某型核電廠EDG 電子調速器典型故障原因分析

陳 鋒，李聿容，王啟峰，陳曉勇

（1.核電運行研究（上海）有限公司，上海 200120；2.中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

作為核電廠內的應急交流電源，EDG（應急柴油發電機組）通常在失去廠外電源的情況下能滿足應急廠用電的要求，以確保反應堆安全停堆，并防止由于外部電源系統失電而導致重要設備的損壞。EDG 的瞬態性能主要依賴于柴油機的調速系統，而調速器是調速系統的核心部件。

電子調速器是一種采用電子控制技術實現轉速測量、設定、比較與調節的調速裝置，具有響應速度快、調節精度高、恒速性能好等優點[1-3]，能夠滿足柴油發電機組的無差并聯運行要求。然而，從國內外核電廠的經驗反饋來看，調速器已成為EDG 的故障高發部件之一。目前國內EDG 使用的PC 和PA 兩種主流機型柴油機，均配置了型號為E19600 的進口電子調速器，故障尤為突出。因此，本文針對E19600 型電子調速器的故障特點和原因，結合近年來主要故障類型，探究故障成因和預防措施，以提高機組的可靠性和安全性。

1 故障詳情

對國內外核電廠EDG 電子調速器故障進行統計和分析，可以總結出常見的故障模式主要分為三類，分別為轉速輸入異常、看門狗報警和無輸出或輸出異常。

1.1 轉速輸入異常

轉速信號是電子調速器的關鍵輸入信號之一，它直接反映了柴油機的運行狀態。轉速信號的輸入異常會使電子調速器的PID 控制算法失去作用，無法作出正確控制動作，從而導致柴油機轉速不穩定，甚至觸發EDG 的低頻保護功能，造成柴油機停機。

1.2 看門狗報警

單片機系統可能因為外界干擾或內部錯誤而導致死機現象，為了提高系統的可靠性和穩定性，需要設置看門狗來監測程序的運行狀態。看門狗是一種軟件程序或硬件芯片，它可以通過設定的判斷條件來識別程序是否出現異常。一旦發現異常，看門狗會執行復位操作，強制程序重新啟動。因此，看門狗報警表明電子調速器出現了故障，可能使柴油機速度失控、降低應急柴油機的可用性。

1.3 無輸出或輸出異常

電子調速器根據設定的控制算法和參數，將控制信號輸出至執行機構，控制柴油機燃油量，無輸出或輸出異常會直接造成柴油機不可用的嚴重后果。某核電廠的EDG，曾因為電子調速器輸出異常導致再鑒定試驗時兩次逆功率跳閘。

2 原因分析

2.1 轉速輸入異常

導致轉速信號輸入異常的原因有多種，如轉速測量裝置本身的故障、轉速信號電纜的老化或損壞、轉速信號電纜的屏蔽線接線不正確、外部電磁干擾等。某電廠使用E19600 型電子調速器的備用柴油發電機組曾經發生過因轉速信號輸入異常而導致柴油機停機的事故[4]。事故原因分析表明，轉速信號電纜的屏蔽線接線錯誤，導致外部電磁場對轉速信號產生了干擾，從而使PID 控制算法失效，引起柴油機轉速波動。為了防止類似事故的再次發生，建議采取以下措施：一是完善維修規程，規范轉速信號電纜的接線方式，確保屏蔽線正確接地；二是制定預防性維修策略，定期檢查和更換轉速測量裝置和轉速信號電纜，消除故障隱患；三是增加外部電磁干擾的監測和防護措施，減少對轉速信號的干擾。

2.2 輸出電流異常

PC 機型柴油機執行機構的驅動電流工作范圍為0～0.2 A，PA 機型柴油機執行機構的為0～1 A，該電流由電子調速器的驅動電路發出。當PA 機型柴油機正常啟動時電子調速器驅動電路的輸出電流與正常數值相比出現較大偏差，即為無輸出或輸出異常。此類故障在PA 機型柴油機中也較為常見，在實驗室測試臺架測試中也可以復現部分故障。

2.2.1 輸出電流波動

某核電廠PA 機型柴油機中電子調速器的故障特征是輸出電流波動異常，且不能超過0.877 A。因此，將電子調速器在常溫條件下斷電靜置4 h，然后接入測試臺架，并用紅外測溫儀測量T1（三極管）的表面溫度。測試結果顯示，T1 的表面溫度快速上升，同時輸出電流逐漸從1.014 A 降至0.877 A 并保持穩定。隨著T1 溫度繼續升高，輸出電流下降得更快。E19600 型電子調速器驅動電路原理如圖1 所示。

圖1 電子調速器驅動電路原理

為了驗證T1 是否為故障損壞，更換新驅動板卡后重新進行臺架測試。同時，用紅外測溫儀監測T1 的表面溫度。結果顯示，雖然T1 的表面溫度仍然快速上升，但輸出電流穩定在1.014 A 的水平（表1）。

表1 電子調速器輸出電流試驗數據

為了進一步分析電子調速器驅動電路的故障原因，分段測量試驗用電子調速器的驅動板卡上的運算放大器、三極管等元件工作電壓。結果顯示，原驅動板卡上的T1 后級的工作電壓明顯低于新驅動板卡上的相應電壓，這會導致輸出電流的降低，也與故障的特征一致，因此故障定位在T1 中。

在測試中通過熱像儀觀察發現，使用原驅動板卡和新驅動板卡時T1 的表面溫度均較高（圖2）。

圖2 工作狀態下電子調速器板卡的熱像儀測量

根據圖2，驅動板卡T1 的表面溫度升高至63.7 ℃。由于驅動板卡位于主控制板的下方，其散熱效果受限。此外，在執行機構驅動電流的設計方面，PA 機型采用24 V 的直流電源，高于PC 機型的15 V；運行狀態方面，PA 機型在柴油機處于熱備用時，電子調速器也處于帶電備用，而PC 機型的電子調速器處于不帶電狀態。這些因素加劇了PA 機電子調速器驅動板卡散熱不利的問題，可能會影響驅動板卡電氣元件的可靠性。

2.2.2 輸出電流偏大

某核電廠EDG 在定期試驗中，出現了啟動失敗的故障，主要現象是：柴油機轉速在5 s 內不能超過300 r/min，執行機構不動作，電子調速器輸出電流異常。為了分析故障原因，對電子調速器輸出電流進行監測（表2）。

表2 電子調速器輸出驅動電流變化情況

從表2 可以看出，啟動成功時，電子調速器輸出電流隨著轉速和油門開度的變化而變化；啟動失敗時，輸出電流基本保持在1 A 以上、無明顯變化。但該故障暫未能在實驗室測試臺架中復現，根據經驗推測故障原因可能是，電源系統的電壓浪涌影響了電子調速器內部的運算放大器U36，導致輸出驅動電流偏高。

2.2.3 輸出電流無變化

圖3 為E19600 型電子調速器的局部電路圖。PA型柴油機采用的2231 型執行機構是一個感性負載，當24 V 的驅動電源斷開時，會在執行機構兩端產生一個反向電動勢。在早期版本的電子調速器中，24 V電源的負極連接在K3 開關的下方，即圖中2 號位置。

圖3 電子調速器局部電路圖

實驗室測試表明，當K2、K3 開關斷開時，只切斷了24 V 電源的負極而正極仍然連通；當K2、K3 開關閉合時，24 V 電源和反向電動勢會同時加在驅動板的運算放大器U36 上，導致圖3 中的A、B 兩點之間出現一個反向電動勢峰值（高達20 V），可能會損壞運算放大器，使其輸出端對地或對24 V 電源短路。通過電路仿真軟件分析，運算放大器輸出對地短路和對24 V電源短路兩種情況，都可以模擬出驅動電流固定為0或1 A 的現象。因此，后期升級的電子調速器時將24 V電源的負極連接在圖3 中1 號位置，這樣可以保證K2、K3 開關斷開的同時切斷24 V 電源的正極和負極，消除原來設計的缺陷。

2.3 看門狗報警故障分析

根據歷史故障數據，本文將看門狗報警分為隨機故障報警、上電偶發報警兩類。

2.3.1 隨機故障報警

圖4 是PA 機型柴油機用E19600 型電子調速器基本工作原理。為了適應PA 機型柴油機使用的2231 型執行機構，設計方對E19600 電子調速器的驅動電源進行了修改。原來的驅動電源是24 V 直流電經過隔離變壓器轉換為15 V 直流電，輸出電流范圍是0～0.2 A。修改后的驅動電源是直接使用24 V 直流電，輸出電流范圍達到0～1 A。同時，設計方將外部24 V 電源的參考地和內部5 V 電源的參考地連接在一起。這樣破壞了原來的電源隔離功能，使得電子調速器更容易受到電壓沖擊、浪涌等干擾信號的影響，并且影響EEPROM 和CPU的供電穩定性，增加了看門狗誤動作報警的可能性。

圖4 E19600 型電子調速器基本工作原理

在實驗室測試臺架測試中，監測EEPROM 芯片U32 的接地引腳，發現有100～300 mV 的電壓波動。在柴油機的實際運行工況下，該波動有可能會被放大，使CPU、EEPROM、看門狗芯片出現工作不穩定的問題。

浪涌模擬裝置模擬測試試驗情況如圖5 所示，中間位置的曲線（紅色）為試驗中模擬24 V 電源受到浪涌干擾，同時在看門狗芯片5 V 電源電壓也監測到1個相位相同的干擾（最上面那條曲線），而此時看門狗芯片的WDO 引腳輸出變為低電平，看門狗報警出現。

圖5 浪涌模擬裝置模擬測試結果

在看門狗芯片電源電壓波動模擬試驗時發現，將看門狗芯片5 V 電源電壓降至4.65 V 時，CPU 無狀態信號發出，說明此時EEPROM 工作出現異常。同時監測看門狗U42 芯片的WDO 引腳，發現輸出變為低電平，看門狗報警出現。由此推斷，24 V 電源和5 V電源共參考地會使隔離電源的保護功能失效，在柴油機運行或備用狀態下一旦出現較大干擾，電子調速器EEPROM 的供電電壓降低、EEPROM 進入工作不穩定狀態，影響CPU 讀取校驗值，造成看門狗隨機報警。

由上述分析可以看出，看門狗隨機故障報警的原因為：外電路24 V 電源直接對電子調速器的驅動電路供電，并且與5 V 電源共參考地會失去隔離電源的保護功能，進而產生電壓干擾，造成看門狗芯片電壓不穩定，隨機出現看門狗報警。將24 V 內外部供電進行單獨隔離后，可以解決此問題。

該故障雖不會直接導致柴油機停止工作，但是會使電子調速器失效，切斷對柴油機轉速的自動控制。此時，柴油機只能依靠機械調速器（執行機構）來調節開度油門，而機械調速器由于接收到0 A 信號，會使開度油門保持在最大值，這樣柴油機的啟動時間會大大縮短，從而加快柴油機摩擦副的磨損程度。

2.3.2 上電偶發報警

電子調速器上電偶發看門狗報警故障，可以在實驗室測試臺架上重現：采用可調穩壓電源為電子調速器提供24 V 的電壓，通過觀察看門狗指示繼電器K2、K3的吸合狀態，檢測上電后的報警情況。試驗結果顯示，繼電器K2、K3 存在隨機吸合現象，看門狗報警指示燈亮起，表明電子調速器上電偶發看門狗報警故障發生。圖6 是E19600 型電子調速器看門狗報警電路，其中電路1 是電子調速器內部看門狗電路，電路2 是電子調速器外部看門狗報警電路。

圖6 看門狗報警電路

圖7 電源上電順序對比試驗結果

在正常工作狀態下，CPU 向看門狗芯片發送持續脈沖的狀態監測信號，看門狗芯片輸出高電平，使開關管T2 導通，5 V 電路導通，繼電器K1 得電打開（常閉觸點），電路2 不形成閉合回路，看門狗指示繼電器K2、K3 失電無法閉合，不輸出看門狗故障報警。

在看門狗報警狀態下，如果看門狗芯片超過1.6 s沒有收到脈沖信號或5 V 電源電壓低于4.65 V，看門狗芯片輸出低電平，使開關管T2 截止，繼電器K1 失電閉合（常閉觸點），外部看門狗電路在24 V 電壓作用下形成閉合回路，看門狗指示繼電器K2、K3 得電吸合，觸發報警。同時K2、K3 繼電器自鎖，自鎖后K1 繼電器即使斷開，報警仍舊存在，通過復位功能可以消除報警。

在實驗室測試臺架測試中發現5 V 電源和24 V電源上電順序不同也會觸發看門狗報警，如果5 V 電源先建立不會觸發看門狗報警，如果24 V 電源先建立則會觸發看門狗報警，即上電偶發報警。在24 V 電源兩端跨接大電容后再上電，延長了24 V 電源電壓建立的時間，晚于5 V 電源電壓的建立，此時K2、K3 繼電器沒有吸合，看門狗電路未出現報警。

電子調速器用的5 V 電壓是通過24 V 電壓轉換獲得的，理論上是先有24 V 電源后有5 V 電源。但是在試驗中發現，5 V 電壓的建立不需要等到24 V 電壓的完全建立，當的者電壓輸出超過12 V 時5 V 電源電壓即可建立。因此，24 V 電源電壓和5 V 電源電壓建立的順序存在一定隨機性，這也導致電子調速器上電時偶發看門狗報警。此問題屬于設計缺陷，可以通過對24 V 電壓跨接電容或延遲上電來解決。

3 結束語

根據歷史故障統計，PA 機型柴油機中E19600 型電子調速器的故障發生概率尤為明顯。通過實驗室測試臺架試驗及分析，調速系統設計結構不合理是導致電子調速器故障頻發的主要原因，主要體現在以下3 個方面：

（1）為使電子調速器能驅動2231 型執行機構，將外部驅動電路電源電壓提高至24 V，并且與5 V 電源共參考地，這將會產生電壓干擾，造成看門狗芯片電壓不穩定。

（2）由于看門狗電路設計問題，導致電子調速器內部看門狗電路5 V 電壓和外部看門狗電路24 V 電壓建立的順序存在一定隨機性。

（3）因電源設計改變，電子調速器外部驅動電路電源電壓提高至24 V，疊加內部結構設計不合理且長期處于帶電工作狀態等因素，導致電子調速器工作溫度較高，明顯加快了電子元件的老化速度。

由于E19600 型調速器核心技術受制于國外制造商，一旦發生重大故障，核電廠人員難以定位故障部件、分析故障原因，只能將設備返廠檢查，這已成為影響EDG 安全穩定運行的重大隱患。為了徹底解決該問題，急需開展該設備的國產化研究及應用工作。