CPR1000核電機組汽動泵轉(zhuǎn)速波動引起電子超速跳閘原因探析

趙子樣

(福建寧德核電有限公司，福建 寧德 355200)

0 引言

ASG輔助給水系統(tǒng)屬于安全專設(shè)系統(tǒng)，在主給水系統(tǒng)發(fā)生故障時，ASG系統(tǒng)作為應(yīng)急手段向蒸汽發(fā)生器二次側(cè)供水，使一回路維持一個冷源，排出堆芯剩余功率，直到RRA系統(tǒng)(余熱排出系統(tǒng))允許投入運行為止[1]。汽動泵作為ASG系統(tǒng)的主要動力設(shè)備負責(zé)保證供水的壓力和流量。若ASG003PO汽動輔助給水泵不可用，將導(dǎo)致專設(shè)系統(tǒng)的冗余度降低，安全系數(shù)降低。

ASG系統(tǒng)ASG003PO轉(zhuǎn)速通過ASG001MC進行測量，并將轉(zhuǎn)速值送至就地TR400轉(zhuǎn)換單元，TR400轉(zhuǎn)換單元用于以下場合：①就地指示汽動泵轉(zhuǎn)速；②將汽動泵轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成4-20mA電流值；③給出電子超速保護跳閘和報警。當(dāng)泵轉(zhuǎn)速達到電氣超速保護裝置的設(shè)定值時，TR400處理單元使跳閘電磁閥得電，電氣超速跳閘電磁閥開啟，將主汽閥(ASG135VV)和乏汽管道聯(lián)通，此時主汽閥由于背壓降低而關(guān)閉，蒸汽無法進入汽輪機，汽輪機停止運行，從而實現(xiàn)保護。

1 問題描述

2017年1月12日22∶23，某核電站ASG003PO啟動小流量試驗，試驗過程中主控ASG001MC轉(zhuǎn)速顯示波動較大，運行過程中轉(zhuǎn)速波動范圍為7720～9420rpm，而就地TR400轉(zhuǎn)速顯示則較穩(wěn)定，約為8450rpm，波動幅度在百轉(zhuǎn)以內(nèi)；23∶32，ASG003PO因第一級電子超速保護動作跳閘，就地TR400面板OUT1指示燈熄滅，主控觸發(fā)ASG073KA2報警(綠色曲線)，跳閘時泵出口壓力ASG006MP及系統(tǒng)流量ASG004MD顯示值與跳閘前的相比均較一致(兩參數(shù)均穩(wěn)定)，說明泵實際未超速，且實際轉(zhuǎn)速較穩(wěn)定。

2 分析方法及結(jié)果

2.1 分析方法

根據(jù)前述現(xiàn)象，以及超速保護動作的原理及接線圖(如圖1所示)，對測量回路各環(huán)節(jié)進行分析，并結(jié)合故障現(xiàn)象及現(xiàn)場調(diào)查情況，依據(jù)可能性高低對可能故障模式進行排序。

圖1 轉(zhuǎn)速測量及超速保護回路

2.2 可能的故障模式分析

超速保護動作回路正常動作響應(yīng)無異常，排除TR400的DO輸出下游回路故障可能，問題出現(xiàn)在超速保護動作產(chǎn)生回路，將異常圈定在TR400、轉(zhuǎn)速傳感器1101(含自帶電纜)、中間回路電纜及端接、磁極。此外，傳感器與磁極安裝間距固定，因而此因素不再列為可能故障模式進行討論?？赡艿墓收夏Ｊ郊翱赡苄耘判?，如表1所示。

表1 故障模式分析

2.3 詳細分析可能的故障模式

2.3.1 外部電磁場干擾

整個轉(zhuǎn)速測量、電子超速動作回路和汽動泵被設(shè)置在同一單獨房間，房間內(nèi)無大功率的電氣設(shè)備，且整個測量回路絕緣測量良好，無接地；加之，在泵停運時轉(zhuǎn)速示值未見波動，因而，此故障模式可能性可以排除。

2.3.2 磁極安裝不牢固

ASG003PO隔離后，開啟軸承箱，經(jīng)機械專業(yè)對N、S磁極安裝檢查，安裝牢固，且表面清潔。排除磁極安裝不穩(wěn)定造成磁力線不規(guī)則，進而引起轉(zhuǎn)速傳感器輸出方波異常的可能。

2.3.3 轉(zhuǎn)速傳感器安裝松動

轉(zhuǎn)速傳感器安裝在轉(zhuǎn)速測量筒內(nèi)，轉(zhuǎn)速測量筒焊接安裝在泵本體上，且與轉(zhuǎn)軸上安裝的磁極正對，間距保持在1～1.5mm。轉(zhuǎn)速傳感器安裝時需插入到測量筒的底部，并通過六角螺栓緊固，經(jīng)檢查安裝緊固的六角螺栓均緊固時，根據(jù)測量原理，即使出現(xiàn)傳感器安裝松動此單一故障，也僅會造成轉(zhuǎn)速測量偏低，在泵穩(wěn)定運行時不會引起電子超速保護跳閘。

2.3.4 磁極N極磁通量偏低

為便于問題分析，對轉(zhuǎn)速傳感器的內(nèi)部進行了拆解，可以查看到其內(nèi)部傳感元件——霍爾芯片，結(jié)合實物并通過查找資料，確認(rèn)型號為A1220LUA-T。根據(jù)霍爾效應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器測量原理，若磁極磁通量異常將導(dǎo)致傳感器測量不準(zhǔn)，對磁極進行磁通量測量，測量結(jié)果：N極為-140mT，S極179mT，相較N202大修測量數(shù)據(jù)N極為-160mT，磁通量變小，然而根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器的芯片(A1220LUA-T)特性，其N極斷開磁通量Brp范圍(-40～-5G)，S極開啟磁通量Bop范圍(5～40G)，1G=0.1mT，由此可以分析，當(dāng)前磁通量滿足轉(zhuǎn)速傳感器測量要求。即使出現(xiàn)N極磁通量偏低此單一故障也僅會導(dǎo)致傳感器輸出的方波個數(shù)偏少，轉(zhuǎn)速顯示偏低。排除此故障模式可能。

2.3.5 TR400故障

對替換下的TR400進行通道標(biāo)定及閾值檢查，通道滿足精度要求0.1%，閾值動作均正常(第一級電子超速：155.5Hz；第二級電子超速：171.2Hz)檢查結(jié)果均合格，檢查記錄數(shù)據(jù)。

為排除TR400偶發(fā)故障的可能，用新備件進行了更換，也進行了通道標(biāo)定及閾值檢查，同時對內(nèi)部的參數(shù)進行設(shè)置、檢查和確認(rèn)，但進行啟泵驗證時仍然出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動和第一級電子超速跳閘，因而，依此推斷，排除TR400故障引起電子超速保護動作跳閘的可能。

2.3.6 中間回路電纜及端接接線松動

在泵停運的狀態(tài)下，依據(jù)接線圖，對端接緊固及接線正確性情況進行檢查，結(jié)果表明，端接緊固、無松動且接線與接線圖一致，同時，對轉(zhuǎn)速傳感器與TR400中間的電纜進行了對地絕緣和線間絕緣檢查，均未見異常。因而，中間回路電纜及端接異?？赡苄暂^低。

2.3.7 轉(zhuǎn)速傳感器本體故障

此轉(zhuǎn)速傳感器基于霍爾效應(yīng)原理，采用Allegro公司的A1220LUA-T芯片，每個器件在單硅片上裝有以下元件：穩(wěn)壓器、霍爾電壓發(fā)生器、小型信號放大器、斬波穩(wěn)定裝置、施密特觸發(fā)器，以及帶短路保護的開漏極輸出(最大灌電流 25 mA)。強度足夠大的S磁極打開輸出。關(guān)閉輸出需要強度足夠大的N磁極。此芯片霍爾效應(yīng)傳感器 IC 是極端溫度穩(wěn)定和抗應(yīng)力器件，特別適合擴展溫度范圍的工作條件(最高可達 150°C)。動態(tài)偏移消除技術(shù)保證了在高溫下的良好性能，可降低通常由器件超模壓、溫度依存性及熱應(yīng)力引起的剩余偏移電壓。

傳感器由于封裝嚴(yán)密，因而為確認(rèn)是否由于內(nèi)部線路或器件接觸不良，在蘇州院進行了傳感器X光拍片檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。傳感器內(nèi)部電源輸入與公共端之間的電阻100Ω與旁路電容0.1μF，主要起到濾除交流高頻，以免對芯片內(nèi)部造成損害和干擾。

因故障模式分析需要，對轉(zhuǎn)速傳感器進行離線檢測，主要測試內(nèi)容包括：單對磁極(與現(xiàn)場一致)傳感器檢測、磁極偏差(N級磁性弱于S級)傳感器輸出檢測、傳感器加溫檢測。

(1)單對磁極(與現(xiàn)場一致)傳感器檢測。室溫約18℃，保證N、S級磁感應(yīng)強度基本一致，電機轉(zhuǎn)動時磁極經(jīng)過傳感器時距離一致，電機轉(zhuǎn)速選取600、1800、2100、2700、3000、3600、3900、4200、4500rpm，每個轉(zhuǎn)速點穩(wěn)定運行1～2min，記錄轉(zhuǎn)速傳感器輸出均穩(wěn)定，且偏差不超過±12rpm，滿足精度要求。

(2)磁極偏差(N級磁性弱于S級)傳感器輸出檢測。通過改變電機轉(zhuǎn)動狀態(tài)下N極經(jīng)過傳感器時距離大于S級，來模擬磁極偏差(N級磁性弱于S級)，當(dāng)N極距離傳感器產(chǎn)生的磁場強度接近或達不到傳感器Brp范圍(-40～-5G)時，傳感器輸出出現(xiàn)方波丟失，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏小或0轉(zhuǎn)速。據(jù)此試驗可以佐證N磁極磁通量偏小不會造成此故障現(xiàn)象。

(3)傳感器加溫檢測。在單對磁極(與現(xiàn)場一致)傳感器檢測的條件下，對傳感器進行加溫，持續(xù)升溫約達到70℃，整個過程中轉(zhuǎn)速輸出均穩(wěn)定，與前述的單對磁極(與現(xiàn)場一致)傳感器的檢測結(jié)果無明顯差異。

2.3.8 轉(zhuǎn)速傳感器預(yù)制電纜與線鼻子壓接松動

通過前述分析和更換傳感器，開始啟動ASG003PO驗證，轉(zhuǎn)速指示穩(wěn)定，未再次出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動的故障現(xiàn)象，而轉(zhuǎn)速傳感器本體經(jīng)測試未見異常，因而將故障模式的可能點集中在現(xiàn)場排查時的疏忽環(huán)節(jié)，即轉(zhuǎn)速傳感器預(yù)制電纜與線鼻子壓接松動，因為在現(xiàn)場更換傳感器時，為便于更換，將替換下的傳感器的線鼻子直接剪掉，未進行收集，因而，僅能通過試驗的方式進行驗證和排查。

試驗過程簡述如下：按照圖2故障復(fù)現(xiàn)測試連接簡圖所示，將替換下的傳感器與TR400按照正常測量方式連接，在傳感器與TR400間加入測試端口進行松動模擬，同時進行傳感器輸出方波和TR400輸出模擬量數(shù)據(jù)采集。

圖2 故障復(fù)現(xiàn)測試連接

通過數(shù)據(jù)采集的波形分析，松動會導(dǎo)致傳感器輸入到TR400的方波波形輸出異常，同時TR400接收到的方波周期變短或變長，同一時間段內(nèi)的方波個數(shù)增加或減小，進而造成轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)速增大或減小，轉(zhuǎn)速增大到超過閾值9330rpm時，TR400開關(guān)量輸出OUT1動作，面板指示燈熄滅，電子超速繼電器輸出。

此外，根據(jù)現(xiàn)場ASG001MC轉(zhuǎn)速傳感器測值波動情況可知，在泵未啟動時，轉(zhuǎn)速不存在波動，而在泵啟動后，轉(zhuǎn)速存在波動。由此推斷，由于泵體運行會造成安裝在基座上的接線箱存在振動，引起接線箱內(nèi)轉(zhuǎn)速傳感器預(yù)制電纜與線鼻子接觸不良，引起轉(zhuǎn)速波動，造成電子超速保護動作。據(jù)此分析，轉(zhuǎn)速傳感器預(yù)制電纜與線鼻子壓接松動為導(dǎo)致故障的原因。

3 結(jié)論

根據(jù)汽動泵轉(zhuǎn)速測量的原理及超速動作的機理，結(jié)合就地排查、離線試驗和故障復(fù)現(xiàn)，對可能的故障模式進行逐一分析，最終認(rèn)定本次故障原因為轉(zhuǎn)速傳感器預(yù)制電纜與線鼻子壓接松動。