Limitorque MX系列智能型電動執行機構黑屏故障分析

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(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

電動執行機構是工業過程控制系統中的一個十分重要的現場驅動裝置，其能源取用方便、安裝調試簡單，在電力、冶金、石油、化工等工業部門得到越來越廣泛的應用。傳統機械式電動執行機構主要由控制部件、傳動部件、電機及限位組成。隨著電力電子技術、計算機技術及數字通訊技術的快速發展，目前帶有人機界面的智能型電動執行機構越來越普遍。

秦山核電二期3、4號機組常規島中安裝有智能型電動執行機構304臺，分屬于4個廠家(Limitroque、SND、Bernard、Rotork)，其中Limitorque MX系列智能電動執行機98臺，主要分布于GSS、ARE、AHP、APA和APD這5個重要系統的重要管道上。

Limitorque MX系列智能電動執行機構是由美國Flowserve Limitorque公司生產，全球范圍內現已安裝的 Limitorque執行裝置超過了100萬臺[1]。

LIMITORQUE MX系列智能電動執行機構的結構[2]如圖1所示。

圖1 電動執行機構結構示意圖Fig.1 The structure diagram of electronic actuator

1 故障描述

2012年5月19日，秦山核電二期3號機組3GSS205VV(GSS206VV上游電動隔離閥)就地顯示屏出現黑屏，電動執行機構失電，3號機組主控室出現電動執行機構故障告警。

該電動執行機構信息如表1所示。

表1 電動執行機構信息

現場拆下該智能電動執行機構的控制單元發現，其中的電源模塊出現灼燒痕跡。如圖2所示。

通過更換電源模塊，故障消除。但之后的一年內，此現象頻繁出現，截至2013年8月一共發生6起(如表2所示)，因此這不是一個偶發故障，應該是由于共性原因引起。雖然更換電源板后問題得以解決，但是不能保證其他剩下的92臺(3、4號機組共98臺)同系列電動執行機構不出此類問題。

圖2 故障電源模塊Fig.2 The fualty power module

時間電動頭位號型號產品序列號2012-5-193GSS205VVMX05-183620-0162012-9-113GSS218VVMX05-183620-0242012-10-93ARE054VLMX20-177196-0032013-6-24GSS105VVMX05-183620-0032013-7-93GSS210VVMX05-183620-0252013-7-163GSS223VVMX20-183620-017

2 原因分析

造成PBC板銅箔燒灼擊穿有外部原因與內部原因，本文從電動執行機構所處環境、電源波動情況以及自身結構進行分析。

2.1 電動執行機構所處環境

Limitorque MX系列智能電動執行機構主要安裝于常規島蒸汽管道，管道內的蒸汽處于高溫高壓狀態(比如GSS系統管道壓力為6.7MPa，溫度為283℃)

對3GSS210VV電動執行機構的閥桿和控制部件進行了熱成像(見圖3)。

圖3 電動執行機構溫度Fig.3 The temperature of electronic actuator

通過熱成像圖發現，熱量從管道上傳到閥桿，再到控制部件，最高溫度還在50℃左右。可以說電動執行機構所在的環境還是比較惡劣的，處于一個高溫環境。Limitorque MX系列智能電動執行機構的運行溫度范圍為：-30～+70℃，雖然現場溫度在此范圍之內，但是高溫對設備運行不利。

2.2 外部電壓

秦山核電二期3、4號機組常規島電動執行機構的電源來自3/4KCO061AR～066AR電動執行機構配電柜。此配電柜由兩路電源供電：3/4LKF481JA(正常回路)和3/4LKR461JA(備用回路)，通過主控上位機查看LKF/LKR母線電壓趨勢(核電廠母線電壓數據均上送到主控計算機里，可查看歷史記錄)，發現在電動執行機構故障期間均未出現過電壓波動現象。圖4為2013年7月9日，3GSS210VV出故障時間段內(18:00至24:00)3LKF和3LKR電壓趨勢，未發現明顯波動。說明不是電壓異常造成了電源模塊燒損。

圖4 3LKR/3LKF電壓趨勢Fig.4 The voltage trend of 3LKR and 3LKF

2.3 電源模塊分析

電源模塊主回路部分電氣圖如圖5所示。

圖5 電源模塊部分電氣圖Fig.5 The electrical diagram of power module

圖6 電源模塊Fig.6 The power module

電源模塊的作用主要有以下兩種：

1)為電機提供正反轉電源；

2)其中的L1/L2相通過變壓器轉換成22、13.5、18.7和9.16V四種電壓等級的電源供其他控制模塊使用。

從電源模塊(見圖6)的結構布置看出：

1)F1為L2相熔絲，F2為L1相熔絲，熔絲額定電流均為1A。

2)在F1熔絲的正下方有3條銅箔走線，其中3號線在PCB板的最上層，2號和4號線在PCB板的中間層。

3)變壓器一次進線電壓可以根據用戶提供的電壓等級進行選擇，按照美國標準一共有4個進行電壓等級可選，分別為：

1號線—2號線：226 V AC；

1號線—3號線：366 V AC；

1號線—4號線：392 V AC；

1號線—5號線：450 V AC。

秦山核電3、4號機組電動執行機構配電柜提供的相電壓為390V，而現場跳線選擇的卻是1～3號線,雖然不影響電動執行機構的功能，但3號線走的卻上PCB板的最上層，而最上層的絕緣層非常薄，為擊穿埋下了伏筆。

4)F1熔絲正下方PCB板上的3號線銅箔擊穿(如圖7上所示)，現場跳線JU1選擇在3號線，即366V電壓等級，3號銅箔擊穿說明擊穿位置存在放電現象。

5)F1、F2熔絲上蓋上了一個膠套，膠套與熔絲座及PCB板相連。通過觀察新電源模塊的膠套我們發現，新的膠套是呈透明而柔軟的(如圖7中所示)，而現場燒損的電源板的膠套卻是深黑的，表面呈黏糊狀(如圖7下所示)。在常溫下，測量現場膠套電阻為無窮大，但是隨著溫度的提升，絕緣在降低。

圖7 細節圖Fig.7 The details of power module

通過以上現象，以及實驗結果得出以下結論：

電源模塊PCB板2、3、4號線走線方式上不合理，當現場使用最上層的3號線時，在F1熔絲與3號線間就會有一個390V的電壓差，而熔絲膠套與3號線銅箔所在的極薄絕緣層接觸，兩者長期處于高溫環境下，膠套老化，變粘稠，絕緣性能下降，在高電壓作用下老化橡膠與帶電銅箔之間有存在放電現象，加速PCB板銅箔絕緣的破壞，長時間后擊穿銅箔。

3 解決方法

根據以上分析結果，我們提出兩個整改辦法(見圖8)：

1)將熔絲絕緣罩剪短3～5mm，使其邊緣不與PCB板的最上層銅箔直接接觸，這樣即使熔絲絕緣套在高溫環境下絕緣降低，也不至于與PCB板接觸，產生放電或者電離現象。

2)將電壓等級跳線從目前的1～3號線(366V)改為1～4號線(392V)。選擇392V等級，變壓器二次側電壓更接近銘牌值(二次側銘牌電壓為22、13.5、18.7和9.16V)。另外4號線(392V) 處于PBC板的中層，絕緣效果更好一些。改線后，經過反復試驗，電動頭顯示、操作和反饋均正常。

圖8 整改后的電源模塊Fig.8 Rectification of Power Module

秦山核電二期3、4號機組常規島98臺Limitorque MX系列智能電動執行機構分別于Q2-304與Q2-403大修期間全部進行了整改，整改至今近3年時間再未出現過因為電源模塊燒損而導致電動執行機構黑屏的現象。

4 結 論

秦山核電二期3、4號機組Limitorque MX系列智能電動執行機構由于電源模塊銅箔擊穿而導致黑屏的原因為自身電源模塊布線上存在一定問題，再加上跳線選擇錯誤與運行環境導致絕緣套老化絕緣降低，這幾種因素綜合影響下，導致了故障的發生。Limitorque MX系列智能電動執行機構在核電站尤其是新建核電站的市場占有率很高，本文對其他相關電廠相同的問題的解決具有很高的借鑒意義。