核電廠ATWT小機箱電源故障分析

張建兵，張建平，祝偉健，唐 龍，胡燕軍

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

反應堆保護系統對事故工況的保護手段主要是緊急停堆。當緊急停堆保護發生故障時，雖然運行參數已達到緊急停堆保護閾值，但沒產生緊急停堆保護信號；或者雖然產生了緊急停堆信號，但緊急停堆斷路器未斷開，這些未能緊急停堆的預期瞬態就稱為ATWT[1]。ATWT系統（預期瞬態不停堆系統）是反應堆保護系統的一個重要組成部分，可實現在反應堆保護系統失效的情況下使反應堆快速停堆，保障反應堆的安全。ATWT信號觸發后，除可直接觸發緊急停堆外，還可導致輔助給水系統啟動、汽輪機脫扣、蒸汽發生器排污系統（APG）隔離，以及閉鎖汽輪機旁路系統（GCT）第3組排放閥開啟[2]。文獻[3]中介紹了一起由于中間量程儀表機柜故障導致觸發ATWT信號，進而導致反應堆緊急停堆、ASG汽動泵啟動的非停事件。文獻[4]從燃耗的角度分析了核電機組壽期末由于燃料組件發生變形，導致控制組件不能完全插入堆芯，從而使得ATWT信號觸發的概率大大增加的情形。

由于ATWT保護功能在正常運行期間處于未觸發狀態，為確保緊急狀態下ATWT設備的可用性，核電站設置了預防性周期試驗，定期檢測該系統功能的狀態。ATWT T3試驗主要為驗證ATWT信號到對應閥門設備接口部分的可用性，試驗誤動設備風險較大，試驗時主要通過閉鎖正常保護邏輯信號來確保試驗期間不會誤動現場設備[5]。文獻[6]和[7]分別從T3試驗的原理以及執行過程中遇到的問題對ATWT定期試驗的執行流程及步驟進行優化，在一定程度上降低了試驗風險。

ATWT系統采用不同于反應堆保護系統所使用的CMOS邏輯線路，它的邏輯處理和輸出線路由繼電器組成，并與反應堆保護系統在電氣上以及實體上進行隔離。ATWT系統的儀表部分（KRG機柜）由LNE供電，邏輯處理和輸出部分（ATWT機柜）由LCC供電。KRG機柜內ATWT小機箱+/-15VDC工作電源或48VDC信號電源故障情況下，將觸發參與ATWT保護的SG1、SG2主給水流量低信號。為了避免兩臺蒸發器主給水流量低信號誤觸發導致ATWT動作，系統設計了電源故障閉鎖ATWT輸出的功能。驗證電源故障情況下閉鎖ATWT輸出功能的有效性，對確保ATWT系統的功能穩定性具有十分重要的意義。

1 ATWT原理

1.1 ATWT動作原理

ATWT系統監測的過程參數是SG給水流量和中間量程中子注量率。當中間量程的核功率（2/2）大于30%FP時，若每臺SG的主給水流量（2/3）均低于6%NF（117t/h），則ATWT動作，啟動輔助給水，引起汽機剎車和緊急停堆等邏輯動作[8]。其中，主給水流量信號處理以及主給水流量低閾值信號觸發的實現是通過ATWT小機箱（位于保護模擬組ⅣP的KRG043AR機柜，因其占用兩個機箱位置，故稱之為ATWT小機箱）實現的。

1.2 ATWT輸出閉鎖原理

ATWT小機箱220VAC交流電由LNE提供，通過整流濾波后轉化為穩定的+/-15VDC作為小機箱卡件的工作電源，保護邏輯信號配電則由LCC提供48VDC電源。ATWT小機箱保險絲熔斷，失去LNE電源以及保護邏輯48VDC配電失去的工況下，將導致ATWT誤動作[9]，為防止ATWT小機箱在上述工況下導致ATWT誤動作，增加了小機箱電源故障的ATWT動作閉鎖回路，如圖1。

圖1 ATWT小機箱電源故障閉鎖信號圖Fig.1 ATWT Small cabinet power supply fault block signal diagram

圖1中繼電器XR33/34為閉鎖繼電器，日常期間帶電，對應接入輸出回路里的兩副常閉觸點（觸點6-10）；繼電器XR31/32為ATWT信號符合邏輯繼電器，日常期間帶電，對應接入輸出回路里的兩副常開觸點（觸點1-9）。日常滿功率運行期間，主給水流量低邏輯未觸發，繼電器XR31/32帶電，其對應的觸點斷開，輸出繼電器回路未得電導通，此時ATWT不會動作。若SG主給水流量低信號疊加RPN中間量程大于30%FP信號邏輯“與”滿足時，繼電器XR31/32失電，此時輸出繼電器與724UD（48VDC電源）相連導通，輸出繼電器帶電激勵動作。為了防止小機箱失電時ATWT誤動作，在輸出繼電器回路增加了閉鎖繼電器XR33/34各一副觸點，當小機箱電源失電故障時，閉鎖繼電器觸點斷開，輸出繼電器無法帶電，ATWT動作信號被閉鎖。當小機箱工作電壓失去時，或保護邏輯48VDC配電失去時，閉鎖繼電器XR33/34丟失電源，輸出回路中的兩副閉鎖繼電器觸點斷開，ATWT動作信號將無法送出。

1.3 3/4號機電源故障閉鎖回路與1/2號機的差異

電源故障閉鎖回路秦二廠1/2號機組與3/4號機組存在差異，其中1/2號機組取消了LNE母線失電故障時對小機箱電源的閉鎖，即當LNE母線失電時，由于ATWT小機箱上游電源來自LNE，此時小機箱也必將丟失電源。另LNE失電工況下，由于參與主給水調節閥的控制信號位于KRG控制柜，其上游電源也來自LNE，其必將因LNE失電導致主給水流量調節閥的關閉，使其產生真實的ATWT信號，若此時閉鎖ATWT動作信號，則將導致ATWT系統拒動。因此，1/2號機組在電源故障判斷回路增加了LNE母線失電的旁通回路，最終實現LNE母線失電時，不閉鎖ATWT動作信號[10]，如圖2。而3/4號機組由于KRG控制柜采用了雙電源（LNE和LNQ）供電結構，僅LNE母線失電，不會導致主給水流量控制閥關閉，因此并未增加LNE母線失電的判斷回路。

圖2 秦二廠1/2號機組ATWT電源故障閉鎖回路Fig.2 ATWT Power supply fault blocking loop of unit 1/2 in Qinshan second plant

2 ATWT小機箱失電影響測試

2.1 測試方案

模擬中間量程中子注量率置觸發狀態，SG給水流量低置未觸發狀態。閉鎖ATWT驅動輸出信號，然后對ATWT機柜進行上電。連接記錄儀，記錄信號1（ATWT閉鎖信號）、信號2（ATWT動作信號）和信號3（ATWT邏輯符合信號），模擬ATWT小機箱失電時，比較信號1、信號2和信號3的響應時間先后。測試完成后，取消模擬的信號。

2.2 測試方案實施

1）模擬中間量程中子注量率置觸發狀態。

2）模擬SG給水流量低置未觸發狀態。

3）對ATWT機柜進行上電。

4）記錄儀信號回路的連接。

①信號1通道：1通道借用閉鎖繼電器XR33/34的兩副常開觸點（XR33的2-10，XR34的3-11）實現對閉鎖信號的監測，測試時用記錄儀監測兩端子間的電壓U1，如圖3。

圖3 記錄儀信號1和3通道的連接圖示Fig.3 Connection diagram of channels 1 and 3 of recorder signal

②信號2通道：2通道借用輸出繼電器XR43的一副常開觸點（2-10）實現對ATWT動作信號的監測，測試時接入48V電源，用記錄儀監測兩端子間電壓U2，如圖4。

圖4 記錄儀信號2通道的連接圖示Fig.4 Connection diagram of channel 2 of recorder signal

③信號3通道：3通道借用繼電器XR31/32的兩副常閉觸點（XR31的2-10，XR32的2-10）實現對ATWT信號符合邏輯的監測，測試時用記錄儀監測兩端子間的電壓U3，如圖3。

2.3 測試數據及分析

1）模擬小機箱工作電源故障

①模擬SG1、SG2兩列ATWT小機箱工作電源故障，結果如圖5。

圖5 SG1、SG2兩列ATWT小機箱工作電源故障時信號輸出Fig.5 SG1、SG2 two ATWT small cabinets working power failure signal output

②先后恢復SG1、SG2兩列ATWT小機箱電源開關（間隔時間小于MICRO卡恢復正常工作所需的時間7s），結果如圖6。

圖6 SG1、SG2兩列ATWT小機箱工作電源上電時信號輸出Fig.6 SG1, SG2 two ATWT small cabinets power supply power the signal output

③先后恢復SG1、SG2兩列ATWT小機箱電源開關（注意上電間隔時間為11s，大于MICRO卡恢復正常工作所需的時間7s），恢復ATWT小機箱工作電源，結果如圖7。

圖7 SG1、SG2兩列ATWT小機箱工作電源上電時信號輸出（間隔大于7s）Fig.7 SG1, SG2 two ATWT small cabinets power supply power the signal output(interval greater than 7s)

分析數據可得：

SG1、SG2均斷電，ATWT符合繼電器動作。此時由于閉鎖繼電器閉鎖有效，ATWT輸出繼電器實際未發出ATWT動作信號。

SG1、SG2依次上電且上電間隔小于7s時，SG2上電后經1s延時，閉鎖繼電器動作，閉鎖失效，SG1上電7s之內ATWT符合繼電器不動作，這期間ATWT輸出繼電器動作，ATWT動作信號輸出。7s后ATWT符合繼電器動作，ATWT符合邏輯消失，ATWT動作輸出消失。

SG1、SG2依次上電且上電間隔大于7s時，ATWT符合繼電器在SG2上電前已動作，ATWT符合邏輯已消失，ATWT動作輸出信號不會輸出。

2）模擬LNE失電導致小機箱工作電源故障

①模擬給ATWT小機箱LNE供電失電故障，結果如圖8。

圖8 LNE失電導致小機箱工作電源故障時信號輸出Fig.8 LNE Power loss causes the signal output when the power supply of the small cabinet is out of order

②恢復LNE電源，結果如圖9。

圖9 LNE恢復上電時信號輸出Fig.9 LNE Restore power the signal output

③由于LNE恢復上電時，ATWT動作信號輸出，且持續5.55s后閉鎖繼電器才動作，ATWT輸出才被閉鎖，故將延時繼電器XR33、XR34延時調整為8s后，再次對其進行驗證。再次模擬給ATWT小機箱LNE供電失電故障，將延時繼電器XR33、XR34延時調整為8s后，恢復LNE電源，結果如圖10。

圖10 延時調為8s后LNE恢復上電時信號輸出Fig.10 The signal output of LNE is restored when the power is turned on after the delay is set to 8s

分析以上數據可得：

LNE失電，閉鎖繼電器動作，閉鎖ATWT輸出。

LNE上電，閉鎖繼電器上電延時為1s時，經1s延時，閉鎖繼電器動作，閉鎖失效，LNE上電7s之內ATWT符合繼電器不動作，這期間ATWT輸出繼電器動作，ATWT動作信號輸出。7s后ATWT符合繼電器動作，ATWT符合邏輯消失，ATWT動作輸出消失。

LNE上電，閉鎖繼電器上電延時調整為8s時，ATWT符合繼電器在閉鎖繼電器動作失效前已動作，ATWT符合邏輯已消失，ATWT動作輸出信號不會輸出。

3）模擬主給水流量信號配電故障（即LCC失電）

①模擬主給水流量信號配電故障失電，結果如圖11。

圖11 LCC失電時信號輸出Fig.11 The signal output when LCC power loss

②恢復LCC電源，結果如圖12。

圖12 LCC恢復上電時信號輸出Fig.12 The signal output when LCC restore power

分析以上數據可得：

LCC失電，閉鎖繼電器先動作，閉鎖ATWT輸出。

LCC上電，ATWT符合繼電器在閉鎖繼電器延時1s動作失效前已動作，ATWT符合邏輯已消失，ATWT動作輸出信號不會輸出。

3 分析與結論

由上節數據分析可得以下結論：

1）電源故障情況下（ATWT小機箱保險絲熔斷、LNE220VAC電源故障以及LCC 48VDC配電故障），電源故障閉鎖回路能夠有效閉鎖ATWT輸出。

2）LCC 48VDC恢復正常供電時，不會誤觸發ATWT動作信號。LNE220VAC恢復正常供電時，因MICRO卡恢復正常工作需要7s，會導致誤觸發ATWT動作信號。

3）LNE220VAC恢復正常供電時，將閉鎖繼電器上電延時由1s調整為8s，可以有效閉鎖ATWT動作信號輸出，避免ATWT誤動作。

根據上述結論，為降低ATWT小機箱恢復上電操作導致ATWT系統的誤動概率，提出以下建議：

①考慮到ATWT上電延時不影響ATWT的安全功能，以及MICRO卡啟機所需時間，保守起見，將閉鎖繼電器XR33、XR34上電延時調整為10s。

②對另一機組ATWT系統的閉鎖回路功能進行驗證測試，同時對閉鎖繼電器的動作時間進行測試，以確保閉鎖回路的功能正常。

4 結語

ATWT小機箱因系統設計上要求的多樣性，與反應堆保護系統所采用的設備及技術均有一定差異。在帶來反應堆多樣性的同時，也增加了保護系統的誤動概率。通過在現場模擬3種不同的ATWT小機箱電源故障，驗證出了ATWT小機箱電源存在的可靠性問題，并提出通過修改閉鎖繼電器上電延時的建議，有效地提高了ATWT閉鎖可靠性，大大降低了KRG上電時ATWT系統誤動的概率，進而提升ATWT系統以及機組的運行安全，對電廠的安全穩定運行具有重要意義。