核電廠跳機(jī)電磁閥供電卡件研究與優(yōu)化

林裕海

（中廣核核電運(yùn)營有限公司，廣東 深圳 518124）

1 引言

核電廠汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門多次發(fā)生由于跳機(jī)電磁閥供電卡件故障導(dǎo)致閥門異常關(guān)閉，本文根據(jù)核電廠的汽輪機(jī)閥門控制原理，板件設(shè)計(jì)，以及目前板件存在的缺陷進(jìn)行論述，并提出優(yōu)化方案。

2 汽機(jī)閥門控制邏輯簡(jiǎn)介

核電廠汽輪機(jī)由1個(gè)高壓缸、2個(gè)低壓缸和8路進(jìn)氣管線組成。每路進(jìn)氣管路上有1個(gè)GRE調(diào)節(jié)閥和1個(gè)GSE截止閥。其中GRE調(diào)節(jié)閥控制回路有2個(gè)跳機(jī)電磁閥和1個(gè)伺服閥，正常運(yùn)行時(shí)跳機(jī)電磁閥得電勵(lì)磁，截?cái)喔邏阂簤河突赜?，由伺服閥調(diào)節(jié)高壓液壓油來控制閥門開度，響應(yīng)汽機(jī)負(fù)荷的變化；GSE截止閥有2個(gè)跳機(jī)電磁閥和1個(gè)開關(guān)電磁閥，正常運(yùn)行時(shí)跳機(jī)電磁閥得電勵(lì)磁，開關(guān)電磁閥失電通過高壓液壓油，將截止閥開啟。因此閥門上的跳機(jī)電磁閥主要作用是響應(yīng)汽機(jī)的危急保護(hù)，任一跳機(jī)電磁閥失電該閥門將快速關(guān)閉。電磁閥供電由機(jī)柜兩塊SIM326卡件進(jìn)行供電，邏輯控制觸發(fā)跳機(jī)電磁閥控制指令時(shí)，將通過兩個(gè)互為冗余的卡共同驅(qū)動(dòng)閥門的開啟和關(guān)閉。兩塊卡的指令輸出端接入穩(wěn)壓端子排的同一個(gè)端子，通過穩(wěn)壓端子排將指令送就地閥門本體的BC接線端子盒，再轉(zhuǎn)接至就地跳機(jī)電磁閥控制線圈。跳機(jī)電磁閥供電卡件是西門子SIM326DO輸出卡，當(dāng)fail safe邏輯控制觸發(fā)跳機(jī)電磁閥控制指令時(shí)，將通過兩個(gè)互為冗余的卡共同驅(qū)動(dòng)閥門的開啟和關(guān)閉。兩塊卡的指令輸出端接入穩(wěn)壓端子排的同一個(gè)端子，通過穩(wěn)壓端子排將指令送就地閥門本體的BC接線端子盒，再轉(zhuǎn)接至就地跳機(jī)電磁閥控制線圈,電磁閥供電接線圖如圖1所示：

圖1 電磁閥供電簡(jiǎn)圖

2.1 閥門快速關(guān)閉原理介紹

當(dāng)有跳機(jī)信號(hào)時(shí)或者操作員在畫面上手動(dòng)點(diǎn)擊跳機(jī)電磁閥關(guān)閉指令A(yù)-OFF時(shí)，跳機(jī)電磁閥失電，閥門快速關(guān)閉。跳機(jī)電磁閥關(guān)閉的同時(shí)會(huì)將觸發(fā)開關(guān)電磁閥帶電指令，并且電磁閥的開關(guān)指令將送fail safe邏輯，最終驅(qū)動(dòng)卡件通過硬接線輸出24V電壓控制電磁閥。

2.2 SIM326卡件的信號(hào)回路介紹

SIM326安全故障型卡件是用于DO輸出，每個(gè)板件具有10個(gè)24V/2A開關(guān)量輸出通道，可以單個(gè)使用也可以冗余使用。在核電廠現(xiàn)場(chǎng)DO輸出都是冗余使用。當(dāng)信號(hào)通道指令為1時(shí)，Output driver信號(hào)放大器將指令信號(hào)放大，通過24端子輸出24V電壓控制就地電磁閥。為了防止冗余通道電壓逆流傳入卡件通道，24端子帶防逆流二級(jí)管。兩卡件電氣原理圖如下：

圖2 卡件接線原理圖

圖3 為卡件集成電路

圖2 中紅框的二極管為雙向瞬變電壓抑制二極管，是在穩(wěn)壓管工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。當(dāng)TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，它能以極高的速度（最高達(dá)1*10-12秒）使其阻抗驟然降低，同時(shí)吸收一個(gè)大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。

由圖3可看出：在目前的連接方式中，當(dāng)JXK元器件處于短路失效狀態(tài)時(shí)，兩路功率輸出器件L6370D器件輸出信號(hào)都經(jīng)過JXK器件至地，使兩路輸出同時(shí)失效。從該種失效模式來看，兩個(gè)板件沒有實(shí)現(xiàn)完全的冗余功能。任意一個(gè)JXK器件短路，都會(huì)使輸出通道失效，降低了DO通道安全性能。

由上可見，卡件在以下情況是可以實(shí)現(xiàn)冗余：在單個(gè)卡件故障、失去供電，或卡件信號(hào)通道非公共部分?jǐn)嗑€時(shí)，兩個(gè)卡件對(duì)應(yīng)卡件可以構(gòu)成冗余。

在以下條件時(shí)，卡件失去冗余功能：

①兩個(gè)卡件對(duì)應(yīng)信號(hào)通道的公共部分存在接地或斷線，導(dǎo)致兩路信號(hào)電壓輸出同時(shí)失去；于兩個(gè)卡件對(duì)應(yīng)信號(hào)通道的公共部分存在斷線，導(dǎo)致兩路信號(hào)的輸出均無法構(gòu)成電流回路；③兩個(gè)卡件對(duì)應(yīng)信號(hào)通道的如下單獨(dú)部分存在接地，因?yàn)榛芈凡⒔訉?dǎo)致兩路信號(hào)電壓輸出同時(shí)失去；④兩個(gè)卡件對(duì)應(yīng)信號(hào)通道中的某一個(gè)存在內(nèi)部故障，導(dǎo)致并接的兩路信號(hào)電壓輸出同時(shí)失去。

3 優(yōu)化方案

板件設(shè)計(jì)優(yōu)化一：作為安全保護(hù)器件失效不應(yīng)該影響板件基本功能，建議在電壓瞬態(tài)抑制二極管串聯(lián)上串聯(lián)自恢復(fù)保險(xiǎn)作為保護(hù)，如圖4所示，當(dāng)二極管短路時(shí)，自恢復(fù)保險(xiǎn)處于熔斷狀態(tài)，不影響DO通道的輸出功能。由于保險(xiǎn)有一定的內(nèi)阻，會(huì)影響到電壓瞬態(tài)抑制二極管的電壓吸收效果，需在此設(shè)計(jì)時(shí)平衡。

圖4 板件輸出電路參考圖

板件設(shè)計(jì)優(yōu)化二：兩個(gè)通道并聯(lián)的目的是為了提高通道安全性能，原電路設(shè)計(jì)卻降低了通道的安全性。建議在下游電路中增加D6，D7單向?qū)ǘO管（圖5紅框），如圖5所示,實(shí)現(xiàn)單個(gè)板件短路故障時(shí)，下游負(fù)載仍然可以正常工作，實(shí)現(xiàn)真正意義上的冗余，提高輸出通道的可靠性。

圖5 電路連接參考圖

4 結(jié)論與總結(jié)

通過上述內(nèi)容可知，優(yōu)化方案可以基本解決現(xiàn)在跳機(jī)電磁閥供電卡件設(shè)計(jì)存在的缺陷，同時(shí)盡可能的減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的改造工作，最終可以實(shí)現(xiàn)提高核電廠汽輪機(jī)閥門跳機(jī)電磁閥供電DO卡冗余的可靠性，減少對(duì)設(shè)備的非必要損傷。