CPR1000核电机组汽动泵转速波动引起电子超速跳闸原因探析

赵子样

(福建宁德核电有限公司，福建 宁德 355200)

0 引言

ASG辅助给水系统属于安全专设系统，在主给水系统发生故障时，ASG系统作为应急手段向蒸汽发生器二次侧供水，使一回路维持一个冷源，排出堆芯剩余功率，直到RRA系统(余热排出系统)允许投入运行为止[1]。汽动泵作为ASG系统的主要动力设备负责保证供水的压力和流量。若ASG003PO汽动辅助给水泵不可用，将导致专设系统的冗余度降低，安全系数降低。

ASG系统ASG003PO转速通过ASG001MC进行测量，并将转速值送至就地TR400转换单元，TR400转换单元用于以下场合：①就地指示汽动泵转速；②将汽动泵转速转换成4-20mA电流值；③给出电子超速保护跳闸和报警。当泵转速达到电气超速保护装置的设定值时，TR400处理单元使跳闸电磁阀得电，电气超速跳闸电磁阀开启，将主汽阀(ASG135VV)和乏汽管道联通，此时主汽阀由于背压降低而关闭，蒸汽无法进入汽轮机，汽轮机停止运行，从而实现保护。

1 问题描述

2017年1月12日22∶23，某核电站ASG003PO启动小流量试验，试验过程中主控ASG001MC转速显示波动较大，运行过程中转速波动范围为7720～9420rpm，而就地TR400转速显示则较稳定，约为8450rpm，波动幅度在百转以内；23∶32，ASG003PO因第一级电子超速保护动作跳闸，就地TR400面板OUT1指示灯熄灭，主控触发ASG073KA2报警(绿色曲线)，跳闸时泵出口压力ASG006MP及系统流量ASG004MD显示值与跳闸前的相比均较一致(两参数均稳定)，说明泵实际未超速，且实际转速较稳定。

2 分析方法及结果

2.1 分析方法

根据前述现象，以及超速保护动作的原理及接线图(如图1所示)，对测量回路各环节进行分析，并结合故障现象及现场调查情况，依据可能性高低对可能故障模式进行排序。

图1 转速测量及超速保护回路

2.2 可能的故障模式分析

超速保护动作回路正常动作响应无异常，排除TR400的DO输出下游回路故障可能，问题出现在超速保护动作产生回路，将异常圈定在TR400、转速传感器1101(含自带电缆)、中间回路电缆及端接、磁极。此外，传感器与磁极安装间距固定，因而此因素不再列为可能故障模式进行讨论。可能的故障模式及可能性排序，如表1所示。

表1 故障模式分析

2.3 详细分析可能的故障模式

2.3.1 外部电磁场干扰

整个转速测量、电子超速动作回路和汽动泵被设置在同一单独房间，房间内无大功率的电气设备，且整个测量回路绝缘测量良好，无接地；加之，在泵停运时转速示值未见波动，因而，此故障模式可能性可以排除。

2.3.2 磁极安装不牢固

ASG003PO隔离后，开启轴承箱，经机械专业对N、S磁极安装检查，安装牢固，且表面清洁。排除磁极安装不稳定造成磁力线不规则，进而引起转速传感器输出方波异常的可能。

2.3.3 转速传感器安装松动

转速传感器安装在转速测量筒内，转速测量筒焊接安装在泵本体上，且与转轴上安装的磁极正对，间距保持在1～1.5mm。转速传感器安装时需插入到测量筒的底部，并通过六角螺栓紧固，经检查安装紧固的六角螺栓均紧固时，根据测量原理，即使出现传感器安装松动此单一故障，也仅会造成转速测量偏低，在泵稳定运行时不会引起电子超速保护跳闸。

2.3.4 磁极N极磁通量偏低

为便于问题分析，对转速传感器的内部进行了拆解，可以查看到其内部传感元件——霍尔芯片，结合实物并通过查找资料，确认型号为A1220LUA-T。根据霍尔效应式转速传感器测量原理，若磁极磁通量异常将导致传感器测量不准，对磁极进行磁通量测量，测量结果：N极为-140mT，S极179mT，相较N202大修测量数据N极为-160mT，磁通量变小，然而根据转速传感器的芯片(A1220LUA-T)特性，其N极断开磁通量Brp范围(-40～-5G)，S极开启磁通量Bop范围(5～40G)，1G=0.1mT，由此可以分析，当前磁通量满足转速传感器测量要求。即使出现N极磁通量偏低此单一故障也仅会导致传感器输出的方波个数偏少，转速显示偏低。排除此故障模式可能。

2.3.5 TR400故障

对替换下的TR400进行通道标定及阈值检查，通道满足精度要求0.1%，阈值动作均正常(第一级电子超速：155.5Hz；第二级电子超速：171.2Hz)检查结果均合格，检查记录数据。

为排除TR400偶发故障的可能，用新备件进行了更换，也进行了通道标定及阈值检查，同时对内部的参数进行设置、检查和确认，但进行启泵验证时仍然出现转速波动和第一级电子超速跳闸，因而，依此推断，排除TR400故障引起电子超速保护动作跳闸的可能。

2.3.6 中间回路电缆及端接接线松动

在泵停运的状态下，依据接线图，对端接紧固及接线正确性情况进行检查，结果表明，端接紧固、无松动且接线与接线图一致，同时，对转速传感器与TR400中间的电缆进行了对地绝缘和线间绝缘检查，均未见异常。因而，中间回路电缆及端接异常可能性较低。

2.3.7 转速传感器本体故障

此转速传感器基于霍尔效应原理，采用Allegro公司的A1220LUA-T芯片，每个器件在单硅片上装有以下元件：稳压器、霍尔电压发生器、小型信号放大器、斩波稳定装置、施密特触发器，以及带短路保护的开漏极输出(最大灌电流 25 mA)。强度足够大的S磁极打开输出。关闭输出需要强度足够大的N磁极。此芯片霍尔效应传感器 IC 是极端温度稳定和抗应力器件，特别适合扩展温度范围的工作条件(最高可达 150°C)。动态偏移消除技术保证了在高温下的良好性能，可降低通常由器件超模压、温度依存性及热应力引起的剩余偏移电压。

传感器由于封装严密，因而为确认是否由于内部线路或器件接触不良，在苏州院进行了传感器X光拍片检查，未发现异常。传感器内部电源输入与公共端之间的电阻100Ω与旁路电容0.1μF，主要起到滤除交流高频，以免对芯片内部造成损害和干扰。

因故障模式分析需要，对转速传感器进行离线检测，主要测试内容包括：单对磁极(与现场一致)传感器检测、磁极偏差(N级磁性弱于S级)传感器输出检测、传感器加温检测。

(1)单对磁极(与现场一致)传感器检测。室温约18℃，保证N、S级磁感应强度基本一致，电机转动时磁极经过传感器时距离一致，电机转速选取600、1800、2100、2700、3000、3600、3900、4200、4500rpm，每个转速点稳定运行1～2min，记录转速传感器输出均稳定，且偏差不超过±12rpm，满足精度要求。

(2)磁极偏差(N级磁性弱于S级)传感器输出检测。通过改变电机转动状态下N极经过传感器时距离大于S级，来模拟磁极偏差(N级磁性弱于S级)，当N极距离传感器产生的磁场强度接近或达不到传感器Brp范围(-40～-5G)时，传感器输出出现方波丢失，转速出现偏小或0转速。据此试验可以佐证N磁极磁通量偏小不会造成此故障现象。

(3)传感器加温检测。在单对磁极(与现场一致)传感器检测的条件下，对传感器进行加温，持续升温约达到70℃，整个过程中转速输出均稳定，与前述的单对磁极(与现场一致)传感器的检测结果无明显差异。

2.3.8 转速传感器预制电缆与线鼻子压接松动

通过前述分析和更换传感器，开始启动ASG003PO验证，转速指示稳定，未再次出现转速波动的故障现象，而转速传感器本体经测试未见异常，因而将故障模式的可能点集中在现场排查时的疏忽环节，即转速传感器预制电缆与线鼻子压接松动，因为在现场更换传感器时，为便于更换，将替换下的传感器的线鼻子直接剪掉，未进行收集，因而，仅能通过试验的方式进行验证和排查。

试验过程简述如下：按照图2故障复现测试连接简图所示，将替换下的传感器与TR400按照正常测量方式连接，在传感器与TR400间加入测试端口进行松动模拟，同时进行传感器输出方波和TR400输出模拟量数据采集。

图2 故障复现测试连接

通过数据采集的波形分析，松动会导致传感器输入到TR400的方波波形输出异常，同时TR400接收到的方波周期变短或变长，同一时间段内的方波个数增加或减小，进而造成转换后的转速增大或减小，转速增大到超过阈值9330rpm时，TR400开关量输出OUT1动作，面板指示灯熄灭，电子超速继电器输出。

此外，根据现场ASG001MC转速传感器测值波动情况可知，在泵未启动时，转速不存在波动，而在泵启动后，转速存在波动。由此推断，由于泵体运行会造成安装在基座上的接线箱存在振动，引起接线箱内转速传感器预制电缆与线鼻子接触不良，引起转速波动，造成电子超速保护动作。据此分析，转速传感器预制电缆与线鼻子压接松动为导致故障的原因。

3 结论

根据汽动泵转速测量的原理及超速动作的机理，结合就地排查、离线试验和故障复现，对可能的故障模式进行逐一分析，最终认定本次故障原因为转速传感器预制电缆与线鼻子压接松动。