乏燃料升降斗直流控制器故障處理

靳瀚博，茍 海

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

秦山核電三期是從加拿大引進的70 萬重水堆機組，具有不停堆換料的特點，乏燃料升降斗在換料過程中起到承載乏燃料并將其運至水下的任務。在機組運行過程中，直流控制器會出現(xiàn)速度偏離設定、控制器失效等故障，筆者曾經處理3 次乏燃料升降斗控制器的故障。升降斗為半圓槽形，若升降斗驅動失效，則存在乏燃料棒束失去冷卻而熔毀的風險，因此制定切實可行的解決方案，對燃料操作系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

1 直流控制器工作原理

乏燃料升降斗電機的直流調速系統(tǒng)包括兩部分，勵磁并聯(lián)的直流電機和單項全波可控硅（SCR）控制器。直流調速控制原理是利用晶閘管正向阻斷和觸發(fā)導通特性，完成直流電機的正反向旋轉控制；電機快、慢速是通過集成電路中調節(jié)電位計，控制直流調速器的直流輸出電壓來實現(xiàn)。直流控制器輸入為AC 240 V，通過內部電路轉換為0～180 V 直流電壓施加在電機與電機勵磁繞組。電機運行速度可以通過控制器上的電位計進行調節(jié)，可以實現(xiàn)正負IR（電感式電壓調整器）補償調整、最大速度調整、最小速度調整、輸出力矩調整以及線性加速、減速調整等。

2 乏燃料升降斗直流控制器故障分析

在燃料操作系統(tǒng)卸料過程中，乏燃料系統(tǒng)升降斗經常出現(xiàn)驅動失效現(xiàn)象，表現(xiàn)為升降斗突然停滯于一固定位置，程序出現(xiàn)中斷，升降斗動作指令CELL 失效，主控換料盤臺CRT 報警“DRIVE STUCK”。這種情況刨除機械設備，如剎車抱死等原因外，絕大多數(shù)是升降斗直流電機控制器故障導致。

2.1 驅動回路故障

直流控制器的A1 與A2 端子直接控制電機電樞，F(xiàn)+與F-端子直接連接電機的勵磁繞組。在正常工作中，勵磁電流范圍是0.89～1.06 A，電樞電流在2～3 A。電機的勵磁與電樞電流會隨著工作時間及溫度的變化而變化。根據(jù)電機繞組發(fā)熱量公式，Q=I2Rt，I=U/R，其中，I 是經過線圈的電流，R 是線圈電阻，t 是通電時間。可知，在繞組型號（即R）和運行時間（t）不變的情況下，經過線圈的電流決定了線圈的發(fā)熱量。同時若電流（I）不變，運行時間t 越大，則發(fā)出的熱量越多。由于乏燃料升降斗直流控制器長期帶電的工作方式，導致勵磁繞組長期以加電方式運行，勵磁繞組溫度升高，電阻降低，絕緣加速老化，從而過流或短路，燒毀直流控制器。

勵磁繞組的電阻偏小或燒毀后在直流控制器上的直觀表現(xiàn)就是控制器（A1，A2）兩個端子之間的電流持續(xù)增大，或控制器勵磁控制回路中的5FU 石英保險絲（250 V、5 A）燒毀。另一直觀表現(xiàn)就是斷電后從控制器端（A1，A2）兩個端子測量電機勵磁電阻異常偏小。

2008—2018 年，勵磁繞組的阻值持續(xù)呈下降趨勢（表1），尤其是2015 年測得的134.6 Ω 與2018 年測得的114.08 Ω 偏差較大。但未引起注意并采取干預措施，這種情況存在電機勵磁繞組燒毀或乏燃料升降斗失去動力的風險，由此可見升降斗直流控制器持續(xù)帶電運行存在的弊端。

2007 年5 月22 日，秦三廠一號機組換料盤臺操縱員在下降乏燃料升降斗時，發(fā)現(xiàn)剎車釋放指示燈點亮，但升降斗無法下降。檢查發(fā)現(xiàn)控制器保險絲燒毀，檢查電機勵磁電阻為25.8 Ω，電樞電阻為11.7 Ω，嚴重偏離維修手冊中規(guī)定的200～500 Ω，電樞電阻0.3～1 Ω 的標準。后續(xù)現(xiàn)場維修人員發(fā)現(xiàn)電機勵磁線圈燒毀。

表1 電機勵磁電阻變化

2.2 直流控制器內部故障

乏燃料升降斗直流控制器主要功能是控制升降斗上升及下降速度，速度通過直流控制器上的兩個電位計（MAX、MIN）調節(jié)。在秦三廠實際使用工況中，升降斗在保證輸出電壓小于DC 180 V 的情況下，實際速度是高速在200～228 mm/s，低速在30～50 mm/s。若速度調節(jié)超過范圍或電位計漂移導致升降斗速度異常，則會導致?lián)Q料盤臺自動指令失效或升降斗軸編碼器位置指示出現(xiàn)異常。

3 優(yōu)化措施

通過各種手段的優(yōu)化，延長升降斗直流控制器及其驅動電機的使用壽命，減少甚至杜絕其失效次數(shù)，有利于提高設備可靠性與燃料操作系統(tǒng)的可用性，避免系統(tǒng)失效。

3.1 改變升降斗電機直流控制器的工作方式

乏燃料系統(tǒng)升降斗電機控制器長期帶電是影響電機及直流控制器使用壽命的一個重要因素。電機運行過程中，直流電機勵磁繞組如果失電將導致電機速度快速增加。保證勵磁繞組可靠帶電是乏燃料卸料安全的重要保證。

（1）采取在燃料操作系統(tǒng)啟用時對控制器送電，系統(tǒng)停止服役時斷電的工作方式，減少直流控制器與電機帶電工作時間。

（2）對現(xiàn)有系統(tǒng)進行改造，修改乏燃料升降斗電機控制器送電邏輯，盡量降低電機勵磁繞組帶電時間。實現(xiàn)用時勵磁線圈和電樞繞組加電，使用完畢后勵磁線圈自動斷電的目的，需要在換料工藝序列控制信號中查找兩種合適的開關信號輸出點，一種滿足在電機每個運轉工序前狀態(tài)會發(fā)生切換的條件，另一種滿足每次電機完成運轉工序后狀態(tài)會發(fā)生切換的條件。將這兩種信號輸出點加入控制邏輯電路，用于控制繼電器CS8 給電機控制器加電，實現(xiàn)隨用隨開，隨停隨關。避免發(fā)生電機不運行但長時間給勵磁線圈上電的情況。

針對此項，已完成變更，在不改變升降斗功能的前提下，替代原系統(tǒng)中使用的直流控制器，通過控制回路部分接線進行更改，使新控制器的輸出參數(shù)滿足乏燃料升降斗運行功能的要求。在供電回路利用新增CB 作為勵磁和電樞的通斷電開關。同時在直流控制器L1 與L2 之間加入繼電器RL59，在盤臺上增加手動開關CS8 作為控制繼電器RL58 的開關，讓RL58 與RL59行程邏輯連鎖。當供電回路CB 閉合，需手動閉合CS8，使Rl58繼電器通電，進而使RL59 得電才可以使直流控制器帶電工作，實現(xiàn)隨用隨開，隨停隨關。

3.2 定期檢查電機

定期對電機的檢查工作也是必不可少的，可采取定期測量電機定子和勵磁繞組電阻值，以及工作電流的方式，直接監(jiān)測電機健康狀況，消除電機和直流控制器燒毀的風險隱患。當直流控制器燒毀或保險絲燒毀時，應同步考慮是否為電機故障所致，避免因電機故障而重復燒毀直流控制器的風險。

3.3 合理調節(jié)升降斗速度

升降斗在動作時，由于升降斗本身為重型設備（約270 kg），將MIN、MAX 兩電位計固定后，這兩種高速和兩種低速之間會有略微差別。升降斗低速上升靠近上限位時，速度應略靠近下限值（盡量靠近30 mm/s），防止因升降斗過快而引發(fā)升降斗到達上限位后的軸編碼器指示偏差或指令失效，低速下降在速度范圍區(qū)間內即可。

4 結論

本文介紹升降斗直流控制器的運行原理及在運行中常見的升降斗失效、升降斗驅動電機燒毀等故障。通過分析其具體原因，證明直流控制器長期供電的工作方式及直流控制器調速不當?shù)谋锥耍岢鰧刂苹芈愤M行改造、合理調速等一系列優(yōu)化措施，有效提高了燃料操作系統(tǒng)的可用性、安全性，對乏燃料升降斗直流控制器及其回路的檢修提供了技術支持。