TXS平臺(tái)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)A1通道停堆斷路器跳閘故障分析及處理

丁華秋

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

TXS平臺(tái)是琺馬通公司的安全級(jí)DCS平臺(tái)，在秦一廠的應(yīng)用包括反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)(RPS)、專設(shè)安全設(shè)施邏輯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(ESFAS)、1E級(jí)信號(hào)分析處理系統(tǒng)(SAPS)、堆外核測(cè)系統(tǒng)(NIS)。

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)用于監(jiān)督反應(yīng)堆的狀態(tài)，在設(shè)備故障、誤操作或其他異常工況下，觸發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，特別是通過(guò)停堆斷路器跳閘，使停堆棒落入堆芯，讓反應(yīng)堆燃料停止裂變，防止反應(yīng)堆狀態(tài)超過(guò)安全極限或降低超過(guò)安全極限的后果。

1 反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)A1通道簡(jiǎn)介

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)實(shí)體隔離分為A1、A2、B1、B2四個(gè)通道，為了防止共模故障，系統(tǒng)采用了功能多樣性設(shè)計(jì)，即將保護(hù)參數(shù)分成多樣性a、b兩個(gè)多樣性子組。四個(gè)通道通過(guò)L2總線互相通訊，通過(guò)四取二或者三取二的方式觸發(fā)每個(gè)通道的停堆斷路器跳閘。

以A1通道某個(gè)多樣性為例，介紹A1通道停堆斷路器跳閘邏輯，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)器輸入至反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)A1通道處理機(jī)柜，通過(guò)CPU計(jì)算，觸發(fā)定值模塊的翻轉(zhuǎn)輸出，當(dāng)與A2通道、B1通道、B2通道通信，發(fā)現(xiàn)有1個(gè)及以上的通道定值模塊也翻轉(zhuǎn)輸出，四取二或者三取二模塊會(huì)輸出數(shù)字量“取二，在軟件里數(shù)字量輸出模件的前端輸入，設(shè)置一個(gè)非門，進(jìn)行四取二或者三取二輸出取反，使數(shù)字量輸出卡輸出為“出為，停堆繼電器失電，最后A1通道停堆斷路器跳閘。工作原理如圖1所示。

圖1 反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)A1通道停堆斷路器跳閘邏輯Fig.1 The trip logic of the A1 channel shutdown circuit breaker in the reactor protection system

通過(guò)圖1分析，反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)停堆斷路器跳閘邏輯為負(fù)邏輯，也就是說(shuō)，當(dāng)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)A1通道處理機(jī)柜失電時(shí)，停堆輸出的數(shù)字量輸出模件必會(huì)輸出“堆輸，必然會(huì)導(dǎo)致A1通道停堆斷路器跳閘，系統(tǒng)冗余性降低，造成核電機(jī)組的誤停堆風(fēng)險(xiǎn)增大。

2 反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)A1通道停堆斷路器跳閘故障分析

2.1 故障現(xiàn)象及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2020年8月3日機(jī)組功率運(yùn)行期間，主控CB522盤發(fā)“停堆斷路器跳閘”報(bào)警，CB-514A盤發(fā)報(bào)警有“發(fā)報(bào)通道輸入信號(hào)超差”“道輸通道輸出驅(qū)動(dòng)指令信號(hào)異?！薄暗垒斖ǖ涝O(shè)備間內(nèi)硬件故障”?！捌麢C(jī)停機(jī)已復(fù)位”“汽機(jī)停機(jī)可復(fù)位”燈滅。運(yùn)行人員無(wú)法手動(dòng)合上A1通道停堆斷路器。維修人員檢查發(fā)現(xiàn)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)A1通道處理機(jī)柜F11空開跳開。

2.2 故障原因分析

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)A1通道停堆斷路器跳閘具有報(bào)警多、現(xiàn)象復(fù)雜的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)維修人員在服務(wù)單元計(jì)算機(jī)查看處理CPU的狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，軟件數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)與正常運(yùn)行時(shí)，有所區(qū)別，需要從報(bào)警原因、空開跳閘原因以及停堆斷路器無(wú)法合閘原因去分析機(jī)柜發(fā)生了什么，是否有其他疊加因素，最終找到停堆斷路器跳閘的原因。

2.2.1 故障報(bào)警原因分析

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)在A1通道停堆斷路器跳閘后，所發(fā)報(bào)警以及原因分析如下：

1)CB522盤發(fā)“停堆斷路器跳閘”報(bào)警原因：A1通道停堆斷路器真實(shí)發(fā)生跳閘，觸發(fā)報(bào)警。

2)CB514A盤發(fā)“發(fā)5通道輸入信號(hào)超差”報(bào)警原因：停堆斷路器Q1,Q2跳閘返回觸點(diǎn)信號(hào)在A1通道與其他三個(gè)通道不同，導(dǎo)致輸入信號(hào)超差。

3)CB514A盤發(fā)“發(fā)5通道輸出驅(qū)動(dòng)指令信號(hào)異?！眻?bào)警原因：停堆斷路器Q1,Q2跳閘動(dòng)作，而其他三個(gè)通道的停堆斷路器未跳閘，導(dǎo)致輸出驅(qū)動(dòng)不一致產(chǎn)生了報(bào)警。

4)CB514A盤發(fā)“發(fā)5通道設(shè)備間內(nèi)硬件故障”報(bào)警原因：一般，設(shè)備間內(nèi)硬件故障報(bào)警，說(shuō)明此時(shí)有硬件故障，而除了F11空開跳閘，無(wú)其他硬件故障指示燈亮，說(shuō)明因?yàn)镕11空開跳閘，導(dǎo)致了A1通道設(shè)備間內(nèi)硬件故障報(bào)警。

5)CB514盤發(fā)“汽機(jī)停機(jī)已復(fù)位”“汽機(jī)停機(jī)可復(fù)位”燈滅報(bào)警原因：根據(jù)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)邏輯圖，停堆必停機(jī)，此時(shí)A1通道停堆斷路器跳閘，會(huì)觸發(fā)A1通道的汽輪機(jī)停機(jī)，而此時(shí)A1通道停堆斷路無(wú)法合上，而此報(bào)警是單通道觸發(fā)即可報(bào)警，所以汽機(jī)停機(jī)無(wú)法復(fù)位，也不會(huì)顯示汽機(jī)停機(jī)已復(fù)位。

通過(guò)以上分析，所有報(bào)警的根本原因是A1通道停堆斷路器的跳閘。

2.2.2 空開跳閘原因分析

機(jī)柜內(nèi)空氣開關(guān)的作用是當(dāng)線路發(fā)生過(guò)載時(shí)，過(guò)載電流能使熱元件產(chǎn)生一定熱量，促使雙金屬片受熱向上彎曲，推動(dòng)杠桿使搭鉤與鎖扣脫開，將主觸頭分?jǐn)?，切斷電源，從而達(dá)到保護(hù)空開上游設(shè)備的目的。

維修人員將跳閘的空開拆下，對(duì)輸入端(LINE+和GND-)和輸出端(LOAD+和GND-)的引腳進(jìn)行電阻測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)歷史預(yù)維數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，空開合上時(shí)輸入端LINE+和GND-電阻為5.344 M電阻其他測(cè)量數(shù)據(jù)與本次測(cè)量數(shù)據(jù)一致。通過(guò)表一的測(cè)量數(shù)據(jù)和以往測(cè)量數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，線路輸入端在空開合閘時(shí)是短路狀態(tài)。維修人員拆解空開模件，如圖2所示，對(duì)LINE+和GND-兩端的鉗位二極管進(jìn)行正反測(cè)量，發(fā)現(xiàn)二極管已被擊穿。

表1 故障空開引腳測(cè)量數(shù)據(jù)Table 1 The measurement data of the fault empty open pin

圖2 F11空開內(nèi)部圖Fig.2 The interior of the F11 air break switch

綜上，二極管擊穿導(dǎo)致輸入端短路是空開跳閘的根本原因。

在機(jī)柜內(nèi)，空氣開關(guān)確保其下游的短路和過(guò)載不會(huì)導(dǎo)致機(jī)柜供電電位下降。為了防止瞬態(tài)過(guò)電壓，空氣開關(guān)在電源電壓輸入端加入一個(gè)鉗位二極管，如圖3所示。但是這個(gè)二極管存在單一故障風(fēng)險(xiǎn)，即二級(jí)管擊穿后引起電路短路。根據(jù)故障原因，廠家從2007—2012年，應(yīng)法瑪通公司的要求，升級(jí)過(guò)四次，分別為：ESS20 ES01(最大穩(wěn)壓電壓33 V)、ESS20 ES02(最大穩(wěn)壓電壓35 V)、ESS20 ES03(欠壓從8 V降到7 V)、SESS20(0 V，取消了鉗位二極管和電容)，最終SESS20的型號(hào)使用至今，SESS20和之前產(chǎn)品的區(qū)別是取消了鉗位二極管，使空氣開關(guān)不會(huì)因?yàn)閱我还收蠈?dǎo)致電路短路。

圖3 空氣開關(guān)輸入端電路簡(jiǎn)圖Fig.3 The schematic of the input circuit of the air break switch

2.2.3 二極管短路導(dǎo)致機(jī)柜失電原因分析

根據(jù)機(jī)柜硬件供電回路設(shè)計(jì)，F(xiàn)11空開沒(méi)有控制機(jī)柜的某個(gè)硬件供電，僅是用于備用，未控制機(jī)柜某個(gè)硬件的供電。

但是，如圖4所示，F(xiàn)11空開的輸入端連接在整個(gè)供電母線上，所以當(dāng)輸入端短路，會(huì)瞬間將整個(gè)機(jī)柜的電壓拉下來(lái)，造成機(jī)柜短時(shí)失電，輸出斷路器跳閘信號(hào)的數(shù)字量輸出卡件失電，最后造成A1通道停堆斷路器跳閘，在空開短路保護(hù)下，F(xiàn)11空開跳開，機(jī)柜重新得電，其他控制機(jī)柜硬件的空開負(fù)載端繼續(xù)為機(jī)柜供電。

圖4 F11空氣開關(guān)硬件圖示Fig.4 The hardware of the F11 air break switch

此電路設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：便于備用通道的直接使用，避免機(jī)柜背板線的復(fù)雜修改；缺點(diǎn)是：容易造成空氣開關(guān)單一故障引發(fā)的機(jī)柜短時(shí)失電。

3 故障處理

根據(jù)原因分析，維修人員發(fā)現(xiàn)空開內(nèi)部鉗位二極管故障擊穿導(dǎo)致反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)A1通道停堆斷路器跳閘，需要制定嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶幚磉^(guò)程和后續(xù)的行動(dòng)，降低甚至消除此類故障的產(chǎn)生。

3.1 故障處理過(guò)程

由于在機(jī)組滿功率運(yùn)行期間，處理過(guò)程必須逐步執(zhí)行，防止機(jī)組的其他意外報(bào)警甚至瞬態(tài)，具體如下：

1)拆下故障的F11空開，測(cè)量新的空開引腳數(shù)據(jù)，確認(rèn)空開無(wú)故障，并將新的空開更換上機(jī)架，合上空開的開關(guān)。

2)主控操縱員分別手動(dòng)按下SR(源量程)、IR(中間量程)、PR(功率量程低定值)停堆閉鎖按鈕，然后手動(dòng)合上停堆斷路器Q1、Q2。

3)主控操縱員手動(dòng)復(fù)位汽機(jī)停機(jī)，確認(rèn)系統(tǒng)正常。

3.2 后續(xù)行動(dòng)

針對(duì)本次空開內(nèi)部鉗位二極管的故障導(dǎo)致整個(gè)機(jī)柜的瞬時(shí)失電，需從廠家溝通、硬件設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)進(jìn)行探究。具體的后續(xù)行動(dòng)如下：

1)加強(qiáng)與廠家的溝通與交流，便于了解設(shè)備換代的具體情況。

2)評(píng)估取消備用空開(共176塊)的可行性，若可行，對(duì)原備用空開位置用“盲板”替換，有效降低機(jī)柜的整體故障率。

3)對(duì)有負(fù)載的空開實(shí)行更新?lián)Q代，用沒(méi)有鉗位二極管的新型號(hào)的空氣開關(guān)替換。

4)重新評(píng)估空氣開關(guān)硬件電路的設(shè)計(jì)方式，防止此類單一故障現(xiàn)象導(dǎo)致整個(gè)機(jī)柜失電。

4 結(jié)論

反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)是核電廠重要組成部分，它的性能和工作狀態(tài)直接影響到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文從反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)輸出用戶的角度，結(jié)合反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)硬件和軟件邏輯，介紹了秦一廠反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)A1通道停堆斷路器跳閘故障及相關(guān)報(bào)警現(xiàn)象的原因，重點(diǎn)梳理了針對(duì)系統(tǒng)故障現(xiàn)象的分析思路和處理行動(dòng)，同時(shí)提出了降低系統(tǒng)誤動(dòng)率的改進(jìn)措施，通過(guò)這些措施的改進(jìn)實(shí)施，可以提高反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，也為使用同類型的空氣開關(guān)的電站提供借鑒。