

2.直流电阻测量功能

3.电感测量功能

4.电容测量功能

同时，考虑到现场的使用需求，自动化测量装置需要设计为一台便携式测试设备，便于现场操作。

2.总体设计

2.1方案设计

2.1.1系统整体应用

自动测量装置主要包括探测器线圈参数及电缆测量装置（以下简称“测量装置”）、参数测量系统软件（运行于测量装置）、测试电脑、系统软件（运行于测试电脑）、测试电缆及插头。

整体系统应用示意图如下所示：

测试电脑用于运行上位机软件，上位机软件提供人机交互界面并通过以太网通讯向探测器线圈参数及电缆测量装置发送测试指令，探测器线圈参数及电缆测量装置根据测试指令进行测试并返回测试结果，上位机软件接收测试结果、判断是否合格并显示。

探测器线圈参数及电缆测量装置设备用于实现对被测线圈的绝缘测试、电阻测试、电容测试、电感测试。其中，绝缘测试采用自行研发的绝缘电阻测量卡实现，电阻、电容、电感测试采用标准外购成品LCR数字电桥实现。由于LCR数字电桥仅可提供一组测量通道，而用户被测通道共计有33×7=231组，因此设计6张接口卡用于进行测量通道的切换。

2.1.2功能结构

探测器线圈参数及电缆测量装置设备中设计控制器作为控制核心，该卡件可通过以太网与上位机进行通讯，接收测试指令并通过SPI通讯控制接口卡中的切换电路进行信号测量通道切换、SPI通讯控制绝缘电阻测量卡进行绝缘电阻测量并接收测量结果通过RS232通讯控制LCR数字电桥进行电阻、电容、电感的测量并接收测量结果。

其整体功能结构示意图如下所示：

2.1.3硬件实现

探测器线圈参数及电缆测量装置整体设计为1个3U高度19英寸机箱，内部采用前插卡式结构，包括控制器卡1张（提供1路以太网通讯接口）、绝缘电阻测量卡1张、背板1张、电源模块1个、LCR数字电桥一台。

探测器线圈参数及电缆测量装置内部组成示意图如下所示：

2.1.4绝缘电阻测量卡设计

绝缘电阻测量卡是测量绝缘阻抗的板卡，将背板输入直流5V在经过隔离DC/DC升压模块将其升压至高压直流电；通过此方式输出的高压直流电再经过板载电源保护电路后输出到后端，用于绝缘阻值测量。升压后的电源电压设计的保护电路作用是防止因电压不稳定而导致破坏后端其他功能电路。

2.1.5接口卡设计

接口卡用于接收控制器的指令，进行测量通道的切换。其中切换功能通过52路继电器实现。切换电路示意图如下所示：

同时，绝缘电阻测试完成后的放电操作也是通过接口卡中的切换电路实现的。

2.1.6  LCR数字电桥

LCR数字电桥选购标准成品TH2817B+，用该设备进行电阻、电容、电感测试，此设备基本测量准确度为0.1%，满足使用需求。

2.2软件实现

2.2.1软件架构

本软件整体结构设计为上下位机结构，上位机为测试电脑、下位机为控制器卡，上位机运行Windows操作系统，使用Labview软件进行测试软件的开发，下位机运行嵌入式软件。软件整体架构如上图所示。

2.2.2测试流程

当被测设备接入自动化测试装置时，设备将进行如下测试流程：

①设备上电；

②设备自检：检验设备工作状态是否正常；

③运行上位机软件，选择测试模式；

④信号自检测试（包括线缆连接测试）；

⑤接入被测设备；

⑥测试：

a）测试过程中，对电压电流进行实时监测；

b）具有供电保护电路，对被测设备供电电源进行限制与管理；

c）操作人员可根据需求进行测试记录生成。

⑦信号断开：所有功能测试无误后，断开信号。

⑧关闭电源。

在整个测试过程中，只需一次接线，即可完成所有的测试，不需要进行反复的插针操作。

3测试结果与分析

3.1设备实物

自动测试装置实物示意图如下所示：

3.2功能测试结果

3.2.1测量精度

自动测试装置所实现测量精度满足现场使用需求，具体如下所示：

3.2.2测量效率

3.2.2.1全项测试

采用自动测试装置进行测试项全项测试的结果如下所示：

3.2.2.2单项绝缘电阻测试

采用自动测试装置进行单项绝缘电阻测试的结果如下所示：

3.2.2.3单项电阻、电容、电感测试效率

电阻、电容、电感单项测试效率如下表所示：

由上表可知，电阻、电感、电容的测试效率与测试的频率相关。

3.3测量结果分析及后续优化方向

根据本次核电厂棒位系统探测器及其电缆性能检测技术研究，所选择的测量方式可满足电厂大修时的测试需求，后续的优化方向为通过调整测量策略进一步提高测量效率，同时增加测量数据分析系统，用于对探测器及其电缆的参数进行跟踪分析。

4.总结与展望

通过对性能检测技术的研究以及自动测试装置的研制，对本文描述的检测技术的优点进行总结并对后续技术优化进行展望。

本文提出的检测技术相比原方法的优势如下：

1.节省工作时间：利用本设备完成单次正常检修工作耗时30分钟，对比耗时近3.5小时原方法模式，可以节省近3个小时左右的工期。

2.完善检修方法：本设备可以实现直流电阻、绝缘电阻、电容、电感四个标准现场参数，比原方法仅仅测量直流电阻和绝缘电阻完善了对线圈特性的技术要求。

3.节省人力：新方法应用核电厂的专业性，只需要一名操作人员实施，由于方法和设备的智能性，无需监护、记录人员，还能避免人工操作的失误、差错和不规范性，对比原方法四人工作小组，本方法在节省人力上有很大优势。

4.安全高效：由于设备具有全自动和隔离保护功能，避免了设备损伤、人员触电等工作风险，在安全上有很大的提高。

5.智能专业：本设备在核电厂棒位探测器检修工作的适配程度高，符合了核电厂检修高标准、高安全、高自动化的各类要求，比传统的人力检修上实现了核心工作的专业化和智能化程度。

在本次研究的基础上，将进一步开展效率提升和数据分析的研究，使得电厂后续检修和维护工作过程更加智能化。

参考文献：

[1] 徐洪权，薛丰进. 感性绕组直流电阻快速测试仪的研制[J]. 盐城工学院学报（自然科学版），2009，22（1）：46-48.

[2] 白冰，周建明，吕永红. 压水堆核电站棒位探测器样机设计及试验研究[J]. 核电子学与探测技术，2013，33（12）：1515-1518.

[3] 周启明，王春明，侯月文. 线圈参数综合测试系统[J]. 自动化与仪表，1999，14（6）：85-89.

[4] 应柏青，李瑞程. 空心线圈交流参数的测定[J]. 高校实验室工作研究，2006（3）：19-20.

[5] 郭华. 电感磁线圈间分布电容的研究与测试[J]. 微电机，2010，43（9）：109-112.

[6] 高剑森，王帆. 电感线圈分布电容对电学测量的影响与修正[J]. 煤矿机电，2010（6）：46-47.

[7] 韦在凤，黄志强. 薄膜结构线圈绝缘的检测方式[J]. 电机技术，2013（1）：54-61.

作者简介：卢建（1994-），男，江苏南通人，武汉大学，核工程与核技术，本科，仪控检修，主要从事反应堆堆外核测系统技术研究与应用。