核电厂应急厂用设备停运故障分析及改进研究

许金泉，徐 颖，张 强，孙乐华

(中广核工程有限公司核电安全监控技术与装备国家重点实验室，广东 深圳 518172)

0 引言

核电厂应急厂用设备用于在核电机组发生事故时维持反应堆处于安全状态，以及防止机组设备发生重大损坏[1]，是确保核电机组安全、稳定运行的关键敏感设备。该设备功能的正确性和完整性需要得到充分保证。某中国改进型三环路压水堆(China pressurized reactor 1000,CPR1000)核电厂在调试启动阶段执行柴油发电机重新加载试验。当6.6 kV交流应急配电盘负荷卸载后，重要厂用水泵等8台中压应急厂用设备在停运过程中出现反复启停现象，持续时间约为2.3 s。核电厂应急厂用设备出现停运故障属于重大设备缺陷，直接威胁到机组的核安全。因此，有必要对上述故障的排查及处理进行研究，以确保机组安全。

本文对上述某核电厂应急厂用设备停运故障进行了分析，确定了故障原因及机理，结合国内多个核电厂出现的同类问题对不同故障处理方案进行了分析比较，给出从根本上消除故障及排除隐患的改进建议。该研究对于核电厂同类问题的预防和处理具有参考意义。

1 背景概述

1.1 驱动控制原理

某核电厂中压应急厂用设备由6.6 kV交流配电系统提供动力电源，通过电气开关盘接触器(或断路器)控制动力电源的通断。设备启停控制指令由仪表及控制系统驱动控制模件发出，通过开关盘直流控制回路(二次回路)驱动接触器分合闸动作，以实现设备的启停控制。驱动控制原理如图1所示。

图1 驱动控制原理示意图Fig.1 Drive control schematic diagram

图1中：CMDON为启动指令；CMDOFF为停运指令；CONTROL为指令确认；TLON为启动反馈；TLOFF为停运反馈；TP为试验位；CS为触电电源；001XR为远程合闸继电器；002XR为远程分闸继电器；001XD为跳闸继电器；001XF为合闸继电器；YM为接触器保持线圈；YF为接触器合闸线圈；001JA为接触器辅助触点；SQ1为接触器位置开关；M为电机。

当设备启动时，驱动控制模件发出启动指令，001XR励磁动作，001XF励磁动作，YF带电，接触器动作合闸，设备启动运行。接触器合闸后，YM带电，接触器保持在合闸位置，设备保持运行状态。当设备停运时，驱动控制模块发出停运指令，002XR励磁动作，001XD励磁动作，001XF失磁动作，YM失电，接触器动作分闸，设备停止运行。

1.2 故障现象描述

某核电厂安全级仪控系统采用AREVA TXS系统，配备AV42型优选驱动控制模块。中压交流配电系统采用Schneider AD2C型接触器盘柜，配备R400N型接触器。针对某核电厂中压应急厂用设备出现的停运故障，在试验位复现，并通过高速记录仪记录设备停运过程中的指令及反馈信号。停运故障信号录波如图2所示。由图2可知，AV42模件接收到的TLON及TP出现频繁反转现象，反转时间间隔约为50 ms。AV42模块发出CMDOFF及AV42模件用于反馈回路供电的CS也出现频繁反转现象。而CMDON和TLOFF在此过程中状态保持不变。

图2 停运故障信号录波Fig.2 Shutdown fault signal recording

2 故障原因分析

2.1 过流保护动作

通过对设备停运过程中动力回路电流值的监测可知，设备并未真实启停，即接触器并没有实际动作分合闸。上述设备反复启停现象是由虚假的TLON信号所造成的假象。这与TLOFF信号在此过程中保持不变的现象一致。对反馈回路进行分析。由于CS端为反馈回路公共端(供电电源)，且TLON、TP与CS信号同步出现频繁反转，据此判断故障是由CS端所引发的。将AV42模件CS端接线拆除，并外接24 V直流电源。验证结果显示，接触器能够正常分闸，且分闸过程中的指令及反馈信号均显示正常，由此可将故障定位至AV42模件CS端。

根据AV42模件工作原理，其驱动回路具有过流保护功能。当回路过载时触发保护动作，输出信号截止。当故障消除时，回路自动恢复正常运行。对设备停运过程中的反馈回路进行监测，可监测到反馈信号回路中存在反向电流，最大瞬时电流值达17 A。由此可判断，在设备停运过程中AV42模件CS端触发过流保护动作后自动恢复，并循环反复，直至故障机制最终消除。

2.2 反馈回路串扰

对AV42模件反馈回路反向电流来源进行分析排查，以仿真装置替代接触器盘柜进行测试。测试结果表明，分合闸动作正常且指令及反馈信号均显示正常。因此，可排除AV42模件及其与接触器盘柜间电缆存在的故障，并可判断反向电流来源于接触器盘柜。开关盘柜通常被认为是重要的电磁干扰源，不仅高压开关的动作会产生瞬态高频干扰，二次设备相互间也会产生串扰[2]。接触器盘柜二次回路中继电器和接触器线圈均为感性负载，在通电后会产生磁场，并以磁场的形式储存能量。当电磁线圈断电后，线圈中的电流迅速下降，在线圈中会产生反向的感应电压，以释放线圈中存储的磁场能量。该反向电压的脉冲上升沿很陡，包含丰富的高频成分。此时，在附近的信号电缆由于电缆间的分布电容，会通过电场耦合产生容性串扰，从而在信号电缆中产生含有高频成分的感应电流[3]。

接触器结构如图3所示。

图3 接触器结构简图Fig.3 Contactor structure sketch

在设备停运过程中，001XF和YM均会失电。但由于在设备启停动作过程中均涉及继电器失电，而故障现象仅出现在设备停运过程中，因此可排除001XF失电产生串扰的影响。同时，由于YM的功率(1 200 W)远大于001XF线圈的功率(2 W)，因此考虑保持线圈作为主要的电磁干扰源。进一步对接触器盘柜内部结构进行分析发现，保持线圈与辅助触点位置接近且电缆路径一致。由此可判断，在设备停运过程中，保持线圈失电后在回路中产生了反向的瞬变电压，并通过电场耦合在反馈回路中产生串扰，从而产生感应电流，并触发AV42模件过流保护动作。

2.3 动作时间耦合

分析设备停运过程中信号频繁反转的故障机制。当AV42模件触发过流保护动作时，CMDOFF指令消失，远程分闸继电器002XR失磁，跳闸继电器001XD失磁，合闸继电器001XF励磁，接触器保持线圈重新得电。根据R400N型接触器技术数据，002XR常开触点断开时间为1.8～2.5 ms，001XD常闭触点闭合时间为2.6～5 ms，001XF常开触点闭合时间小于40 ms。因此，从CMDOFF指令消失至接触器保持线圈重新得电这一过程的时间小于47.5 ms。而接触器分闸时间为30～50 ms，与上述继电器动作时间接近。

当AV42模件触发过流保护动作后，接触器分闸成功与否存在不确定性。当接触器分闸时间小于上述继电器动作时间时，接触器能够成功分闸。当接触器分闸时间大于上述继电器动作时间时，接触器无法成功分闸。当反馈信号回路中的干扰电流消失后，AV42模件过流保护自动复位，CMDOFF指令随即恢复，并重新开始接触器的分闸过程。但由于接触器保持线圈在失磁过程中会再次产生干扰，并触发AV42模件过流保护，由此循环重复，直至接触器分闸时间能够躲过过流保护后的继电器动作，接触器才分闸成功。

3 故障处理及讨论

3.1 故障处理方案

3.1.1 抑制反向干扰电流

由上述故障原因分析可知，反馈信号回路中的反向干扰电流触发AV42模件过流保护动作是导致设备停运故障的原因之一。因此，从过流保护动作的角度出发，利用二极管正向导通、反向截止的特性，通过在设备反馈信号回路中反向串联二极管以截断反向的干扰电流，可以避免AV42模件触发过流保护动作，从而使得设备能够正常停运。

串接二极管方案如图4所示。

图4 串接二极管方案Fig.4 Seriol diode scheme

本文所论述的国内某核电厂采用了串接二级管的处理方案。实际应用结果表明，该方案能够有效消除上述设备停运故障。但该方案实际上是取消了AV42模件反馈信号回路的反向过流保护，改变了设备的原设计功能。同时，在反馈信号回路增加了新的元器件，引入了新的故障点。当二极管发生故障时，会导致反馈信号故障或处理方案失效。

3.1.2 调整继电器动作时间

由故障原因分析可知，继电器动作响应时间快于接触器分闸动作时间是导致接触器分闸不成功、设备无法正常停运的原因之一。因此，从继电器动作响应时间的角度出发，通过在远程分闸继电器002XR上反向并接二极管实现继电器线圈断电后的续流以延缓继电器动作响应时间，可以保证接触器的成功分闸，使得设备能够正常停运。并接二极管方案如图5所示。

图5 并接二极管方案Fig.5 Parallel diode scheme

国内某欧洲压水堆(European pressurized reactor,EPR)核电厂安全级仪控系统同样采用了AREVA TXS系统，配备AV42型优选驱动控制模块。该EPR核电厂在调试启动阶段也出现了同类的设备故障，并采用了并接二极管的处理方案。应用效果表明，该方案也能有效消除上述设备停运故障。但该方案改变了接触器盘柜二次回路的继电器动作响应时间，并在接触器盘柜二次回路增加了新的元器件，引入了新的故障点。这会在二极管发生故障时导致处理方案失效或引发设备拒动故障。

3.1.3 改变反馈回路供电

根据故障排查过程可知，将AV42模件CS端接线拆除，并接连至外部24 V直流电源，接触器能够正常分闸，且分闸过程中的指令及反馈信号均显示正常。因此，通过将反馈信号回路由AV42模件供电改为由外部电源供电，也可以避免触发AV42模件过流保护动作，使得设备能够正常停运。

国内某俄罗斯水-水高能反应堆(vodo-vodyanoi energetichesky reactor,VVER)核电厂安全级仪控系统同样为AREVA TXS系统，采用AV42型优选驱动控制模块。该核电厂在运行阶段，部分AV42模件驱动设备在动作时出现故障报警[4]。经分析，故障机制同样为设备动作时的电磁干扰触发AV42模件过流保护动作。该VVER核电厂采用了更改反馈电源的处理方案，经验证能够有效消除上述故障。该方案改变了AV42模件反馈信号回路的供电方式，同时也取消了AV42模件反馈信号回路的过流保护，改变了设备的原设计功能；同时，该方案引入了外部供电电源，所以需要保证电源的可靠性。当电源发生故障时会导致反馈信号故障并存在设备损坏的风险。反馈外接电源方案如图6所示。

图6 反馈外接电源方案Fig.6 Feedback external power supply scheme

3.2 故障处理讨论

根据故障机理，反馈回路串扰是故障的根本原因。在叠加过流保护动作以及动作时间的耦合后会导致设备的停运故障。从以上任意一点出发，均可消除故障。反馈回路的串扰从本质上是电磁干扰的问题。电磁干扰的产生需要具备3个基本条件，即干扰源、耦合路径和敏感设备。在本文所论述的问题中：接触器保持线圈是干扰源；反馈信号回路提供了干扰的耦合路径；驱动控制模件、二次回路继电器以及接触器本身均可视为敏感设备。

消除或抑制干扰源是根本的解决方案，但通常需要在设备的设计和研发阶段加以考虑。中压开关设备由于其大功率直流感性负载的固有特性，作为典型的电磁干扰源本身难以被彻底消除，只能通过一定的措施来加以抑制。切断耦合路径是有效的解决方案。针对本文所论述的问题，通过调整接触器保持线圈与辅助触点的位置以及二次回路与反馈回路的电缆布置，可以消除或削弱反馈信号回路中的串扰。但由于该方法涉及对接触器内部结构的调整，实施难度较大。在消除干扰源和切断耦合路径不具备可行性的情况下，提高敏感设备的抗干扰能力是较为实际的选择。本文所论述的3种故障处理方案均从敏感设备的角度出发，保证了设备在干扰下的工作能力，但同时也牺牲了部分设备功能。

消除系统设备在设计和制造之后发生的电磁干扰问题通常代价高昂且难以达到理想的效果，而在系统设备的设计研发阶段解决电磁兼容问题往往代价更低也更为有效。在设计研发阶段，应当对系统设备所面临的电磁环境作出准确的预估，遵循先进的电磁兼容技术规范，进行严格的测试认证。目前，业界针对单系统设备的电磁兼容问题均已开展了大量的研究和实践，并形成了通用的测试方法和标准[5-9]。但由于环境的复杂和接口的多样，系统设备间的电磁干扰问题仍然时有发生且往往较为隐蔽，成为对机组安全性和可靠性的重要威胁。系统设备间的联合测试可以作为提前识别及处理跨系统电磁干扰的重要手段，而对于典型的电磁干扰问题尤其应当予以重点关注，并反馈、迭代到同类系统设备的设计研发过程中。

4 结论

某核电厂应急厂用设备停运故障是典型的、由于中压开关设备对数字化控制系统产生的电磁干扰所引发的设备故障。由于核电厂系统设备的多样化及环境条件的复杂性，在试图充分描述特定电厂位置的电磁环境方面仍然存在着不确定性。通用的电磁兼容测试方法和标准往往不能全面地反映核电厂系统设备的电磁兼容认证和测试要求。同时，基于核电厂系统设备各个组成部分单独进行的电磁兼容测试，并不能保证集成后整体系统设备的电磁兼容，在特定的条件下仍可能由于相互之间的电磁干扰而导致故障或事件的发生。对于核电厂系统设备电磁兼容性的考虑应当贯穿系统设备的全生命周期[10]。同时，对于核电厂系统设备间的电磁兼容性应当从系统工程的角度给予更全面和充分的考虑。