核電機組配電柜三色指示燈的研究與優化

曹祖庭，查衛華，王曉琳， 查思行

(1.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.上海光華學院劍橋國際中心，上海 201319)

核電機組中低壓配電柜擔負著核電眾多電氣設備的供電和控制功能，根據是否與核安全相關分為核級配電柜和非核級配電柜。三色指示燈是配電柜中用于指示配電三種狀態的元器件，顏色上一般情況下多為紅綠黃(白)三色。這三種顏色一般對應“合閘、分閘、故障”、“運行、停止、故障”和“正轉、反轉、故障”三種狀態,如圖1所示，這三種形式的指示燈分別用于配電負荷、電機負荷和閥門負荷。

圖1 三色指示燈Fig.1 The three-color indicating lamp

由于這種指示燈指示全、體積小，能夠解決抽屜空間布局緊湊的問題，因此在核電中低壓配電柜中大量使用。以秦山核電為例，初步統計秦山核電二廠1/2/3/4號機組中低壓配電柜使用該類型三色燈的數量在4 000個左右,方家山機組使用數量在1 200個左右。除秦山核電外，福清核電、海南核電、陽江核電和江蘇核電等機組均有大規模使用三色指示燈。

1 存在的問題

目前核電三色指示燈有兩個品牌，雖然電路原理上有所不同，但是外部結構均一樣，其結構如圖2所示。

圖2 三色指示燈結構Fig. 2 The structure of the three-color indicating lamp

該結構的特點是面板嵌入式安裝，這種安裝方式帶來兩個問題。首先，由于面板卡扣為死扣設計，因此需要從抽屜內部將指示燈用力推出，有時還需要用工具將卡扣變形后才能抽出；其次，這種安裝方式需要手動拔出外接線。上述兩個問題就造成了更換指示燈前必須斷電。除此之外，指示標牌底色為黑色，激光打印后文字顏色暗淡和不清晰也是缺點之一。

對于非核而言，斷電后再更換指示燈相對比較簡單，然而核電作為區別于火電、水電、風電和太陽能發電等電站的特殊電站，核安全無小事，核安全文化已經融入到了每位員工的血液當中。因此與核安全相關的，或小概率能引起機組瞬態的工作都會經過嚴格的評估才能進行。所以機組有些負荷是不能夠隨時停的，需要等待合適的窗口；還有些負荷涉及到核安全，無特殊情況,在一個燃料循環內不允許停役，故障工單需轉大修進行。

表1為秦山核電方家山機組從商運以來至2020年指示燈故障和轉大修工單的情況。

表1 方家山指示燈故障情況統計

從表1數據中可以看出，方家山核電機組從剛投運到2018年指示燈故障的數量很少，隨著使用年限的增加，2019年開始故障數量開始增加明顯，但是正是由于指示燈需要斷電進行更換，隨著故障數量的增加遇到重要負荷需要等待窗口和轉大修的概率就會大大提高。從數據中可以看出2019年和2020年指示燈故障處理周期在1個月以上的工單隨著故障數量的增加也大幅度的增加，其中轉大修工單也分別達到了11張和12張。

三色指示燈作為抽屜中非關鍵的二次元器件，雖然只有指示功能，但等待窗口更換或停電更換存在有以下問題：

1)等待窗口導致缺陷長期存在，現場指示失效，影響人員對狀態的判斷，特別是重要負荷，對機組安全與核安全不利；

2)斷電更換會導致設備短時不可用，對于涉及I0的負荷斷電更換影響核安全及機組運行指標；

3)斷電更換時需要拆接線，存在接錯線的風險。

若采取預防性維護，在大規模失效前進行提前進行大規模更換，這將導致更換周期難以確定等其他問題。還是以表1數據為例，2014年至2018年故障率只有不到1%，2019年故障率為3%，2020年故障率為7.5%，若定義成6年定期更換，首先不可避免的在6年內還會有零星故障發生，其次6年內的總故障也只有12%左右，采取全部更換將導致成本的大幅提高。

綜上，造成上述問題的癥結就是指示燈無法帶電更換，因此對三色指示燈進行結構優化，實現在線更換功能十分的必要。

2 結構優化方案

1)外殼固定卡扣優化

指示燈安裝方式由原來的面板嵌入式安裝改為外殼嵌入式安裝，因此指示燈與門板的固定卡扣由原來的面板處移至外殼處。采用一種新的卡扣設計方式，這種設計可與1.5～3 mm厚度的門板良好配合，如圖3所示。

圖3 固定卡扣結構Fig. 3 The fix buckle structure

2)電路板結構優化及固定方式優化

電路板設計成如圖4(綠色部分)的結構，電路板通過定位柱“3”與自攻螺絲“2”牢靠固定于面板上，這樣面板與電路板一體，更換時只要拆下面板后擰下螺絲更換故障電路板就可以實現指示燈的消缺工作，除了便捷外，還能節約硬件成本。

圖4 電路板固定結構Fig.4 The fixed structure of the circuit board

3)面板與外殼連接結構優化

面板與外殼采用類似于電視遙控器電池蓋的滑蓋設計，通過三個插片“5”對準外殼的插孔“4”插入，然后將面板下壓并推入至面板和外殼邊緣對齊，即可完成安裝，連接結構如圖5所示。

圖5 面板與外殼連接結構Fig.5 The connecting structure of the panel and enclosure

4)電氣連接改進

三色指示燈的回路電流不大于5 mA，為保證面板從外殼撥出時避免電路板因受力太大而受損或從面板中脫離，經過多個方案的研究與效果對比，最終采用彈簧觸指與接線端子接觸的方式實現面板上的電路板與外殼上接線端子連接取電的設計[1]。

圖6中的“8”為焊接在電路板上的彈簧觸指，彈簧觸指在不受力后可自恢復，在接觸接線端子“9”時，彈簧壓縮，可靠接觸并從端子取電。

圖6 彈簧觸指Fig. 6 The spring contact

圖7中的“9”為接外部線的固定于外殼上的接線端子與彈簧觸指“8”的接觸面。圖8為電氣連接方式結構透視圖。

圖7 外部接線端子Fig.7 The external terminals

圖8 電氣連接方式結構透視圖Fig.8 The structure perspective of the electrical connection mode

5)標識牌優化

由于原指示燈文字顏色辨識度低，因此需要增加指示燈文字標識辨識度。標識牌“11”設計上采用白色材料，用激光打印后字體為黑色，從而提高了文字顏色的辨識度，且激光打印不會因為使用時間的變長而褪色。除顏色之外，該文字標識牌為可拆卸結構，固定于上蓋的插孔“10”內，便于替換，如圖9所示。

圖9 標識牌結構Fig.9 The identification card structure

3 效果

經過優化結構設計后，新舊指示燈的外部參數完全一致，新的指示燈能實現在線更換功能，安裝尺寸和外部接口完全一致，可以完全替代原有舊型號的指示燈，參數如表2所示。

表2 新舊指示燈外部參數對比

改進前后的效果對比如表3所示。

表3 優化效果對比分析

該款指示燈已在秦山核電二廠部分廠房進行試用，從2019年9月運行至今效果良好，期間多次模擬在線更換指示燈電路板過程，更換故障電路板時間為1 min，大大縮短了更換時間。目前除秦山核電外，田灣核電、福清核電、海南核電、陽江核電等均在換型實施中。

4 結論

本文從結構上對核電機組配電柜三色指示燈進行了優化設計，解決了其無法帶電更換和標簽文字暗淡的問題。該在線更換三色指示燈的研究與應用具有以下重要意義：

1)在線更換，避免了斷電更換導致核電設備不可用的風險；

2)更換快捷簡便，縮短了更換時間與設備故障時間；

3)指示燈標識改進，增加了辨識度，有利于現場指示燈狀態的快速識別；

4)指示燈標牌可替換設計，避免擁有多個物資編碼，一個編碼能夠適用于所有要求的產品，方便采購與庫存管理；

5)由于更換快捷，可以免去指示燈更換的定期預防性維護項目，避免核電保守決策提前大規模更換而造成的浪費，節約生產成本。