核電廠ATWT小機(jī)箱電源故障分析

張建兵，張建平，祝偉健，唐 龍，胡燕軍

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)對事故工況的保護(hù)手段主要是緊急停堆。當(dāng)緊急停堆保護(hù)發(fā)生故障時，雖然運行參數(shù)已達(dá)到緊急停堆保護(hù)閾值，但沒產(chǎn)生緊急停堆保護(hù)信號；或者雖然產(chǎn)生了緊急停堆信號，但緊急停堆斷路器未斷開，這些未能緊急停堆的預(yù)期瞬態(tài)就稱為ATWT[1]。ATWT系統(tǒng)（預(yù)期瞬態(tài)不停堆系統(tǒng)）是反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的一個重要組成部分，可實現(xiàn)在反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)失效的情況下使反應(yīng)堆快速停堆，保障反應(yīng)堆的安全。ATWT信號觸發(fā)后，除可直接觸發(fā)緊急停堆外，還可導(dǎo)致輔助給水系統(tǒng)啟動、汽輪機(jī)脫扣、蒸汽發(fā)生器排污系統(tǒng)（APG）隔離，以及閉鎖汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)（GCT）第3組排放閥開啟[2]。文獻(xiàn)[3]中介紹了一起由于中間量程儀表機(jī)柜故障導(dǎo)致觸發(fā)ATWT信號，進(jìn)而導(dǎo)致反應(yīng)堆緊急停堆、ASG汽動泵啟動的非停事件。文獻(xiàn)[4]從燃耗的角度分析了核電機(jī)組壽期末由于燃料組件發(fā)生變形，導(dǎo)致控制組件不能完全插入堆芯，從而使得ATWT信號觸發(fā)的概率大大增加的情形。

由于ATWT保護(hù)功能在正常運行期間處于未觸發(fā)狀態(tài)，為確保緊急狀態(tài)下ATWT設(shè)備的可用性，核電站設(shè)置了預(yù)防性周期試驗，定期檢測該系統(tǒng)功能的狀態(tài)。ATWT T3試驗主要為驗證ATWT信號到對應(yīng)閥門設(shè)備接口部分的可用性，試驗誤動設(shè)備風(fēng)險較大，試驗時主要通過閉鎖正常保護(hù)邏輯信號來確保試驗期間不會誤動現(xiàn)場設(shè)備[5]。文獻(xiàn)[6]和[7]分別從T3試驗的原理以及執(zhí)行過程中遇到的問題對ATWT定期試驗的執(zhí)行流程及步驟進(jìn)行優(yōu)化，在一定程度上降低了試驗風(fēng)險。

ATWT系統(tǒng)采用不同于反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)所使用的CMOS邏輯線路，它的邏輯處理和輸出線路由繼電器組成，并與反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)在電氣上以及實體上進(jìn)行隔離。ATWT系統(tǒng)的儀表部分（KRG機(jī)柜）由LNE供電，邏輯處理和輸出部分（ATWT機(jī)柜）由LCC供電。KRG機(jī)柜內(nèi)ATWT小機(jī)箱+/-15VDC工作電源或48VDC信號電源故障情況下，將觸發(fā)參與ATWT保護(hù)的SG1、SG2主給水流量低信號。為了避免兩臺蒸發(fā)器主給水流量低信號誤觸發(fā)導(dǎo)致ATWT動作，系統(tǒng)設(shè)計了電源故障閉鎖ATWT輸出的功能。驗證電源故障情況下閉鎖ATWT輸出功能的有效性，對確保ATWT系統(tǒng)的功能穩(wěn)定性具有十分重要的意義。

1 ATWT原理

1.1 ATWT動作原理

ATWT系統(tǒng)監(jiān)測的過程參數(shù)是SG給水流量和中間量程中子注量率。當(dāng)中間量程的核功率（2/2）大于30%FP時，若每臺SG的主給水流量（2/3）均低于6%NF（117t/h），則ATWT動作，啟動輔助給水，引起汽機(jī)剎車和緊急停堆等邏輯動作[8]。其中，主給水流量信號處理以及主給水流量低閾值信號觸發(fā)的實現(xiàn)是通過ATWT小機(jī)箱（位于保護(hù)模擬組ⅣP的KRG043AR機(jī)柜，因其占用兩個機(jī)箱位置，故稱之為ATWT小機(jī)箱）實現(xiàn)的。

1.2 ATWT輸出閉鎖原理

ATWT小機(jī)箱220VAC交流電由LNE提供，通過整流濾波后轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的+/-15VDC作為小機(jī)箱卡件的工作電源，保護(hù)邏輯信號配電則由LCC提供48VDC電源。ATWT小機(jī)箱保險絲熔斷，失去LNE電源以及保護(hù)邏輯48VDC配電失去的工況下，將導(dǎo)致ATWT誤動作[9]，為防止ATWT小機(jī)箱在上述工況下導(dǎo)致ATWT誤動作，增加了小機(jī)箱電源故障的ATWT動作閉鎖回路，如圖1。

圖1 ATWT小機(jī)箱電源故障閉鎖信號圖Fig.1 ATWT Small cabinet power supply fault block signal diagram

圖1中繼電器XR33/34為閉鎖繼電器，日常期間帶電，對應(yīng)接入輸出回路里的兩副常閉觸點（觸點6-10）；繼電器XR31/32為ATWT信號符合邏輯繼電器，日常期間帶電，對應(yīng)接入輸出回路里的兩副常開觸點（觸點1-9）。日常滿功率運行期間，主給水流量低邏輯未觸發(fā)，繼電器XR31/32帶電，其對應(yīng)的觸點斷開，輸出繼電器回路未得電導(dǎo)通，此時ATWT不會動作。若SG主給水流量低信號疊加RPN中間量程大于30%FP信號邏輯“與”滿足時，繼電器XR31/32失電，此時輸出繼電器與724UD（48VDC電源）相連導(dǎo)通，輸出繼電器帶電激勵動作。為了防止小機(jī)箱失電時ATWT誤動作，在輸出繼電器回路增加了閉鎖繼電器XR33/34各一副觸點，當(dāng)小機(jī)箱電源失電故障時，閉鎖繼電器觸點斷開，輸出繼電器無法帶電，ATWT動作信號被閉鎖。當(dāng)小機(jī)箱工作電壓失去時，或保護(hù)邏輯48VDC配電失去時，閉鎖繼電器XR33/34丟失電源，輸出回路中的兩副閉鎖繼電器觸點斷開，ATWT動作信號將無法送出。

1.3 3/4號機(jī)電源故障閉鎖回路與1/2號機(jī)的差異

電源故障閉鎖回路秦二廠1/2號機(jī)組與3/4號機(jī)組存在差異，其中1/2號機(jī)組取消了LNE母線失電故障時對小機(jī)箱電源的閉鎖，即當(dāng)LNE母線失電時，由于ATWT小機(jī)箱上游電源來自LNE，此時小機(jī)箱也必將丟失電源。另LNE失電工況下，由于參與主給水調(diào)節(jié)閥的控制信號位于KRG控制柜，其上游電源也來自LNE，其必將因LNE失電導(dǎo)致主給水流量調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉，使其產(chǎn)生真實的ATWT信號，若此時閉鎖ATWT動作信號，則將導(dǎo)致ATWT系統(tǒng)拒動。因此，1/2號機(jī)組在電源故障判斷回路增加了LNE母線失電的旁通回路，最終實現(xiàn)LNE母線失電時，不閉鎖ATWT動作信號[10]，如圖2。而3/4號機(jī)組由于KRG控制柜采用了雙電源（LNE和LNQ）供電結(jié)構(gòu)，僅LNE母線失電，不會導(dǎo)致主給水流量控制閥關(guān)閉，因此并未增加LNE母線失電的判斷回路。

圖2 秦二廠1/2號機(jī)組ATWT電源故障閉鎖回路Fig.2 ATWT Power supply fault blocking loop of unit 1/2 in Qinshan second plant

2 ATWT小機(jī)箱失電影響測試

2.1 測試方案

模擬中間量程中子注量率置觸發(fā)狀態(tài)，SG給水流量低置未觸發(fā)狀態(tài)。閉鎖ATWT驅(qū)動輸出信號，然后對ATWT機(jī)柜進(jìn)行上電。連接記錄儀，記錄信號1（ATWT閉鎖信號）、信號2（ATWT動作信號）和信號3（ATWT邏輯符合信號），模擬ATWT小機(jī)箱失電時，比較信號1、信號2和信號3的響應(yīng)時間先后。測試完成后，取消模擬的信號。

2.2 測試方案實施

1）模擬中間量程中子注量率置觸發(fā)狀態(tài)。

2）模擬SG給水流量低置未觸發(fā)狀態(tài)。

3）對ATWT機(jī)柜進(jìn)行上電。

4）記錄儀信號回路的連接。

①信號1通道：1通道借用閉鎖繼電器XR33/34的兩副常開觸點（XR33的2-10，XR34的3-11）實現(xiàn)對閉鎖信號的監(jiān)測，測試時用記錄儀監(jiān)測兩端子間的電壓U1，如圖3。

圖3 記錄儀信號1和3通道的連接圖示Fig.3 Connection diagram of channels 1 and 3 of recorder signal

②信號2通道：2通道借用輸出繼電器XR43的一副常開觸點（2-10）實現(xiàn)對ATWT動作信號的監(jiān)測，測試時接入48V電源，用記錄儀監(jiān)測兩端子間電壓U2，如圖4。

圖4 記錄儀信號2通道的連接圖示Fig.4 Connection diagram of channel 2 of recorder signal

③信號3通道：3通道借用繼電器XR31/32的兩副常閉觸點（XR31的2-10，XR32的2-10）實現(xiàn)對ATWT信號符合邏輯的監(jiān)測，測試時用記錄儀監(jiān)測兩端子間的電壓U3，如圖3。

2.3 測試數(shù)據(jù)及分析

1）模擬小機(jī)箱工作電源故障

①模擬SG1、SG2兩列ATWT小機(jī)箱工作電源故障，結(jié)果如圖5。

圖5 SG1、SG2兩列ATWT小機(jī)箱工作電源故障時信號輸出Fig.5 SG1、SG2 two ATWT small cabinets working power failure signal output

②先后恢復(fù)SG1、SG2兩列ATWT小機(jī)箱電源開關(guān)（間隔時間小于MICRO卡恢復(fù)正常工作所需的時間7s），結(jié)果如圖6。

圖6 SG1、SG2兩列ATWT小機(jī)箱工作電源上電時信號輸出Fig.6 SG1, SG2 two ATWT small cabinets power supply power the signal output

③先后恢復(fù)SG1、SG2兩列ATWT小機(jī)箱電源開關(guān)（注意上電間隔時間為11s，大于MICRO卡恢復(fù)正常工作所需的時間7s），恢復(fù)ATWT小機(jī)箱工作電源，結(jié)果如圖7。

圖7 SG1、SG2兩列ATWT小機(jī)箱工作電源上電時信號輸出（間隔大于7s）Fig.7 SG1, SG2 two ATWT small cabinets power supply power the signal output(interval greater than 7s)

分析數(shù)據(jù)可得：

SG1、SG2均斷電，ATWT符合繼電器動作。此時由于閉鎖繼電器閉鎖有效，ATWT輸出繼電器實際未發(fā)出ATWT動作信號。

SG1、SG2依次上電且上電間隔小于7s時，SG2上電后經(jīng)1s延時，閉鎖繼電器動作，閉鎖失效，SG1上電7s之內(nèi)ATWT符合繼電器不動作，這期間ATWT輸出繼電器動作，ATWT動作信號輸出。7s后ATWT符合繼電器動作，ATWT符合邏輯消失，ATWT動作輸出消失。

SG1、SG2依次上電且上電間隔大于7s時，ATWT符合繼電器在SG2上電前已動作，ATWT符合邏輯已消失，ATWT動作輸出信號不會輸出。

2）模擬LNE失電導(dǎo)致小機(jī)箱工作電源故障

①模擬給ATWT小機(jī)箱LNE供電失電故障，結(jié)果如圖8。

圖8 LNE失電導(dǎo)致小機(jī)箱工作電源故障時信號輸出Fig.8 LNE Power loss causes the signal output when the power supply of the small cabinet is out of order

②恢復(fù)LNE電源，結(jié)果如圖9。

圖9 LNE恢復(fù)上電時信號輸出Fig.9 LNE Restore power the signal output

③由于LNE恢復(fù)上電時，ATWT動作信號輸出，且持續(xù)5.55s后閉鎖繼電器才動作，ATWT輸出才被閉鎖，故將延時繼電器XR33、XR34延時調(diào)整為8s后，再次對其進(jìn)行驗證。再次模擬給ATWT小機(jī)箱LNE供電失電故障，將延時繼電器XR33、XR34延時調(diào)整為8s后，恢復(fù)LNE電源，結(jié)果如圖10。

圖10 延時調(diào)為8s后LNE恢復(fù)上電時信號輸出Fig.10 The signal output of LNE is restored when the power is turned on after the delay is set to 8s

分析以上數(shù)據(jù)可得：

LNE失電，閉鎖繼電器動作，閉鎖ATWT輸出。

LNE上電，閉鎖繼電器上電延時為1s時，經(jīng)1s延時，閉鎖繼電器動作，閉鎖失效，LNE上電7s之內(nèi)ATWT符合繼電器不動作，這期間ATWT輸出繼電器動作，ATWT動作信號輸出。7s后ATWT符合繼電器動作，ATWT符合邏輯消失，ATWT動作輸出消失。

LNE上電，閉鎖繼電器上電延時調(diào)整為8s時，ATWT符合繼電器在閉鎖繼電器動作失效前已動作，ATWT符合邏輯已消失，ATWT動作輸出信號不會輸出。

3）模擬主給水流量信號配電故障（即LCC失電）

①模擬主給水流量信號配電故障失電，結(jié)果如圖11。

圖11 LCC失電時信號輸出Fig.11 The signal output when LCC power loss

②恢復(fù)LCC電源，結(jié)果如圖12。

圖12 LCC恢復(fù)上電時信號輸出Fig.12 The signal output when LCC restore power

分析以上數(shù)據(jù)可得：

LCC失電，閉鎖繼電器先動作，閉鎖ATWT輸出。

LCC上電，ATWT符合繼電器在閉鎖繼電器延時1s動作失效前已動作，ATWT符合邏輯已消失，ATWT動作輸出信號不會輸出。

3 分析與結(jié)論

由上節(jié)數(shù)據(jù)分析可得以下結(jié)論：

1）電源故障情況下（ATWT小機(jī)箱保險絲熔斷、LNE220VAC電源故障以及LCC 48VDC配電故障），電源故障閉鎖回路能夠有效閉鎖ATWT輸出。

2）LCC 48VDC恢復(fù)正常供電時，不會誤觸發(fā)ATWT動作信號。LNE220VAC恢復(fù)正常供電時，因MICRO卡恢復(fù)正常工作需要7s，會導(dǎo)致誤觸發(fā)ATWT動作信號。

3）LNE220VAC恢復(fù)正常供電時，將閉鎖繼電器上電延時由1s調(diào)整為8s，可以有效閉鎖ATWT動作信號輸出，避免ATWT誤動作。

根據(jù)上述結(jié)論，為降低ATWT小機(jī)箱恢復(fù)上電操作導(dǎo)致ATWT系統(tǒng)的誤動概率，提出以下建議：

①考慮到ATWT上電延時不影響ATWT的安全功能，以及MICRO卡啟機(jī)所需時間，保守起見，將閉鎖繼電器XR33、XR34上電延時調(diào)整為10s。

②對另一機(jī)組ATWT系統(tǒng)的閉鎖回路功能進(jìn)行驗證測試，同時對閉鎖繼電器的動作時間進(jìn)行測試，以確保閉鎖回路的功能正常。

4 結(jié)語

ATWT小機(jī)箱因系統(tǒng)設(shè)計上要求的多樣性，與反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)所采用的設(shè)備及技術(shù)均有一定差異。在帶來反應(yīng)堆多樣性的同時，也增加了保護(hù)系統(tǒng)的誤動概率。通過在現(xiàn)場模擬3種不同的ATWT小機(jī)箱電源故障，驗證出了ATWT小機(jī)箱電源存在的可靠性問題，并提出通過修改閉鎖繼電器上電延時的建議，有效地提高了ATWT閉鎖可靠性，大大降低了KRG上電時ATWT系統(tǒng)誤動的概率，進(jìn)而提升ATWT系統(tǒng)以及機(jī)組的運行安全，對電廠的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。