除碘净化排风机跳闸的原因分析及设备管理

刘争光

（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300）

0 引言

贯穿区和专设安全设施泵房除碘净化排风系统，在正常运行工况及事故工况下都连续运行，即使在罕见的失水事故（LOCA）和失电事故（LOEP）同时发生的情况下也需连续运行。

在某次辅助厂房安全设施泵房及贯穿区通风系统P2-1A试验中，安全设施泵房和贯穿区除碘净化排风机P2-1A 运行将近5 h 时，主控发现P2-1A 系统入口流量突然降低，经查看发现P2-1A 的控制回路开关跳闸，进而导致排风机P2-1A 停运。P2-1A 排风机失电，将会使贯穿区和专设安全设施泵房除碘净化排风系统丧失一台可运行的风机，影响除碘净化效果，同时进入TS（技术规格书限制）计时，如7 d 内不能修复的，则退模式到热停堆。这种缺陷给核电厂的安全运行带来了一定风险。为了降低核电厂的设备因缺陷而发生停运的频度，有必要从设备的运行机理、设备的选型和设备的管理等方面来进行深入分析，提高核电厂设备的稳定运行。

1 原因分析

安全设施泵房和贯穿区除碘净化排风机P2-1A 跳闸，经检查为主控盘台上P2-1A 的运行指示红灯烧毁以致红灯回路短路，造成P2-1A 风机二次回路控制空气开关跳闸，进一步导致P2-1A 风机跳闸（图1）。

P2-1A 电机跳闸逻辑分析如下：①RH2 红灯变压器烧毁导致65#和2#短路；②二次回路QF1 控制开关跳闸；③二次回路接触器KM 线圈失电；④一次回路KM 接触器触头不能保持吸合打开；⑤电机主回路失电，电机（风机）失电跳闸（图2）。

结合图1 可知，指示灯使用的是经过变压器的指示灯，主控红色指示灯烧毁是指示灯内的小型变压器短路所致。

图1 烧毁的红灯

变压器烧毁的可能原因主要有3 个。

（1）电流大导致变压器烧毁。该原因可以排除，指示灯为LED 指示灯，电流约5 mA，P2-1A 正常运行时不会电流过大导致变压器烧毁。变压器烧毁导致跳闸时电厂相关设备运行正常，电压正常，电压高的可能性可以排除。

（2）电压高、变压器温升太高，散热不良，造成变压器烧毁。变压器温升过高的促成原因一般是其两端电压过电压所致，而现场过电压的可能性主要由感应电所致。但结合当天值班日志显示P2-1A 跳闸前30 min 没有主控盘台上的其他设备启动，也没有主控室相关的A 通道（P2-1A 属于A 通道）设备的启动。由此可知，由于A 通道感应电所致变压器的电压过高的依据不充足。

随后开展测量电压工作，当风机停运状态下，P2-1A 排风机主控盘台红色指示灯的电压，测量结果为P2-1A 电机送电并停运。测量红灯两端2#—65#之间电压3 次，分别为27.2 V、27.1 V 和27.2 V。

图2 P2-1A 控制原理

当风机运行时，测量P2-1A 排风机主控盘台红色指示灯的电压，测量结果为P2-1A 电机运行。测量红灯两端电压3 次，分别为387.2 V、387.1 V 和387.2 V。

从上述测量结果可知，P2-1A 排风机运行期间，红色指示灯端电压在正常工作范围内。

P2-1A 跳闸当天工作情况与上述电压测量结果，可排除P2-1A 排风机红色指示灯由于感应电造成端电压过高。

（3）匝间绝缘被破坏或损坏，导致匝间短路。通过把烧毁的红色指示灯寄回厂家进行鉴定，红色指示灯的变压器烧毁是由于在变压器生产过程中，使用了带有缺陷或损伤的绝缘层铜线（如漆包线个别地方有气泡等绝缘薄弱点），导致在使用过程中发生短路现象。

通过变压器变为5 V 的指示灯的故障机理主要是变压器线圈短路，从而导致控制电路的空气开关跳闸。指示灯局部故障导致主回路的设备没法正常运行。这种情况扩大了故障的范围，会给核电厂的安全运行造成重大影响，从而影响核电厂的经济运行。

为了提高设备的可靠性，需要短路故障率低的指示灯，当指示灯故障时，处于开路故障状态，这样故障范围就不会扩大，从而减少核电厂运行的风险。

通过调查，有一种电路板式指示灯，短路的故障机率低。有必要深入分析一下其故障模式。从而进一步优化设备的管理。

2 电路板式指示灯故障模式分析

电路板式指示灯主要是通过电阻器、稳压二极管进行分压，使交流220 V 电压变换为5 V 左右的电压，从而为发光二级管（LED）供电（图3）。其中瞬态电压抑制二极管用于保护浪涌过电压，从而提高指示灯的可靠性。

图3 电路板式指示灯原理

图4 为电路板式指示灯的仿真原理图，输入电压为220 V 交流电压，输出电压将近5 V 左右。稳态波形如图5所示。其中U_LED 为发光二极管两端的电压波形；I_LED 为流过发光二极管的电流波形，有效值为1.38 mA。

分析电路板式指示灯的故障模式是为了了解该种形式的指示灯在故障的时候，会不会造成风机控制回路短路，以防故障范围扩大（从指示灯故障扩展到整个风机停运）。一般情况下，控制回路的整定电流在6 A，指示灯故障，控制回路的空气开关是否会保护跳闸，主要取决于电路板式指示灯的输入电流I_IN 会不会突变超过控制回路的整定电流6 A。

由图3 可知，电阻R3 烧毁（对电阻而言就是电阻无穷大，即开路），指示灯的电源输入端的电流I_IN 会减小。R4 烧毁会导致指示灯的发光二级管没有电压。由于电容C1 的容抗幅值为0.02 MΩ，R2 的幅值1 MΩ，二者并联的等效阻抗取决于电容的阻抗幅值，当电阻R2 烧毁时（R2 开路），对电容电阻并联支路的阻抗影响不大，电路板式指示灯的输入电流I_IN 不会发生太大变化，在此就不在分析R2 烧毁时的情形。同样，R1 开路，也不会造成指示灯短路故障。

所以后续主要分析电容C1 击穿短路、稳压二级管D1 击穿短路、瞬态抑制二级管D5 击穿短路等故障情况。

图4 电路板式指示灯仿真图

图5 电路板式指示灯LED 端电压和电流仿真图

2.1 电容短路故障

电容C1 短路故障时的仿真图如图6 所示。当电容C1 突然短路时，指示灯的电源输入端电流I_IN 和发光二极管两端电压U_LED 的波形如图7 所示。从图7 可知，指示灯的电源输入端电流I_IN 的有效值从3.356 mA 突变到3.668 mA。此外，从图中可以看出，电流的瞬态峰值在10.4 mA 以下。从而可知电容C1 突然短路故障，不会造成指示灯的电源输入端电流I_IN 急剧变大超过二次回路的空气开关整定电流6 A，也即不会发生短路故障。

图6 电容短路故障时仿真图

图7 电容短路故障时输入电流和LED 端电压仿真图

2.2 稳压二级管短路故障

单个稳压二极管击穿短路（只考虑单一故障）的仿真电路如图8 所示，指示灯的电源输入端电流I_IN 和发光二极管两端电压U_LED 的波形如图9 所示。从图9 可知，指示灯的电源输入端电流I_IN 的有效值从3.356 mA 突变到3.661 mA，电流的瞬态峰值在8.7 mA 以下。因此，单个稳压二极管击穿短路，不会造成指示灯的电源输入端电流I_IN 急剧变大超过二次回路的空气开关整定电流6 A，即不会发生短路故障。

2.3 瞬态抑制二级管短路故障

瞬态抑制二极管击穿短路时的仿真电路如图10 所示，指示灯的电源输入端电流I_IN 和发光二极管两端电压U_LED 的波形如图11 所示。从图11 可知，指示灯的电源输入端电流I_IN 的有效值从3.356 mA 突变到3.431 mA，指示灯的电源输入电流基本没有多少变化，电流的瞬态峰值在6.3 mA 以下。所以，瞬态抑制二极管击穿短路时，不会造成指示灯的电源输入端电流I_IN 急剧变大超过二次回路的空气开关整定电流6 A，即不会发生短路故障。

图8 二级管短路故障时仿真图

图9 二级管短路故障时输入电流和LED 端电压仿真图

图10 瞬态抑制二极管击穿短路故障时仿真图

图11 瞬态抑制二极管击穿短路故障时输入电流和LED 端电压仿真图

综上可知，电容C1 击穿短路、稳压二级管D1 击穿短路、瞬态抑制二级管D5 击穿短路这3 种故障模式，指示灯的电源输入端电流I_IN 变化不是很大，不会造成指示灯回路短路。再结合电阻R1、R2、R3、R4 烧毁开路，同样不会造成指示灯回路短路。

根据上述分析，电路板式指示灯的主要故障模式造成指示灯回路短路的概率极小。

3 引发的设备管理思考

核电厂的安全、经济运行实际上与设备的质量息息相关。设备的质量又与其工作机理、质保体系等各种因素有关。例如变压器式指示灯的主要故障模式就是线圈短路故障，其影响面较大，即使变压器式指示灯的质保体系很高例如核级（Q1 级），虽然可以减少变压器指示灯的故障率，其有效使用时间变长，一旦发生变压器线圈短路故障时，必定会造成指示灯控制回路短路故障，从而导致主设备（例如风机）停运，这是变压器指示灯的工作机理所决定的。而电路板式指示灯的元器件故障一般会导致指示灯本体故障，而非短路故障，不会造成故障范围的扩大。所以，在设备选型时，需要考虑设备的故障模式，尽量选取短路故障模式概率低的设备。

设备的质保体系是保证设备有效运行时长的根本保证，也即产品质量的高低决定因素。这也是在考虑经济成本时，尽量选取质保体系高的设备。此外，也要做好相应的设备备件库存工作。当现场的设备出现缺陷、需要更换时，充足的库存是给故障抢修提供了有利保障。

所以，只有从多个方面去综合考虑设备管理工作，才能真正提高设备的可靠性。