核電機(jī)組配電柜三色指示燈的研究與優(yōu)化

曹祖庭，查衛(wèi)華，王曉琳， 查思行

(1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.上海光華學(xué)院劍橋國際中心，上海 201319)

核電機(jī)組中低壓配電柜擔(dān)負(fù)著核電眾多電氣設(shè)備的供電和控制功能，根據(jù)是否與核安全相關(guān)分為核級配電柜和非核級配電柜。三色指示燈是配電柜中用于指示配電三種狀態(tài)的元器件，顏色上一般情況下多為紅綠黃(白)三色。這三種顏色一般對應(yīng)“合閘、分閘、故障”、“運(yùn)行、停止、故障”和“正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、故障”三種狀態(tài),如圖1所示，這三種形式的指示燈分別用于配電負(fù)荷、電機(jī)負(fù)荷和閥門負(fù)荷。

圖1 三色指示燈Fig.1 The three-color indicating lamp

由于這種指示燈指示全、體積小，能夠解決抽屜空間布局緊湊的問題，因此在核電中低壓配電柜中大量使用。以秦山核電為例，初步統(tǒng)計(jì)秦山核電二廠1/2/3/4號機(jī)組中低壓配電柜使用該類型三色燈的數(shù)量在4 000個(gè)左右,方家山機(jī)組使用數(shù)量在1 200個(gè)左右。除秦山核電外，福清核電、海南核電、陽江核電和江蘇核電等機(jī)組均有大規(guī)模使用三色指示燈。

1 存在的問題

目前核電三色指示燈有兩個(gè)品牌，雖然電路原理上有所不同，但是外部結(jié)構(gòu)均一樣，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 三色指示燈結(jié)構(gòu)Fig. 2 The structure of the three-color indicating lamp

該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是面板嵌入式安裝，這種安裝方式帶來兩個(gè)問題。首先，由于面板卡扣為死扣設(shè)計(jì)，因此需要從抽屜內(nèi)部將指示燈用力推出，有時(shí)還需要用工具將卡扣變形后才能抽出；其次，這種安裝方式需要手動(dòng)拔出外接線。上述兩個(gè)問題就造成了更換指示燈前必須斷電。除此之外，指示標(biāo)牌底色為黑色，激光打印后文字顏色暗淡和不清晰也是缺點(diǎn)之一。

對于非核而言，斷電后再更換指示燈相對比較簡單，然而核電作為區(qū)別于火電、水電、風(fēng)電和太陽能發(fā)電等電站的特殊電站，核安全無小事，核安全文化已經(jīng)融入到了每位員工的血液當(dāng)中。因此與核安全相關(guān)的，或小概率能引起機(jī)組瞬態(tài)的工作都會經(jīng)過嚴(yán)格的評估才能進(jìn)行。所以機(jī)組有些負(fù)荷是不能夠隨時(shí)停的，需要等待合適的窗口；還有些負(fù)荷涉及到核安全，無特殊情況,在一個(gè)燃料循環(huán)內(nèi)不允許停役，故障工單需轉(zhuǎn)大修進(jìn)行。

表1為秦山核電方家山機(jī)組從商運(yùn)以來至2020年指示燈故障和轉(zhuǎn)大修工單的情況。

表1 方家山指示燈故障情況統(tǒng)計(jì)

從表1數(shù)據(jù)中可以看出，方家山核電機(jī)組從剛投運(yùn)到2018年指示燈故障的數(shù)量很少，隨著使用年限的增加，2019年開始故障數(shù)量開始增加明顯，但是正是由于指示燈需要斷電進(jìn)行更換，隨著故障數(shù)量的增加遇到重要負(fù)荷需要等待窗口和轉(zhuǎn)大修的概率就會大大提高。從數(shù)據(jù)中可以看出2019年和2020年指示燈故障處理周期在1個(gè)月以上的工單隨著故障數(shù)量的增加也大幅度的增加，其中轉(zhuǎn)大修工單也分別達(dá)到了11張和12張。

三色指示燈作為抽屜中非關(guān)鍵的二次元器件，雖然只有指示功能，但等待窗口更換或停電更換存在有以下問題：

1)等待窗口導(dǎo)致缺陷長期存在，現(xiàn)場指示失效，影響人員對狀態(tài)的判斷，特別是重要負(fù)荷，對機(jī)組安全與核安全不利；

2)斷電更換會導(dǎo)致設(shè)備短時(shí)不可用，對于涉及I0的負(fù)荷斷電更換影響核安全及機(jī)組運(yùn)行指標(biāo)；

3)斷電更換時(shí)需要拆接線，存在接錯(cuò)線的風(fēng)險(xiǎn)。

若采取預(yù)防性維護(hù)，在大規(guī)模失效前進(jìn)行提前進(jìn)行大規(guī)模更換，這將導(dǎo)致更換周期難以確定等其他問題。還是以表1數(shù)據(jù)為例，2014年至2018年故障率只有不到1%，2019年故障率為3%，2020年故障率為7.5%，若定義成6年定期更換，首先不可避免的在6年內(nèi)還會有零星故障發(fā)生，其次6年內(nèi)的總故障也只有12%左右，采取全部更換將導(dǎo)致成本的大幅提高。

綜上，造成上述問題的癥結(jié)就是指示燈無法帶電更換，因此對三色指示燈進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)在線更換功能十分的必要。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

1)外殼固定卡扣優(yōu)化

指示燈安裝方式由原來的面板嵌入式安裝改為外殼嵌入式安裝，因此指示燈與門板的固定卡扣由原來的面板處移至外殼處。采用一種新的卡扣設(shè)計(jì)方式，這種設(shè)計(jì)可與1.5～3 mm厚度的門板良好配合，如圖3所示。

圖3 固定卡扣結(jié)構(gòu)Fig. 3 The fix buckle structure

2)電路板結(jié)構(gòu)優(yōu)化及固定方式優(yōu)化

電路板設(shè)計(jì)成如圖4(綠色部分)的結(jié)構(gòu)，電路板通過定位柱“3”與自攻螺絲“2”牢靠固定于面板上，這樣面板與電路板一體，更換時(shí)只要拆下面板后擰下螺絲更換故障電路板就可以實(shí)現(xiàn)指示燈的消缺工作，除了便捷外，還能節(jié)約硬件成本。

圖4 電路板固定結(jié)構(gòu)Fig.4 The fixed structure of the circuit board

3)面板與外殼連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化

面板與外殼采用類似于電視遙控器電池蓋的滑蓋設(shè)計(jì)，通過三個(gè)插片“5”對準(zhǔn)外殼的插孔“4”插入，然后將面板下壓并推入至面板和外殼邊緣對齊，即可完成安裝，連接結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 面板與外殼連接結(jié)構(gòu)Fig.5 The connecting structure of the panel and enclosure

4)電氣連接改進(jìn)

三色指示燈的回路電流不大于5 mA，為保證面板從外殼撥出時(shí)避免電路板因受力太大而受損或從面板中脫離，經(jīng)過多個(gè)方案的研究與效果對比，最終采用彈簧觸指與接線端子接觸的方式實(shí)現(xiàn)面板上的電路板與外殼上接線端子連接取電的設(shè)計(jì)[1]。

圖6中的“8”為焊接在電路板上的彈簧觸指，彈簧觸指在不受力后可自恢復(fù)，在接觸接線端子“9”時(shí)，彈簧壓縮，可靠接觸并從端子取電。

圖6 彈簧觸指Fig. 6 The spring contact

圖7中的“9”為接外部線的固定于外殼上的接線端子與彈簧觸指“8”的接觸面。圖8為電氣連接方式結(jié)構(gòu)透視圖。

圖7 外部接線端子Fig.7 The external terminals

圖8 電氣連接方式結(jié)構(gòu)透視圖Fig.8 The structure perspective of the electrical connection mode

5)標(biāo)識牌優(yōu)化

由于原指示燈文字顏色辨識度低，因此需要增加指示燈文字標(biāo)識辨識度。標(biāo)識牌“11”設(shè)計(jì)上采用白色材料，用激光打印后字體為黑色，從而提高了文字顏色的辨識度，且激光打印不會因?yàn)槭褂脮r(shí)間的變長而褪色。除顏色之外，該文字標(biāo)識牌為可拆卸結(jié)構(gòu)，固定于上蓋的插孔“10”內(nèi)，便于替換，如圖9所示。

圖9 標(biāo)識牌結(jié)構(gòu)Fig.9 The identification card structure

3 效果

經(jīng)過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，新舊指示燈的外部參數(shù)完全一致，新的指示燈能實(shí)現(xiàn)在線更換功能，安裝尺寸和外部接口完全一致，可以完全替代原有舊型號的指示燈，參數(shù)如表2所示。

表2 新舊指示燈外部參數(shù)對比

改進(jìn)前后的效果對比如表3所示。

表3 優(yōu)化效果對比分析

該款指示燈已在秦山核電二廠部分廠房進(jìn)行試用，從2019年9月運(yùn)行至今效果良好，期間多次模擬在線更換指示燈電路板過程，更換故障電路板時(shí)間為1 min，大大縮短了更換時(shí)間。目前除秦山核電外，田灣核電、福清核電、海南核電、陽江核電等均在換型實(shí)施中。

4 結(jié)論

本文從結(jié)構(gòu)上對核電機(jī)組配電柜三色指示燈進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了其無法帶電更換和標(biāo)簽文字暗淡的問題。該在線更換三色指示燈的研究與應(yīng)用具有以下重要意義：

1)在線更換，避免了斷電更換導(dǎo)致核電設(shè)備不可用的風(fēng)險(xiǎn)；

2)更換快捷簡便，縮短了更換時(shí)間與設(shè)備故障時(shí)間；

3)指示燈標(biāo)識改進(jìn)，增加了辨識度，有利于現(xiàn)場指示燈狀態(tài)的快速識別；

4)指示燈標(biāo)牌可替換設(shè)計(jì)，避免擁有多個(gè)物資編碼，一個(gè)編碼能夠適用于所有要求的產(chǎn)品，方便采購與庫存管理；

5)由于更換快捷，可以免去指示燈更換的定期預(yù)防性維護(hù)項(xiàng)目，避免核電保守決策提前大規(guī)模更換而造成的浪費(fèi)，節(jié)約生產(chǎn)成本。