核電廠主給水隔離控制回路繼電器觸點競爭問題分析及優(yōu)化

楊宇奇，張?zhí)旌剑捎駝P，熊國華

（中廣核研究院有限公司 系統(tǒng)工程與改造中心，廣東 深圳518000）

1 概述

核電廠主給水系統(tǒng)（ARE）的功能是將凝結(jié)水可控地送往三臺蒸汽發(fā)生器，并根據(jù)汽輪機功率控制蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的水位。在機組發(fā)生啟動安注的事故工況時，安注信號會觸發(fā)一系列下游系統(tǒng)及設(shè)備動作，包括停堆、啟動安住、ARE 主給水隔離、啟動ASG 輔助給水、啟動應(yīng)急柴油機等，其中ARE 主給水隔離會同時將ARE 調(diào)節(jié)閥和電動隔離閥關(guān)閉。

圖1 安注邏輯簡圖

安注信號觸發(fā)方式分為自動觸發(fā)和手動觸發(fā)兩種，在事故工況下通過手動觸發(fā)安注時，主控操作員手動按下安注按鈕RPA/RPB058TO 來啟動安注，觸發(fā)的主給水隔離關(guān)閥指令為短時信號，信號持續(xù)時間小于ARE 電動隔離閥的關(guān)閥行程時間20s，因此，ARE 電動隔離閥無法實現(xiàn)完全關(guān)閉，進而影響主給水隔離功能的實現(xiàn)。為解決這一問題，在主給水隔離控制回路增加前延時繼電器及輔助繼電器實現(xiàn)ARE 主給水隔離短時信號的自保持功能，從而保證ARE 電動隔離閥的有效關(guān)閉，實現(xiàn)主給水隔離功能，如圖2所示，以ARE052VL（A 列主給水隔離控制信號）為例，當RPA058TO 短時按下并松開，短時觸發(fā)RPA 主給水隔離信號，關(guān)閥繼電器ARE701XF 短時得電勵磁，通過其常開觸點閉合形成自保持回路，此時電動隔離閥ARE052VL 開始關(guān)閥行程，同時延時繼電器ARE721XT 得電開始計時25s，25s 后電動隔離閥完全關(guān)閉，ARE721XT 輸出高電平勵磁輔助繼電器ARE721XR，其常閉觸點的斷開，ARE701XF/ARE721XT/ARE721XR 全部失磁，ARE701XF 的常開觸點斷開實現(xiàn)自保持回路的復(fù)位，整個電動隔離閥的關(guān)閥過程結(jié)束。

圖2 主給水隔離控制回路

2 主給水隔離控制回路電路分析

在對控制回路進行功能鑒定時發(fā)現(xiàn)，ARE721XT 延時25s后，本應(yīng)處于斷開（復(fù)位）狀態(tài)的ARE701XF 常開觸點未實現(xiàn)斷開，自保持電路未實現(xiàn)復(fù)位，且ARE721XR 與ARE721XT形成振蕩電路，ARE721XR 的觸點不斷吸合、釋放。

經(jīng)分析，在繼電器觸點的動作過程中，受到機械慣性、機械位移量及電磁慣性等因素的影響，相關(guān)觸點的動作在時間上產(chǎn)生時延，不能按照預(yù)先設(shè)定的時序依次動作，從而引起電路的誤動作，這就是競爭（冒險）現(xiàn)象[1]。如圖3所示，繼電器觸點產(chǎn)生的動作時延主要原因有兩個：

圖3 繼電器通斷電及觸點動作時延

一是觸點機械行程時延，對同一型號的繼電器，由于其物理結(jié)構(gòu)決定，其機械觸點通常按照先斷后合的順序動作；

二是線圈通斷電時延，即繼電器的吸合與釋放的時延不同，其長短取決于該線圈充電和放電時間常數(shù)，通常斷電時延大于通電時延。

由圖4可知，ARE721XR 的復(fù)位時序只有幾毫秒的時間，存在短時置1 信號的開啟（復(fù)位）回路[2]，因此，就存在與ARE701XF 觸點動作相互競爭的風險。對復(fù)位瞬間繼電器觸點的動作時序進行分析：

①當ARE721XT 延時25s 后勵磁ARE721XR，其常閉觸點斷開復(fù)位自保持回路，此時ARE701XF/ARE721XT/ARE721XR 都失磁，由于此時ARE701XF 常閉觸點還未斷開（受釋放時間和運動零件行程時間影響）；

②ARE721XR 的常閉觸點由于勵磁端失電重新閉合，使得自保持回路重新建立，ARE701XF/ARE721XT/ARE721XR重新勵磁；

③ARE721XT 重新勵磁并驅(qū)動ARE721XR， 使得ARE721XR 常閉觸點重新打開，如此循環(huán)往復(fù)，形成振蕩，由于ARE721XT 延時有效的最小時間為500ms，因此，振蕩周期內(nèi)不會再產(chǎn)生25s 的延時效果。

圖4 設(shè)計預(yù)想時序與試驗結(jié)果對比

3 主給水控制回路的優(yōu)化方案

通過以上對主給水隔離控制自保持控制回路繼電器觸點振蕩的原因進行分析，可以發(fā)現(xiàn)問題的關(guān)鍵是如何將關(guān)閥繼電器ARE701XF和輔助繼電器ARE721XR 觸點動作的時序錯開，使ARE721XR/ARE701XF 復(fù)位有了先后順序，從而消除競爭（冒險）現(xiàn)象，優(yōu)化方案如圖5所示。

圖5 主給水隔離控制回路優(yōu)化方案（以ARE052VL 為例）

對復(fù)位瞬間繼電器觸點的動作時序進行分析：

①當ARE721XT 延時25s 后，ARE721XR 勵磁，其常閉觸點先斷開，使得ARE701XF 失磁，其常開觸點先斷開；

②ARE701XF 常開觸點斷開使得ARE721XT/ARE721XR失磁，其常閉觸點再閉合；

③觀察記錄儀，兩個觸點復(fù)位動作時差大約在2ms，規(guī)避了競爭（冒險）現(xiàn)象。

4 結(jié)論

在繼電器控制回路設(shè)計過程中，通常是靜態(tài)分析控制電路的繼電器動作，未考慮繼電器觸點的動作時序。由于繼電器的勵磁線圈的電磁慣性、釋放時間和運動零件行程時間等因素，使得繼電器勵磁線圈的得電/失電、觸點的斷開/閉合存在一定的時間差。核電廠主給水隔離功能因兩個繼電器的觸點動作時序的偏差，導(dǎo)致主給水隔離自保持回路無法復(fù)位，產(chǎn)生自激振蕩現(xiàn)象。

通過對繼電器觸點動作時序的動態(tài)分析，并對控制回路的繼電器動作時序進行優(yōu)化設(shè)計，避免了因繼電器觸點競爭導(dǎo)致主給水功能隔離無法復(fù)位的故障，從而保證了主給水隔離功能的實現(xiàn)。