除碘凈化排風機跳閘的原因分析及設備管理

劉爭光

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

貫穿區和專設安全設施泵房除碘凈化排風系統，在正常運行工況及事故工況下都連續運行，即使在罕見的失水事故（LOCA）和失電事故（LOEP）同時發生的情況下也需連續運行。

在某次輔助廠房安全設施泵房及貫穿區通風系統P2-1A試驗中，安全設施泵房和貫穿區除碘凈化排風機P2-1A運行將近5 h時，主控發現P2-1A系統入口流量突然降低，經查看發現P2-1A的控制回路開關跳閘，進而導致排風機P2-1A停運。P2-1A排風機失電，將會使貫穿區和專設安全設施泵房除碘凈化排風系統喪失一臺可運行的風機，影響除碘凈化效果，同時進入TS（技術規格書限制）計時，如7 d內不能修復的，則退模式到熱停堆。這種缺陷給核電廠的安全運行帶來了一定風險。為了降低核電廠的設備因缺陷而發生停運的頻度，有必要從設備的運行機理、設備的選型和設備的管理等方面來進行深入分析，提高核電廠設備的穩定運行。

1 原因分析

安全設施泵房和貫穿區除碘凈化排風機P2-1A跳閘，經檢查為主控盤臺上P2-1A的運行指示紅燈燒毀以致紅燈回路短路，造成P2-1A風機二次回路控制空氣開關跳閘，進一步導致P2-1A風機跳閘（圖1）。

P2-1A電機跳閘邏輯分析如下：①RH2紅燈變壓器燒毀導致65#和2#短路；②二次回路QF1控制開關跳閘；③二次回路接觸器KM線圈失電；④一次回路KM接觸器觸頭不能保持吸合打開；⑤電機主回路失電，電機（風機）失電跳閘（圖2）。

結合圖1可知，指示燈使用的是經過變壓器的指示燈，主控紅色指示燈燒毀是指示燈內的小型變壓器短路所致。

圖1 燒毀的紅燈

變壓器燒毀的可能原因主要有3個。

（1）電流大導致變壓器燒毀。該原因可以排除，指示燈為LED指示燈，電流約5 mA，P2-1A正常運行時不會電流過大導致變壓器燒毀。變壓器燒毀導致跳閘時電廠相關設備運行正常，電壓正常，電壓高的可能性可以排除。

（2）電壓高、變壓器溫升太高，散熱不良，造成變壓器燒毀。變壓器溫升過高的促成原因一般是其兩端電壓過電壓所致，而現場過電壓的可能性主要由感應電所致。但結合當天值班日志顯示P2-1A跳閘前30 min沒有主控盤臺上的其他設備啟動，也沒有主控室相關的A通道（P2-1A屬于A通道）設備的啟動。由此可知，由于A通道感應電所致變壓器的電壓過高的依據不充足。

隨后開展測量電壓工作，當風機停運狀態下，P2-1A排風機主控盤臺紅色指示燈的電壓，測量結果為P2-1A電機送電并停運。測量紅燈兩端2#—65#之間電壓3次，分別為27.2 V、27.1 V和27.2 V。

圖2 P2-1A控制原理

圖3 電路板式指示燈原理

當風機運行時，測量P2-1A排風機主控盤臺紅色指示燈的電壓，測量結果為P2-1A電機運行。測量紅燈兩端電壓3次，分別為387.2 V、387.1 V和387.2 V。

從上述測量結果可知，P2-1A排風機運行期間，紅色指示燈端電壓在正常工作范圍內。

P2-1A跳閘當天工作情況與上述電壓測量結果，可排除P2-1A排風機紅色指示燈由于感應電造成端電壓過高。

（3）匝間絕緣被破壞或損壞，導致匝間短路。通過把燒毀的紅色指示燈寄回廠家進行鑒定，紅色指示燈的變壓器燒毀是由于在變壓器生產過程中，使用了帶有缺陷或損傷的絕緣層銅線（如漆包線個別地方有氣泡等絕緣薄弱點），導致在使用過程中發生短路現象。

通過變壓器變為5 V的指示燈的故障機理主要是變壓器線圈短路，從而導致控制電路的空氣開關跳閘。指示燈局部故障導致主回路的設備沒法正常運行。這種情況擴大了故障的范圍，會給核電廠的安全運行造成重大影響，從而影響核電廠的經濟運行。

為了提高設備的可靠性，需要短路故障率低的指示燈，當指示燈故障時，處于開路故障狀態，這樣故障范圍就不會擴大，從而減少核電廠運行的風險。

通過調查，有一種電路板式指示燈，短路的故障機率低。有必要深入分析一下其故障模式。從而進一步優化設備的管理。

2 電路板式指示燈故障模式分析

電路板式指示燈主要是通過電阻器、穩壓二極管進行分壓，使交流220 V電壓變換為5 V左右的電壓，從而為發光二級管（LED）供電（圖3）。其中瞬態電壓抑制二極管用于保護浪涌過電壓，從而提高指示燈的可靠性。

圖4為電路板式指示燈的仿真原理圖，輸入電壓為220 V交流電壓，輸出電壓將近5 V左右。穩態波形如圖5所示。其中U_LED為發光二極管兩端的電壓波形；I_LED為流過發光二極管的電流波形，有效值為1.38 mA。

分析電路板式指示燈的故障模式是為了了解該種形式的指示燈在故障的時候，會不會造成風機控制回路短路，以防故障范圍擴大（從指示燈故障擴展到整個風機停運）。一般情況下，控制回路的整定電流在6 A，指示燈故障，控制回路的空氣開關是否會保護跳閘，主要取決于電路板式指示燈的輸入電流I_IN會不會突變超過控制回路的整定電流6 A。

由圖3可知，電阻R3燒毀（對電阻而言就是電阻無窮大，即開路），指示燈的電源輸入端的電流I_IN會減小。R4燒毀會導致指示燈的發光二級管沒有電壓。由于電容C1的容抗幅值為0.02 MΩ，R2的幅值1 MΩ，二者并聯的等效阻抗取決于電容的阻抗幅值，當電阻R2燒毀時（R2開路），對電容電阻并聯支路的阻抗影響不大，電路板式指示燈的輸入電流I_IN不會發生太大變化，在此就不在分析R2燒毀時的情形。同樣，R1開路，也不會造成指示燈短路故障。

所以后續主要分析電容C1擊穿短路、穩壓二級管D1擊穿短路、瞬態抑制二級管D5擊穿短路等故障情況。

圖4 電路板式指示燈仿真圖

圖5 電路板式指示燈LED端電壓和電流仿真圖

2.1 電容短路故障

電容C1短路故障時的仿真圖如圖6所示。當電容C1突然短路時，指示燈的電源輸入端電流I_IN和發光二極管兩端電壓U_LED的波形如圖7所示。從圖7可知，指示燈的電源輸入端電流I_IN的有效值從3.356 mA突變到3.668 mA。此外，從圖中可以看出，電流的瞬態峰值在10.4 mA以下。從而可知電容C1突然短路故障，不會造成指示燈的電源輸入端電流I_IN急劇變大超過二次回路的空氣開關整定電流6 A，也即不會發生短路故障。

圖6 電容短路故障時仿真圖

圖7 電容短路故障時輸入電流和LED端電壓仿真圖

2.2 穩壓二級管短路故障

單個穩壓二極管擊穿短路（只考慮單一故障）的仿真電路如圖8所示，指示燈的電源輸入端電流I_IN和發光二極管兩端電壓U_LED的波形如圖9所示。從圖9可知，指示燈的電源輸入端電流I_IN的有效值從3.356 mA突變到3.661 mA，電流的瞬態峰值在8.7 mA以下。因此，單個穩壓二極管擊穿短路，不會造成指示燈的電源輸入端電流I_IN急劇變大超過二次回路的空氣開關整定電流6 A，即不會發生短路故障。

2.3 瞬態抑制二級管短路故障

瞬態抑制二極管擊穿短路時的仿真電路如圖10所示，指示燈的電源輸入端電流I_IN和發光二極管兩端電壓U_LED的波形如圖11所示。從圖11可知，指示燈的電源輸入端電流I_IN的有效值從3.356 mA突變到3.431 mA，指示燈的電源輸入電流基本沒有多少變化，電流的瞬態峰值在6.3 mA以下。所以，瞬態抑制二極管擊穿短路時，不會造成指示燈的電源輸入端電流I_IN急劇變大超過二次回路的空氣開關整定電流6 A，即不會發生短路故障。

圖8 二級管短路故障時仿真圖

圖9 二級管短路故障時輸入電流和LED端電壓仿真圖

綜上可知，電容C1擊穿短路、穩壓二級管D1擊穿短路、瞬態抑制二級管D5擊穿短路這3種故障模式，指示燈的電源輸入端電流I_IN變化不是很大，不會造成指示燈回路短路。再結合電阻R1、R2、R3、R4燒毀開路，同樣不會造成指示燈回路短路。

圖10 瞬態抑制二極管擊穿短路故障時仿真圖

圖11 瞬態抑制二極管擊穿短路故障時輸入電流和LED端電壓仿真圖

根據上述分析，電路板式指示燈的主要故障模式造成指示燈回路短路的概率極小。

3 引發的設備管理思考

核電廠的安全、經濟運行實際上與設備的質量息息相關。設備的質量又與其工作機理、質保體系等各種因素有關。例如變壓器式指示燈的主要故障模式就是線圈短路故障，其影響面較大，即使變壓器式指示燈的質保體系很高例如核級（Q1級），雖然可以減少變壓器指示燈的故障率，其有效使用時間變長，一旦發生變壓器線圈短路故障時，必定會造成指示燈控制回路短路故障，從而導致主設備（例如風機）停運，這是變壓器指示燈的工作機理所決定的。而電路板式指示燈的元器件故障一般會導致指示燈本體故障，而非短路故障，不會造成故障范圍的擴大。所以，在設備選型時，需要考慮設備的故障模式，盡量選取短路故障模式概率低的設備。

設備的質保體系是保證設備有效運行時長的根本保證，也即產品質量的高低決定因素。這也是在考慮經濟成本時，盡量選取質保體系高的設備。此外，也要做好相應的設備備件庫存工作。當現場的設備出現缺陷、需要更換時，充足的庫存是給故障搶修提供了有利保障。

所以，只有從多個方面去綜合考慮設備管理工作，才能真正提高設備的可靠性。