某核電廠DCS機籠模件燒毀根本原因分析

牛茂龍　張國軍　鄭軍偉

【摘 要】隨著核電廠自動化程度的提高，DCS在核電廠中的應用越來越廣泛，DCS中的電路板容易受外界強電或感應電影響而損壞。文章介紹了某核電廠調試期間電氣配電盤感應電引起DCS機籠模件燒毀的過程分析及感應電產生的原因。這種分析問題的方法和思路對解決DCS受干擾問題有一定指導和借鑒意義。

【關鍵詞】核電廠；電氣配電盤；感應電；DCS；IO模件

中圖分類號： TM623 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）04-0129-002

The Root Cause Analysis of DCS Cage Mould in a Nuclear Power Plant

NIU Mao-long ZHANG Guo-jun ZHENG Jun-wei

（China guangdong nuclear engineering co.，LTD.，shenzhen guangdong 518000，China）

【Abstract】With the improvement of the automation degree of nuclear power plants，DCS has become more and more widely used in nuclear power plants，and the PCB in DCS can be damaged by external strong electricity or inductive power.This paper introduces the process analysis and the causes of the burning of DCS cage mold by electric distribution panel during the commissioning of a nuclear power plant. The method and idea of this kind of analysis are helpful to solve the interference problem of DCS.

【Key words】Nuclear power plant；Electric switchboard；Induction；DCS；IO module

0 引言

某核電廠是我國在翻版加改進的基礎上自主設計、建造的百萬千瓦級壓水堆核電廠，采用了德國西門子公司的非安全級Teleperm-XP和安全級Teleperm-XS全數字化DCS儀控系統。在調試過程中，發生了DCS控制柜機籠模件燒毀的事件。經調查分析，確認了電氣配電盤產生感應電是模件燒毀的根本原因。設備廠商對電氣配電盤現場改造后徹底消除了感應電的產生，排除了DCS系統安全運行的一個隱患。

1 事件概述

2010-11-18 15點37分某核電廠2號機主控室監視畫面突發煙霧探測報警，同時操縱員接到現場工作人員報警電話，報告4LX廠房房間4KCP561AR控制柜冒出煙霧且伴有火花。經現場檢查4KCP561AR機柜，發現6個機籠電源分配保險熔斷，CA層IO模件工作指示燈全部處于報警狀態，柜內CA層機籠模件有燒焦痕跡，電路板焊錫融化，如圖1。

隨后儀控專業牽頭、電氣和工藝系統專業配合的調查小組對事件原因進行調查分析。

2 原因查找

西門子Teleperm-XP（T2000）DCS系統包括控制柜、端子柜與電源柜等，每臺控制柜主要由CPU、IO模件及附屬元件組成，機籠背板是機柜總線的一部分，負責CPU與IO模件的通訊，并給IO模件分配工作電源。其通過控制電纜與現場設備連接[1]。

2.1 DCS報警信息分析

DCS事故追憶記錄顯示，事件發生（15點37分）前CA層機籠043槽位的FUM210模件頻發通道故障報警信息。043槽位配置FUM210開關量輸出模件，控制4臺設備：4GSS201VV、4GSS251VV、4GSS252VV、4GSS290PO。經查記錄，附近時間段只有4GSS290PO有設備狀態變化及異常報警信息，諸如：反饋故障、現場設備低電壓、控制回路故障、試驗位故障等。

FUM210模件是Teleperm-XP非安全級DCS系統最常見的IO模件之一，廣泛應用于現場開關量設備的輸入輸出，是使用數量最多的部件級DCS設備。該模件集成了標準化的DCM（Drive Control Module驅動控制模塊）模塊，用于現場兩位式控制設備的控制驅動和狀態采集。該集成策略有利于DCS軟硬件的便捷組態和系統的標準化設計，功能非常強大。該核電廠設計中并未選用DCM的全部功能，比如：試驗位置、低電壓、控制回路故障等DI點并未接入DCS。FUM210與電氣配電設備典型控制接口信息如圖2所示。

DCS數字化IO模件對開關量輸入觸點邏輯0/1的判斷是基于通道端采集到的電壓值，高過一定閾值認為是高電平1（對應邏輯量1），低于一定閾值認為是低電平0（對應邏輯量0）。而4GSS290PO并未接入DCS的“試驗位置、低電壓、控制回路故障”等DI點發出報警信息（邏輯量1報警，對應高電平），說明這些通道端口電壓被抬高并超過DCS系統中高電平1的判斷閾值。用萬用表測量該機柜所有外部電纜，未發現有超過交、直流24V的電壓存在。

2.2 電氣配電盤上的檢查測試

4GSS290PO是一臺380V交流電機泵，其與DCS的控制連接如圖2所示。調查小組在電氣配電盤側檢查電纜端接無誤，對4GSS290PO做好安全措施后，對配電盤進行了檢查測試，測量工具為數字萬用表FLUKE287，試驗測試記錄數據如下表1：（各種試驗情況下，電機狀態反饋端子直流電壓分量均為0 VDC。）

從試驗結果看，電氣配電盤上電機狀態反饋控制電纜上產生了較高的感應電壓。電機加熱器的投切對產生感應電貢獻較大（隔離位置時，投入電加熱器增大了31-10=21VAC；工作位置時投入電加熱器增大了41-11=30VAC）；電機停止狀態下，電氣配電盤由隔離狀態轉變到工作狀態，只增加了1VAC的感應電壓變化，而電機運行與否對產生感應電壓的變化沒有貢獻。查DCS系統手冊得知，無論是92VAC的峰值電壓，還是41VAC的穩態電壓值，都可能對DCS內部的精密電子元件造成損傷[2]。

2.3 電氣配電盤產生感應電的原因分析

檢查電氣配電盤內部電纜布置，發現盤內控制電纜、動力電纜走線布置不合理。受電加熱器啟停設計方案及配電盤元器件布局影響，電加熱器的啟停直接由配電盤接觸器的輔助接點連鎖控制實現，即在圖2中送到DCS去的狀態反饋弱電信號線與電機加熱器220VAC線共用同一走線槽，強弱電纜混合布置易導致弱電信號受強電電磁場干擾。

DCS控制電纜屏蔽層在進入配電盤前統一接地，配電盤內部控制電纜線芯不含屏蔽層，線芯中產生的感應電干擾不能被屏蔽層有效屏蔽，故感應電會通過線芯經少量衰減后直接作用于DCS系統IO模件的輸入通道中[3]。

2.4 本次DCS控制柜機籠燒毀的機理分析

2.4.1 感應電的電壓很高，但電量很小

試驗中雖然感應電的電壓很高，實測峰值達到92VAC，實際可能更高（FLUKE287數字式萬用表的響應時間較指針式萬用表長），但其電量很小——用電流檔對地沒有測量到有明顯的交、直流電流，微小的電量不足以燒毀機籠、將焊錫熔化。但這種電壓尖峰容易擊穿高密度集成電路上的電子元器件，在電路板外表并不會看到異常。

2.4.2 感應電擊穿精密電子元器件，同時擊破了DCS模件的“安全屏障”

DCS系統IO模件的主體是布置數量龐大二極管、三極管、電阻、電容的超大規模集成電路板，靜電或感應電尖峰極易引起電路或芯片中微小電子元器件擊穿，導致電路板線路或“斷路”或“短路”，進而影響整體功能。“斷路”通常表現出工作異常，而“短路”則可能引起模件供電電源接地，產生較大電流，使電路板局部發熱燒毀。

2.4.3 1號機相同位置電氣配電盤曾引發相同位置DCS機籠工作異常

2010年6月16日，該核電廠1號機組3GSS290PO啟動后突發電機狀態反饋故障報警。經檢查，在CA043槽位模件上測量到了不正常的電壓等級：19.85VDC、 19.92VDC、 21.5VDC、21.18VDC、 21.39VDC等。DCS系統中只有24VDC和5VDC兩個標準電壓等級，不正常的電壓等級表明電路板有降壓電子元器件被擊穿，使得“線路”受損，產生了不同的電壓降，但外表檢查并未發現異常。更換控制柜機籠模件后，設備狀態顯示重回正常，再驗證試驗通過。

2.4.4 控制柜機籠模件受感應電干擾流程圖

由以上原因查找過程，繪制控制柜機籠模件受感應電干擾燒毀流程圖如圖3所示。

3 原因分析及糾正措施

綜上所述，此次DCS控制柜機籠模件燒毀的直接原因及根本原因如下：

直接原因：電氣配電盤產生的感應電擊穿了DCS機籠模件中精密電子元器件，擊破了模件的“安全屏障”，導致模件供電電源接地，電路板局部發熱燒毀。

根本原因：電氣配電盤內部強弱電走線布置不合理，導致弱電信號線纜受到動力線纜較強的電磁干擾而在線芯中產生較強感應電。

由根本原因分析結果，制定糾正措施要求設備廠商在不改變電氣配電盤圖紙設計的情況下，優（下轉第121頁）（上接第130頁）化電氣配電盤布置設計，按相關布線標準重新規劃了強弱電線纜在配電盤內的走線布置。糾正措施完成后，在相同條件下重新做3.2章節的電氣盤試驗，弱電端子上測得的感應電壓最高值在3VAC以下。經驗證，對DCS正常運行無影響。

4 結束語

無論是在常規電廠還是在核電廠的調試過程中，DCS系統發生模件燒毀事件是比較常見的現象，但原因大都比較明了，基本上是由于電纜端接錯誤引起強電串入。而此次機籠模件燒毀實質上是一個“二次傷害”事件，根本原因比較隱蔽。設備廠商在做相應改造后徹底消除了電氣配電盤感應電的產生，并在已商運的機組進行推廣實施。這種分析問題的方法或思路對解決此類感應電干擾問題有一定指導和借鑒意義。

另外，通過事實論證了DCS設備防靜電、防電磁干擾措施的必要性，有利于核電廠完善數字化儀控系統的管理程序和操作規范。

【參考文獻】

[1]鄭偉，西門子TELEPERM XP分散控制系統技術及其應用[J].河北電力技術，2003，22（1）：31-34.

[2]張國金.吹灰器信號回路產生感應電的原因及解決辦法[J].中國高新技術企業，2012，15（05）：77-78.

[3]田茂彬.DCS控制系統模件燒損原因及預防措施[J].中國科技信息，2007，10：94-96.