Limitorque MX系列智能型电动执行机构黑屏故障分析

， ， ， ， ，

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)

电动执行机构是工业过程控制系统中的一个十分重要的现场驱动装置，其能源取用方便、安装调试简单，在电力、冶金、石油、化工等工业部门得到越来越广泛的应用。传统机械式电动执行机构主要由控制部件、传动部件、电机及限位组成。随着电力电子技术、计算机技术及数字通讯技术的快速发展，目前带有人机界面的智能型电动执行机构越来越普遍。

秦山核电二期3、4号机组常规岛中安装有智能型电动执行机构304台，分属于4个厂家(Limitroque、SND、Bernard、Rotork)，其中Limitorque MX系列智能电动执行机98台，主要分布于GSS、ARE、AHP、APA和APD这5个重要系统的重要管道上。

Limitorque MX系列智能电动执行机构是由美国Flowserve Limitorque公司生产，全球范围内现已安装的 Limitorque执行装置超过了100万台[1]。

LIMITORQUE MX系列智能电动执行机构的结构[2]如图1所示。

图1 电动执行机构结构示意图Fig.1 The structure diagram of electronic actuator

1 故障描述

2012年5月19日，秦山核电二期3号机组3GSS205VV(GSS206VV上游电动隔离阀)就地显示屏出现黑屏，电动执行机构失电，3号机组主控室出现电动执行机构故障告警。

该电动执行机构信息如表1所示。

表1 电动执行机构信息

现场拆下该智能电动执行机构的控制单元发现，其中的电源模块出现灼烧痕迹。如图2所示。

通过更换电源模块，故障消除。但之后的一年内，此现象频繁出现，截至2013年8月一共发生6起(如表2所示)，因此这不是一个偶发故障，应该是由于共性原因引起。虽然更换电源板后问题得以解决，但是不能保证其他剩下的92台(3、4号机组共98台)同系列电动执行机构不出此类问题。

图2 故障电源模块Fig.2 The fualty power module

时间电动头位号型号产品序列号2012-5-193GSS205VVMX05-183620-0162012-9-113GSS218VVMX05-183620-0242012-10-93ARE054VLMX20-177196-0032013-6-24GSS105VVMX05-183620-0032013-7-93GSS210VVMX05-183620-0252013-7-163GSS223VVMX20-183620-017

2 原因分析

造成PBC板铜箔烧灼击穿有外部原因与内部原因，本文从电动执行机构所处环境、电源波动情况以及自身结构进行分析。

2.1 电动执行机构所处环境

Limitorque MX系列智能电动执行机构主要安装于常规岛蒸汽管道，管道内的蒸汽处于高温高压状态(比如GSS系统管道压力为6.7MPa，温度为283℃)

对3GSS210VV电动执行机构的阀杆和控制部件进行了热成像(见图3)。

图3 电动执行机构温度Fig.3 The temperature of electronic actuator

通过热成像图发现，热量从管道上传到阀杆，再到控制部件，最高温度还在50℃左右。可以说电动执行机构所在的环境还是比较恶劣的，处于一个高温环境。Limitorque MX系列智能电动执行机构的运行温度范围为：-30～+70℃，虽然现场温度在此范围之内，但是高温对设备运行不利。

2.2 外部电压

秦山核电二期3、4号机组常规岛电动执行机构的电源来自3/4KCO061AR～066AR电动执行机构配电柜。此配电柜由两路电源供电：3/4LKF481JA(正常回路)和3/4LKR461JA(备用回路)，通过主控上位机查看LKF/LKR母线电压趋势(核电厂母线电压数据均上送到主控计算机里，可查看历史记录)，发现在电动执行机构故障期间均未出现过电压波动现象。图4为2013年7月9日，3GSS210VV出故障时间段内(18:00至24:00)3LKF和3LKR电压趋势，未发现明显波动。说明不是电压异常造成了电源模块烧损。

图4 3LKR/3LKF电压趋势Fig.4 The voltage trend of 3LKR and 3LKF

2.3 电源模块分析

电源模块主回路部分电气图如图5所示。

图5 电源模块部分电气图Fig.5 The electrical diagram of power module

图6 电源模块Fig.6 The power module

电源模块的作用主要有以下两种：

1)为电机提供正反转电源；

2)其中的L1/L2相通过变压器转换成22、13.5、18.7和9.16V四种电压等级的电源供其他控制模块使用。

从电源模块(见图6)的结构布置看出：

1)F1为L2相熔丝，F2为L1相熔丝，熔丝额定电流均为1A。

2)在F1熔丝的正下方有3条铜箔走线，其中3号线在PCB板的最上层，2号和4号线在PCB板的中间层。

3)变压器一次进线电压可以根据用户提供的电压等级进行选择，按照美国标准一共有4个进行电压等级可选，分别为：

1号线—2号线：226 V AC；

1号线—3号线：366 V AC；

1号线—4号线：392 V AC；

1号线—5号线：450 V AC。

秦山核电3、4号机组电动执行机构配电柜提供的相电压为390V，而现场跳线选择的却是1～3号线,虽然不影响电动执行机构的功能，但3号线走的却上PCB板的最上层，而最上层的绝缘层非常薄，为击穿埋下了伏笔。

4)F1熔丝正下方PCB板上的3号线铜箔击穿(如图7上所示)，现场跳线JU1选择在3号线，即366V电压等级，3号铜箔击穿说明击穿位置存在放电现象。

5)F1、F2熔丝上盖上了一个胶套，胶套与熔丝座及PCB板相连。通过观察新电源模块的胶套我们发现，新的胶套是呈透明而柔软的(如图7中所示)，而现场烧损的电源板的胶套却是深黑的，表面呈黏糊状(如图7下所示)。在常温下，测量现场胶套电阻为无穷大，但是随着温度的提升，绝缘在降低。

图7 细节图Fig.7 The details of power module

通过以上现象，以及实验结果得出以下结论：

电源模块PCB板2、3、4号线走线方式上不合理，当现场使用最上层的3号线时，在F1熔丝与3号线间就会有一个390V的电压差，而熔丝胶套与3号线铜箔所在的极薄绝缘层接触，两者长期处于高温环境下，胶套老化，变粘稠，绝缘性能下降，在高电压作用下老化橡胶与带电铜箔之间有存在放电现象，加速PCB板铜箔绝缘的破坏，长时间后击穿铜箔。

3 解决方法

根据以上分析结果，我们提出两个整改办法(见图8)：

1)将熔丝绝缘罩剪短3～5mm，使其边缘不与PCB板的最上层铜箔直接接触，这样即使熔丝绝缘套在高温环境下绝缘降低，也不至于与PCB板接触，产生放电或者电离现象。

2)将电压等级跳线从目前的1～3号线(366V)改为1～4号线(392V)。选择392V等级，变压器二次侧电压更接近铭牌值(二次侧铭牌电压为22、13.5、18.7和9.16V)。另外4号线(392V) 处于PBC板的中层，绝缘效果更好一些。改线后，经过反复试验，电动头显示、操作和反馈均正常。

图8 整改后的电源模块Fig.8 Rectification of Power Module

秦山核电二期3、4号机组常规岛98台Limitorque MX系列智能电动执行机构分别于Q2-304与Q2-403大修期间全部进行了整改，整改至今近3年时间再未出现过因为电源模块烧损而导致电动执行机构黑屏的现象。

4 结 论

秦山核电二期3、4号机组Limitorque MX系列智能电动执行机构由于电源模块铜箔击穿而导致黑屏的原因为自身电源模块布线上存在一定问题，再加上跳线选择错误与运行环境导致绝缘套老化绝缘降低，这几种因素综合影响下，导致了故障的发生。Limitorque MX系列智能电动执行机构在核电站尤其是新建核电站的市场占有率很高，本文对其他相关电厂相同的问题的解决具有很高的借鉴意义。