CPR1000核電機(jī)組汽動(dòng)泵轉(zhuǎn)速波動(dòng)引起電子超速跳閘原因探析

趙子樣

(福建寧德核電有限公司，福建 寧德 355200)

0 引言

ASG輔助給水系統(tǒng)屬于安全專設(shè)系統(tǒng)，在主給水系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，ASG系統(tǒng)作為應(yīng)急手段向蒸汽發(fā)生器二次側(cè)供水，使一回路維持一個(gè)冷源，排出堆芯剩余功率，直到RRA系統(tǒng)(余熱排出系統(tǒng))允許投入運(yùn)行為止[1]。汽動(dòng)泵作為ASG系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿υO(shè)備負(fù)責(zé)保證供水的壓力和流量。若ASG003PO汽動(dòng)輔助給水泵不可用，將導(dǎo)致專設(shè)系統(tǒng)的冗余度降低，安全系數(shù)降低。

ASG系統(tǒng)ASG003PO轉(zhuǎn)速通過(guò)ASG001MC進(jìn)行測(cè)量，并將轉(zhuǎn)速值送至就地TR400轉(zhuǎn)換單元，TR400轉(zhuǎn)換單元用于以下場(chǎng)合：①就地指示汽動(dòng)泵轉(zhuǎn)速；②將汽動(dòng)泵轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成4-20mA電流值；③給出電子超速保護(hù)跳閘和報(bào)警。當(dāng)泵轉(zhuǎn)速達(dá)到電氣超速保護(hù)裝置的設(shè)定值時(shí)，TR400處理單元使跳閘電磁閥得電，電氣超速跳閘電磁閥開啟，將主汽閥(ASG135VV)和乏汽管道聯(lián)通，此時(shí)主汽閥由于背壓降低而關(guān)閉，蒸汽無(wú)法進(jìn)入汽輪機(jī)，汽輪機(jī)停止運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

1 問(wèn)題描述

2017年1月12日22∶23，某核電站ASG003PO啟動(dòng)小流量試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中主控ASG001MC轉(zhuǎn)速顯示波動(dòng)較大，運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍為7720～9420rpm，而就地TR400轉(zhuǎn)速顯示則較穩(wěn)定，約為8450rpm，波動(dòng)幅度在百轉(zhuǎn)以內(nèi)；23∶32，ASG003PO因第一級(jí)電子超速保護(hù)動(dòng)作跳閘，就地TR400面板OUT1指示燈熄滅，主控觸發(fā)ASG073KA2報(bào)警(綠色曲線)，跳閘時(shí)泵出口壓力ASG006MP及系統(tǒng)流量ASG004MD顯示值與跳閘前的相比均較一致(兩參數(shù)均穩(wěn)定)，說(shuō)明泵實(shí)際未超速，且實(shí)際轉(zhuǎn)速較穩(wěn)定。

2 分析方法及結(jié)果

2.1 分析方法

根據(jù)前述現(xiàn)象，以及超速保護(hù)動(dòng)作的原理及接線圖(如圖1所示)，對(duì)測(cè)量回路各環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，并結(jié)合故障現(xiàn)象及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，依據(jù)可能性高低對(duì)可能故障模式進(jìn)行排序。

圖1 轉(zhuǎn)速測(cè)量及超速保護(hù)回路

2.2 可能的故障模式分析

超速保護(hù)動(dòng)作回路正常動(dòng)作響應(yīng)無(wú)異常，排除TR400的DO輸出下游回路故障可能，問(wèn)題出現(xiàn)在超速保護(hù)動(dòng)作產(chǎn)生回路，將異常圈定在TR400、轉(zhuǎn)速傳感器1101(含自帶電纜)、中間回路電纜及端接、磁極。此外，傳感器與磁極安裝間距固定，因而此因素不再列為可能故障模式進(jìn)行討論。可能的故障模式及可能性排序，如表1所示。

表1 故障模式分析

2.3 詳細(xì)分析可能的故障模式

2.3.1 外部電磁場(chǎng)干擾

整個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)量、電子超速動(dòng)作回路和汽動(dòng)泵被設(shè)置在同一單獨(dú)房間，房間內(nèi)無(wú)大功率的電氣設(shè)備，且整個(gè)測(cè)量回路絕緣測(cè)量良好，無(wú)接地；加之，在泵停運(yùn)時(shí)轉(zhuǎn)速示值未見(jiàn)波動(dòng)，因而，此故障模式可能性可以排除。

2.3.2 磁極安裝不牢固

ASG003PO隔離后，開啟軸承箱，經(jīng)機(jī)械專業(yè)對(duì)N、S磁極安裝檢查，安裝牢固，且表面清潔。排除磁極安裝不穩(wěn)定造成磁力線不規(guī)則，進(jìn)而引起轉(zhuǎn)速傳感器輸出方波異常的可能。

2.3.3 轉(zhuǎn)速傳感器安裝松動(dòng)

轉(zhuǎn)速傳感器安裝在轉(zhuǎn)速測(cè)量筒內(nèi)，轉(zhuǎn)速測(cè)量筒焊接安裝在泵本體上，且與轉(zhuǎn)軸上安裝的磁極正對(duì)，間距保持在1～1.5mm。轉(zhuǎn)速傳感器安裝時(shí)需插入到測(cè)量筒的底部，并通過(guò)六角螺栓緊固，經(jīng)檢查安裝緊固的六角螺栓均緊固時(shí)，根據(jù)測(cè)量原理，即使出現(xiàn)傳感器安裝松動(dòng)此單一故障，也僅會(huì)造成轉(zhuǎn)速測(cè)量偏低，在泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)不會(huì)引起電子超速保護(hù)跳閘。

2.3.4 磁極N極磁通量偏低

為便于問(wèn)題分析，對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器的內(nèi)部進(jìn)行了拆解，可以查看到其內(nèi)部傳感元件——霍爾芯片，結(jié)合實(shí)物并通過(guò)查找資料，確認(rèn)型號(hào)為A1220LUA-T。根據(jù)霍爾效應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量原理，若磁極磁通量異常將導(dǎo)致傳感器測(cè)量不準(zhǔn)，對(duì)磁極進(jìn)行磁通量測(cè)量，測(cè)量結(jié)果：N極為-140mT，S極179mT，相較N202大修測(cè)量數(shù)據(jù)N極為-160mT，磁通量變小，然而根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器的芯片(A1220LUA-T)特性，其N極斷開磁通量Brp范圍(-40～-5G)，S極開啟磁通量Bop范圍(5～40G)，1G=0.1mT，由此可以分析，當(dāng)前磁通量滿足轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量要求。即使出現(xiàn)N極磁通量偏低此單一故障也僅會(huì)導(dǎo)致傳感器輸出的方波個(gè)數(shù)偏少，轉(zhuǎn)速顯示偏低。排除此故障模式可能。

2.3.5 TR400故障

對(duì)替換下的TR400進(jìn)行通道標(biāo)定及閾值檢查，通道滿足精度要求0.1%，閾值動(dòng)作均正常(第一級(jí)電子超速：155.5Hz；第二級(jí)電子超速：171.2Hz)檢查結(jié)果均合格，檢查記錄數(shù)據(jù)。

為排除TR400偶發(fā)故障的可能，用新備件進(jìn)行了更換，也進(jìn)行了通道標(biāo)定及閾值檢查，同時(shí)對(duì)內(nèi)部的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、檢查和確認(rèn)，但進(jìn)行啟泵驗(yàn)證時(shí)仍然出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)和第一級(jí)電子超速跳閘，因而，依此推斷，排除TR400故障引起電子超速保護(hù)動(dòng)作跳閘的可能。

2.3.6 中間回路電纜及端接接線松動(dòng)

在泵停運(yùn)的狀態(tài)下，依據(jù)接線圖，對(duì)端接緊固及接線正確性情況進(jìn)行檢查，結(jié)果表明，端接緊固、無(wú)松動(dòng)且接線與接線圖一致，同時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器與TR400中間的電纜進(jìn)行了對(duì)地絕緣和線間絕緣檢查，均未見(jiàn)異常。因而，中間回路電纜及端接異?？赡苄暂^低。

2.3.7 轉(zhuǎn)速傳感器本體故障

此轉(zhuǎn)速傳感器基于霍爾效應(yīng)原理，采用Allegro公司的A1220LUA-T芯片，每個(gè)器件在單硅片上裝有以下元件：穩(wěn)壓器、霍爾電壓發(fā)生器、小型信號(hào)放大器、斬波穩(wěn)定裝置、施密特觸發(fā)器，以及帶短路保護(hù)的開漏極輸出(最大灌電流 25 mA)。強(qiáng)度足夠大的S磁極打開輸出。關(guān)閉輸出需要強(qiáng)度足夠大的N磁極。此芯片霍爾效應(yīng)傳感器 IC 是極端溫度穩(wěn)定和抗應(yīng)力器件，特別適合擴(kuò)展溫度范圍的工作條件(最高可達(dá) 150°C)。動(dòng)態(tài)偏移消除技術(shù)保證了在高溫下的良好性能，可降低通常由器件超模壓、溫度依存性及熱應(yīng)力引起的剩余偏移電壓。

傳感器由于封裝嚴(yán)密，因而為確認(rèn)是否由于內(nèi)部線路或器件接觸不良，在蘇州院進(jìn)行了傳感器X光拍片檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。傳感器內(nèi)部電源輸入與公共端之間的電阻100Ω與旁路電容0.1μF，主要起到濾除交流高頻，以免對(duì)芯片內(nèi)部造成損害和干擾。

因故障模式分析需要，對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行離線檢測(cè)，主要測(cè)試內(nèi)容包括：?jiǎn)螌?duì)磁極(與現(xiàn)場(chǎng)一致)傳感器檢測(cè)、磁極偏差(N級(jí)磁性弱于S級(jí))傳感器輸出檢測(cè)、傳感器加溫檢測(cè)。

(1)單對(duì)磁極(與現(xiàn)場(chǎng)一致)傳感器檢測(cè)。室溫約18℃，保證N、S級(jí)磁感應(yīng)強(qiáng)度基本一致，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁極經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)距離一致，電機(jī)轉(zhuǎn)速選取600、1800、2100、2700、3000、3600、3900、4200、4500rpm，每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行1～2min，記錄轉(zhuǎn)速傳感器輸出均穩(wěn)定，且偏差不超過(guò)±12rpm，滿足精度要求。

(2)磁極偏差(N級(jí)磁性弱于S級(jí))傳感器輸出檢測(cè)。通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下N極經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)距離大于S級(jí)，來(lái)模擬磁極偏差(N級(jí)磁性弱于S級(jí))，當(dāng)N極距離傳感器產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度接近或達(dá)不到傳感器Brp范圍(-40～-5G)時(shí)，傳感器輸出出現(xiàn)方波丟失，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏小或0轉(zhuǎn)速。據(jù)此試驗(yàn)可以佐證N磁極磁通量偏小不會(huì)造成此故障現(xiàn)象。

(3)傳感器加溫檢測(cè)。在單對(duì)磁極(與現(xiàn)場(chǎng)一致)傳感器檢測(cè)的條件下，對(duì)傳感器進(jìn)行加溫，持續(xù)升溫約達(dá)到70℃，整個(gè)過(guò)程中轉(zhuǎn)速輸出均穩(wěn)定，與前述的單對(duì)磁極(與現(xiàn)場(chǎng)一致)傳感器的檢測(cè)結(jié)果無(wú)明顯差異。

2.3.8 轉(zhuǎn)速傳感器預(yù)制電纜與線鼻子壓接松動(dòng)

通過(guò)前述分析和更換傳感器，開始啟動(dòng)ASG003PO驗(yàn)證，轉(zhuǎn)速指示穩(wěn)定，未再次出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的故障現(xiàn)象，而轉(zhuǎn)速傳感器本體經(jīng)測(cè)試未見(jiàn)異常，因而將故障模式的可能點(diǎn)集中在現(xiàn)場(chǎng)排查時(shí)的疏忽環(huán)節(jié)，即轉(zhuǎn)速傳感器預(yù)制電纜與線鼻子壓接松動(dòng)，因?yàn)樵诂F(xiàn)場(chǎng)更換傳感器時(shí)，為便于更換，將替換下的傳感器的線鼻子直接剪掉，未進(jìn)行收集，因而，僅能通過(guò)試驗(yàn)的方式進(jìn)行驗(yàn)證和排查。

試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)述如下：按照?qǐng)D2故障復(fù)現(xiàn)測(cè)試連接簡(jiǎn)圖所示，將替換下的傳感器與TR400按照正常測(cè)量方式連接，在傳感器與TR400間加入測(cè)試端口進(jìn)行松動(dòng)模擬，同時(shí)進(jìn)行傳感器輸出方波和TR400輸出模擬量數(shù)據(jù)采集。

圖2 故障復(fù)現(xiàn)測(cè)試連接

通過(guò)數(shù)據(jù)采集的波形分析，松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致傳感器輸入到TR400的方波波形輸出異常，同時(shí)TR400接收到的方波周期變短或變長(zhǎng)，同一時(shí)間段內(nèi)的方波個(gè)數(shù)增加或減小，進(jìn)而造成轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)速增大或減小，轉(zhuǎn)速增大到超過(guò)閾值9330rpm時(shí)，TR400開關(guān)量輸出OUT1動(dòng)作，面板指示燈熄滅，電子超速繼電器輸出。

此外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)ASG001MC轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)值波動(dòng)情況可知，在泵未啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速不存在波動(dòng)，而在泵啟動(dòng)后，轉(zhuǎn)速存在波動(dòng)。由此推斷，由于泵體運(yùn)行會(huì)造成安裝在基座上的接線箱存在振動(dòng)，引起接線箱內(nèi)轉(zhuǎn)速傳感器預(yù)制電纜與線鼻子接觸不良，引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)，造成電子超速保護(hù)動(dòng)作。據(jù)此分析，轉(zhuǎn)速傳感器預(yù)制電纜與線鼻子壓接松動(dòng)為導(dǎo)致故障的原因。

3 結(jié)論

根據(jù)汽動(dòng)泵轉(zhuǎn)速測(cè)量的原理及超速動(dòng)作的機(jī)理，結(jié)合就地排查、離線試驗(yàn)和故障復(fù)現(xiàn)，對(duì)可能的故障模式進(jìn)行逐一分析，最終認(rèn)定本次故障原因?yàn)檗D(zhuǎn)速傳感器預(yù)制電纜與線鼻子壓接松動(dòng)。