除碘凈化排風(fēng)機跳閘的原因分析及設(shè)備管理

劉爭光

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

貫穿區(qū)和專設(shè)安全設(shè)施泵房除碘凈化排風(fēng)系統(tǒng)，在正常運行工況及事故工況下都連續(xù)運行，即使在罕見的失水事故（LOCA）和失電事故（LOEP）同時發(fā)生的情況下也需連續(xù)運行。

在某次輔助廠房安全設(shè)施泵房及貫穿區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)P2-1A試驗中，安全設(shè)施泵房和貫穿區(qū)除碘凈化排風(fēng)機P2-1A運行將近5 h時，主控發(fā)現(xiàn)P2-1A系統(tǒng)入口流量突然降低，經(jīng)查看發(fā)現(xiàn)P2-1A的控制回路開關(guān)跳閘，進而導(dǎo)致排風(fēng)機P2-1A停運。P2-1A排風(fēng)機失電，將會使貫穿區(qū)和專設(shè)安全設(shè)施泵房除碘凈化排風(fēng)系統(tǒng)喪失一臺可運行的風(fēng)機，影響除碘凈化效果，同時進入TS（技術(shù)規(guī)格書限制）計時，如7 d內(nèi)不能修復(fù)的，則退模式到熱停堆。這種缺陷給核電廠的安全運行帶來了一定風(fēng)險。為了降低核電廠的設(shè)備因缺陷而發(fā)生停運的頻度，有必要從設(shè)備的運行機理、設(shè)備的選型和設(shè)備的管理等方面來進行深入分析，提高核電廠設(shè)備的穩(wěn)定運行。

1 原因分析

安全設(shè)施泵房和貫穿區(qū)除碘凈化排風(fēng)機P2-1A跳閘，經(jīng)檢查為主控盤臺上P2-1A的運行指示紅燈燒毀以致紅燈回路短路，造成P2-1A風(fēng)機二次回路控制空氣開關(guān)跳閘，進一步導(dǎo)致P2-1A風(fēng)機跳閘（圖1）。

P2-1A電機跳閘邏輯分析如下：①RH2紅燈變壓器燒毀導(dǎo)致65#和2#短路；②二次回路QF1控制開關(guān)跳閘；③二次回路接觸器KM線圈失電；④一次回路KM接觸器觸頭不能保持吸合打開；⑤電機主回路失電，電機（風(fēng)機）失電跳閘（圖2）。

結(jié)合圖1可知，指示燈使用的是經(jīng)過變壓器的指示燈，主控紅色指示燈燒毀是指示燈內(nèi)的小型變壓器短路所致。

圖1 燒毀的紅燈

變壓器燒毀的可能原因主要有3個。

（1）電流大導(dǎo)致變壓器燒毀。該原因可以排除，指示燈為LED指示燈，電流約5 mA，P2-1A正常運行時不會電流過大導(dǎo)致變壓器燒毀。變壓器燒毀導(dǎo)致跳閘時電廠相關(guān)設(shè)備運行正常，電壓正常，電壓高的可能性可以排除。

（2）電壓高、變壓器溫升太高，散熱不良，造成變壓器燒毀。變壓器溫升過高的促成原因一般是其兩端電壓過電壓所致，而現(xiàn)場過電壓的可能性主要由感應(yīng)電所致。但結(jié)合當(dāng)天值班日志顯示P2-1A跳閘前30 min沒有主控盤臺上的其他設(shè)備啟動，也沒有主控室相關(guān)的A通道（P2-1A屬于A通道）設(shè)備的啟動。由此可知，由于A通道感應(yīng)電所致變壓器的電壓過高的依據(jù)不充足。

隨后開展測量電壓工作，當(dāng)風(fēng)機停運狀態(tài)下，P2-1A排風(fēng)機主控盤臺紅色指示燈的電壓，測量結(jié)果為P2-1A電機送電并停運。測量紅燈兩端2#—65#之間電壓3次，分別為27.2 V、27.1 V和27.2 V。

圖2 P2-1A控制原理

圖3 電路板式指示燈原理

當(dāng)風(fēng)機運行時，測量P2-1A排風(fēng)機主控盤臺紅色指示燈的電壓，測量結(jié)果為P2-1A電機運行。測量紅燈兩端電壓3次，分別為387.2 V、387.1 V和387.2 V。

從上述測量結(jié)果可知，P2-1A排風(fēng)機運行期間，紅色指示燈端電壓在正常工作范圍內(nèi)。

P2-1A跳閘當(dāng)天工作情況與上述電壓測量結(jié)果，可排除P2-1A排風(fēng)機紅色指示燈由于感應(yīng)電造成端電壓過高。

（3）匝間絕緣被破壞或損壞，導(dǎo)致匝間短路。通過把燒毀的紅色指示燈寄回廠家進行鑒定，紅色指示燈的變壓器燒毀是由于在變壓器生產(chǎn)過程中，使用了帶有缺陷或損傷的絕緣層銅線（如漆包線個別地方有氣泡等絕緣薄弱點），導(dǎo)致在使用過程中發(fā)生短路現(xiàn)象。

通過變壓器變?yōu)? V的指示燈的故障機理主要是變壓器線圈短路，從而導(dǎo)致控制電路的空氣開關(guān)跳閘。指示燈局部故障導(dǎo)致主回路的設(shè)備沒法正常運行。這種情況擴大了故障的范圍，會給核電廠的安全運行造成重大影響，從而影響核電廠的經(jīng)濟運行。

為了提高設(shè)備的可靠性，需要短路故障率低的指示燈，當(dāng)指示燈故障時，處于開路故障狀態(tài)，這樣故障范圍就不會擴大，從而減少核電廠運行的風(fēng)險。

通過調(diào)查，有一種電路板式指示燈，短路的故障機率低。有必要深入分析一下其故障模式。從而進一步優(yōu)化設(shè)備的管理。

2 電路板式指示燈故障模式分析

電路板式指示燈主要是通過電阻器、穩(wěn)壓二極管進行分壓，使交流220 V電壓變換為5 V左右的電壓，從而為發(fā)光二級管（LED）供電（圖3）。其中瞬態(tài)電壓抑制二極管用于保護浪涌過電壓，從而提高指示燈的可靠性。

圖4為電路板式指示燈的仿真原理圖，輸入電壓為220 V交流電壓，輸出電壓將近5 V左右。穩(wěn)態(tài)波形如圖5所示。其中U_LED為發(fā)光二極管兩端的電壓波形；I_LED為流過發(fā)光二極管的電流波形，有效值為1.38 mA。

分析電路板式指示燈的故障模式是為了了解該種形式的指示燈在故障的時候，會不會造成風(fēng)機控制回路短路，以防故障范圍擴大（從指示燈故障擴展到整個風(fēng)機停運）。一般情況下，控制回路的整定電流在6 A，指示燈故障，控制回路的空氣開關(guān)是否會保護跳閘，主要取決于電路板式指示燈的輸入電流I_IN會不會突變超過控制回路的整定電流6 A。

由圖3可知，電阻R3燒毀（對電阻而言就是電阻無窮大，即開路），指示燈的電源輸入端的電流I_IN會減小。R4燒毀會導(dǎo)致指示燈的發(fā)光二級管沒有電壓。由于電容C1的容抗幅值為0.02 MΩ，R2的幅值1 MΩ，二者并聯(lián)的等效阻抗取決于電容的阻抗幅值，當(dāng)電阻R2燒毀時（R2開路），對電容電阻并聯(lián)支路的阻抗影響不大，電路板式指示燈的輸入電流I_IN不會發(fā)生太大變化，在此就不在分析R2燒毀時的情形。同樣，R1開路，也不會造成指示燈短路故障。

所以后續(xù)主要分析電容C1擊穿短路、穩(wěn)壓二級管D1擊穿短路、瞬態(tài)抑制二級管D5擊穿短路等故障情況。

圖4 電路板式指示燈仿真圖

圖5 電路板式指示燈LED端電壓和電流仿真圖

2.1 電容短路故障

電容C1短路故障時的仿真圖如圖6所示。當(dāng)電容C1突然短路時，指示燈的電源輸入端電流I_IN和發(fā)光二極管兩端電壓U_LED的波形如圖7所示。從圖7可知，指示燈的電源輸入端電流I_IN的有效值從3.356 mA突變到3.668 mA。此外，從圖中可以看出，電流的瞬態(tài)峰值在10.4 mA以下。從而可知電容C1突然短路故障，不會造成指示燈的電源輸入端電流I_IN急劇變大超過二次回路的空氣開關(guān)整定電流6 A，也即不會發(fā)生短路故障。

圖6 電容短路故障時仿真圖

圖7 電容短路故障時輸入電流和LED端電壓仿真圖

2.2 穩(wěn)壓二級管短路故障

單個穩(wěn)壓二極管擊穿短路（只考慮單一故障）的仿真電路如圖8所示，指示燈的電源輸入端電流I_IN和發(fā)光二極管兩端電壓U_LED的波形如圖9所示。從圖9可知，指示燈的電源輸入端電流I_IN的有效值從3.356 mA突變到3.661 mA，電流的瞬態(tài)峰值在8.7 mA以下。因此，單個穩(wěn)壓二極管擊穿短路，不會造成指示燈的電源輸入端電流I_IN急劇變大超過二次回路的空氣開關(guān)整定電流6 A，即不會發(fā)生短路故障。

2.3 瞬態(tài)抑制二級管短路故障

瞬態(tài)抑制二極管擊穿短路時的仿真電路如圖10所示，指示燈的電源輸入端電流I_IN和發(fā)光二極管兩端電壓U_LED的波形如圖11所示。從圖11可知，指示燈的電源輸入端電流I_IN的有效值從3.356 mA突變到3.431 mA，指示燈的電源輸入電流基本沒有多少變化，電流的瞬態(tài)峰值在6.3 mA以下。所以，瞬態(tài)抑制二極管擊穿短路時，不會造成指示燈的電源輸入端電流I_IN急劇變大超過二次回路的空氣開關(guān)整定電流6 A，即不會發(fā)生短路故障。

圖8 二級管短路故障時仿真圖

圖9 二級管短路故障時輸入電流和LED端電壓仿真圖

綜上可知，電容C1擊穿短路、穩(wěn)壓二級管D1擊穿短路、瞬態(tài)抑制二級管D5擊穿短路這3種故障模式，指示燈的電源輸入端電流I_IN變化不是很大，不會造成指示燈回路短路。再結(jié)合電阻R1、R2、R3、R4燒毀開路，同樣不會造成指示燈回路短路。

圖10 瞬態(tài)抑制二極管擊穿短路故障時仿真圖

圖11 瞬態(tài)抑制二極管擊穿短路故障時輸入電流和LED端電壓仿真圖

根據(jù)上述分析，電路板式指示燈的主要故障模式造成指示燈回路短路的概率極小。

3 引發(fā)的設(shè)備管理思考

核電廠的安全、經(jīng)濟運行實際上與設(shè)備的質(zhì)量息息相關(guān)。設(shè)備的質(zhì)量又與其工作機理、質(zhì)保體系等各種因素有關(guān)。例如變壓器式指示燈的主要故障模式就是線圈短路故障，其影響面較大，即使變壓器式指示燈的質(zhì)保體系很高例如核級（Q1級），雖然可以減少變壓器指示燈的故障率，其有效使用時間變長，一旦發(fā)生變壓器線圈短路故障時，必定會造成指示燈控制回路短路故障，從而導(dǎo)致主設(shè)備（例如風(fēng)機）停運，這是變壓器指示燈的工作機理所決定的。而電路板式指示燈的元器件故障一般會導(dǎo)致指示燈本體故障，而非短路故障，不會造成故障范圍的擴大。所以，在設(shè)備選型時，需要考慮設(shè)備的故障模式，盡量選取短路故障模式概率低的設(shè)備。

設(shè)備的質(zhì)保體系是保證設(shè)備有效運行時長的根本保證，也即產(chǎn)品質(zhì)量的高低決定因素。這也是在考慮經(jīng)濟成本時，盡量選取質(zhì)保體系高的設(shè)備。此外，也要做好相應(yīng)的設(shè)備備件庫存工作。當(dāng)現(xiàn)場的設(shè)備出現(xiàn)缺陷、需要更換時，充足的庫存是給故障搶修提供了有利保障。

所以，只有從多個方面去綜合考慮設(shè)備管理工作，才能真正提高設(shè)備的可靠性。