某核电厂DCS机笼模件烧毁根本原因分析

牛茂龙　张国军　郑军伟

【摘 要】随着核电厂自动化程度的提高，DCS在核电厂中的应用越来越广泛，DCS中的电路板容易受外界强电或感应电影响而损坏。文章介绍了某核电厂调试期间电气配电盘感应电引起DCS机笼模件烧毁的过程分析及感应电产生的原因。这种分析问题的方法和思路对解决DCS受干扰问题有一定指导和借鉴意义。

【关键词】核电厂；电气配电盘；感应电；DCS；IO模件

中图分类号： TM623 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）04-0129-002

The Root Cause Analysis of DCS Cage Mould in a Nuclear Power Plant

NIU Mao-long ZHANG Guo-jun ZHENG Jun-wei

（China guangdong nuclear engineering co.，LTD.，shenzhen guangdong 518000，China）

【Abstract】With the improvement of the automation degree of nuclear power plants，DCS has become more and more widely used in nuclear power plants，and the PCB in DCS can be damaged by external strong electricity or inductive power.This paper introduces the process analysis and the causes of the burning of DCS cage mold by electric distribution panel during the commissioning of a nuclear power plant. The method and idea of this kind of analysis are helpful to solve the interference problem of DCS.

【Key words】Nuclear power plant；Electric switchboard；Induction；DCS；IO module

0 引言

某核電厂是我国在翻版加改进的基础上自主设计、建造的百万千瓦级压水堆核电厂，采用了德国西门子公司的非安全级Teleperm-XP和安全级Teleperm-XS全数字化DCS仪控系统。在调试过程中，发生了DCS控制柜机笼模件烧毁的事件。经调查分析，确认了电气配电盘产生感应电是模件烧毁的根本原因。设备厂商对电气配电盘现场改造后彻底消除了感应电的产生，排除了DCS系统安全运行的一个隐患。

1 事件概述

2010-11-18 15点37分某核电厂2号机主控室监视画面突发烟雾探测报警，同时操纵员接到现场工作人员报警电话，报告4LX厂房房间4KCP561AR控制柜冒出烟雾且伴有火花。经现场检查4KCP561AR机柜，发现6个机笼电源分配保险熔断，CA层IO模件工作指示灯全部处于报警状态，柜内CA层机笼模件有烧焦痕迹，电路板焊锡融化，如图1。

随后仪控专业牵头、电气和工艺系统专业配合的调查小组对事件原因进行调查分析。

2 原因查找

西门子Teleperm-XP（T2000）DCS系统包括控制柜、端子柜与电源柜等，每台控制柜主要由CPU、IO模件及附属元件组成，机笼背板是机柜总线的一部分，负责CPU与IO模件的通讯，并给IO模件分配工作电源。其通过控制电缆与现场设备连接[1]。

2.1 DCS报警信息分析

DCS事故追忆记录显示，事件发生（15点37分）前CA层机笼043槽位的FUM210模件频发通道故障报警信息。043槽位配置FUM210开关量输出模件，控制4台设备：4GSS201VV、4GSS251VV、4GSS252VV、4GSS290PO。经查记录，附近时间段只有4GSS290PO有设备状态变化及异常报警信息，诸如：反馈故障、现场设备低电压、控制回路故障、试验位故障等。

FUM210模件是Teleperm-XP非安全级DCS系统最常见的IO模件之一，广泛应用于现场开关量设备的输入输出，是使用数量最多的部件级DCS设备。该模件集成了标准化的DCM（Drive Control Module驱动控制模块）模块，用于现场两位式控制设备的控制驱动和状态采集。该集成策略有利于DCS软硬件的便捷组态和系统的标准化设计，功能非常强大。该核电厂设计中并未选用DCM的全部功能，比如：试验位置、低电压、控制回路故障等DI点并未接入DCS。FUM210与电气配电设备典型控制接口信息如图2所示。

DCS数字化IO模件对开关量输入触点逻辑0/1的判断是基于通道端采集到的电压值，高过一定阈值认为是高电平1（对应逻辑量1），低于一定阈值认为是低电平0（对应逻辑量0）。而4GSS290PO并未接入DCS的“试验位置、低电压、控制回路故障”等DI点发出报警信息（逻辑量1报警，对应高电平），说明这些通道端口电压被抬高并超过DCS系统中高电平1的判断阈值。用万用表测量该机柜所有外部电缆，未发现有超过交、直流24V的电压存在。

2.2 电气配电盘上的检查测试

4GSS290PO是一台380V交流电机泵，其与DCS的控制连接如图2所示。调查小组在电气配电盘侧检查电缆端接无误，对4GSS290PO做好安全措施后，对配电盘进行了检查测试，测量工具为数字万用表FLUKE287，试验测试记录数据如下表1：（各种试验情况下，电机状态反馈端子直流电压分量均为0 VDC。）

从试验结果看，电气配电盘上电机状态反馈控制电缆上产生了较高的感应电压。电机加热器的投切对产生感应电贡献较大（隔离位置时，投入电加热器增大了31-10=21VAC；工作位置时投入电加热器增大了41-11=30VAC）；电机停止状态下，电气配电盘由隔离状态转变到工作状态，只增加了1VAC的感应电压变化，而电机运行与否对产生感应电压的变化没有贡献。查DCS系统手册得知，无论是92VAC的峰值电压，还是41VAC的稳态电压值，都可能对DCS内部的精密电子元件造成损伤[2]。

2.3 电气配电盘产生感应电的原因分析

检查电气配电盘内部电缆布置，发现盘内控制电缆、动力电缆走线布置不合理。受电加热器启停设计方案及配电盘元器件布局影响，电加热器的启停直接由配电盘接触器的辅助接点连锁控制实现，即在图2中送到DCS去的状态反馈弱电信号线与电机加热器220VAC线共用同一走线槽，强弱电缆混合布置易导致弱电信号受强电电磁场干扰。

DCS控制电缆屏蔽层在进入配电盘前统一接地，配电盘内部控制电缆线芯不含屏蔽层，线芯中产生的感应电干扰不能被屏蔽层有效屏蔽，故感应电会通过线芯经少量衰减后直接作用于DCS系统IO模件的输入通道中[3]。

2.4 本次DCS控制柜机笼烧毁的机理分析

2.4.1 感应电的电压很高，但电量很小

试验中虽然感应电的电压很高，实测峰值达到92VAC，实际可能更高（FLUKE287数字式万用表的响应时间较指针式万用表长），但其电量很小——用电流档对地没有测量到有明显的交、直流电流，微小的电量不足以烧毁机笼、将焊锡熔化。但这种电压尖峰容易击穿高密度集成电路上的电子元器件，在电路板外表并不会看到异常。

2.4.2 感应电击穿精密电子元器件，同时击破了DCS模件的“安全屏障”

DCS系統IO模件的主体是布置数量庞大二极管、三极管、电阻、电容的超大规模集成电路板，静电或感应电尖峰极易引起电路或芯片中微小电子元器件击穿，导致电路板线路或“断路”或“短路”，进而影响整体功能。“断路”通常表现出工作异常，而“短路”则可能引起模件供电电源接地，产生较大电流，使电路板局部发热烧毁。

2.4.3 1号机相同位置电气配电盘曾引发相同位置DCS机笼工作异常

2010年6月16日，该核电厂1号机组3GSS290PO启动后突发电机状态反馈故障报警。经检查，在CA043槽位模件上测量到了不正常的电压等级：19.85VDC、 19.92VDC、 21.5VDC、21.18VDC、 21.39VDC等。DCS系统中只有24VDC和5VDC两个标准电压等级，不正常的电压等级表明电路板有降压电子元器件被击穿，使得“线路”受损，产生了不同的电压降，但外表检查并未发现异常。更换控制柜机笼模件后，设备状态显示重回正常，再验证试验通过。

2.4.4 控制柜机笼模件受感应电干扰流程图

由以上原因查找过程，绘制控制柜机笼模件受感应电干扰烧毁流程图如图3所示。

3 原因分析及纠正措施

综上所述，此次DCS控制柜机笼模件烧毁的直接原因及根本原因如下：

直接原因：电气配电盘产生的感应电击穿了DCS机笼模件中精密电子元器件，击破了模件的“安全屏障”，导致模件供电电源接地，电路板局部发热烧毁。

根本原因：电气配电盘内部强弱电走线布置不合理，导致弱电信号线缆受到动力线缆较强的电磁干扰而在线芯中产生较强感应电。

由根本原因分析结果，制定纠正措施要求设备厂商在不改变电气配电盘图纸设计的情况下，优（下转第121页）（上接第130页）化电气配电盘布置设计，按相关布线标准重新规划了强弱电线缆在配电盘内的走线布置。纠正措施完成后，在相同条件下重新做3.2章节的电气盘试验，弱电端子上测得的感应电压最高值在3VAC以下。经验证，对DCS正常运行无影响。

4 结束语

无论是在常规电厂还是在核电厂的调试过程中，DCS系统发生模件烧毁事件是比较常见的现象，但原因大都比较明了，基本上是由于电缆端接错误引起强电串入。而此次机笼模件烧毁实质上是一个“二次伤害”事件，根本原因比较隐蔽。设备厂商在做相应改造后彻底消除了电气配电盘感应电的产生，并在已商运的机组进行推广实施。这种分析问题的方法或思路对解决此类感应电干扰问题有一定指导和借鉴意义。

另外，通过事实论证了DCS设备防静电、防电磁干扰措施的必要性，有利于核电厂完善数字化仪控系统的管理程序和操作规范。

【参考文献】

[1]郑伟，西门子TELEPERM XP分散控制系统技术及其应用[J].河北电力技术，2003，22（1）：31-34.

[2]张国金.吹灰器信号回路产生感应电的原因及解决办法[J].中国高新技术企业，2012，15（05）：77-78.

[3]田茂彬.DCS控制系统模件烧损原因及预防措施[J].中国科技信息，2007，10：94-96.