某核電廠DCS機(jī)籠模件燒毀根本原因分析

牛茂龍　張國(guó)軍　鄭軍偉

【摘 要】隨著核電廠自動(dòng)化程度的提高，DCS在核電廠中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，DCS中的電路板容易受外界強(qiáng)電或感應(yīng)電影響而損壞。文章介紹了某核電廠調(diào)試期間電氣配電盤感應(yīng)電引起DCS機(jī)籠模件燒毀的過(guò)程分析及感應(yīng)電產(chǎn)生的原因。這種分析問(wèn)題的方法和思路對(duì)解決DCS受干擾問(wèn)題有一定指導(dǎo)和借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】核電廠；電氣配電盤；感應(yīng)電；DCS；IO模件

中圖分類號(hào)： TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）04-0129-002

The Root Cause Analysis of DCS Cage Mould in a Nuclear Power Plant

NIU Mao-long ZHANG Guo-jun ZHENG Jun-wei

（China guangdong nuclear engineering co.，LTD.，shenzhen guangdong 518000，China）

【Abstract】With the improvement of the automation degree of nuclear power plants，DCS has become more and more widely used in nuclear power plants，and the PCB in DCS can be damaged by external strong electricity or inductive power.This paper introduces the process analysis and the causes of the burning of DCS cage mold by electric distribution panel during the commissioning of a nuclear power plant. The method and idea of this kind of analysis are helpful to solve the interference problem of DCS.

【Key words】Nuclear power plant；Electric switchboard；Induction；DCS；IO module

0 引言

某核電廠是我國(guó)在翻版加改進(jìn)的基礎(chǔ)上自主設(shè)計(jì)、建造的百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電廠，采用了德國(guó)西門子公司的非安全級(jí)Teleperm-XP和安全級(jí)Teleperm-XS全數(shù)字化DCS儀控系統(tǒng)。在調(diào)試過(guò)程中，發(fā)生了DCS控制柜機(jī)籠模件燒毀的事件。經(jīng)調(diào)查分析，確認(rèn)了電氣配電盤產(chǎn)生感應(yīng)電是模件燒毀的根本原因。設(shè)備廠商對(duì)電氣配電盤現(xiàn)場(chǎng)改造后徹底消除了感應(yīng)電的產(chǎn)生，排除了DCS系統(tǒng)安全運(yùn)行的一個(gè)隱患。

1 事件概述

2010-11-18 15點(diǎn)37分某核電廠2號(hào)機(jī)主控室監(jiān)視畫面突發(fā)煙霧探測(cè)報(bào)警，同時(shí)操縱員接到現(xiàn)場(chǎng)工作人員報(bào)警電話，報(bào)告4LX廠房房間4KCP561AR控制柜冒出煙霧且伴有火花。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查4KCP561AR機(jī)柜，發(fā)現(xiàn)6個(gè)機(jī)籠電源分配保險(xiǎn)熔斷，CA層IO模件工作指示燈全部處于報(bào)警狀態(tài)，柜內(nèi)CA層機(jī)籠模件有燒焦痕跡，電路板焊錫融化，如圖1。

隨后儀控專業(yè)牽頭、電氣和工藝系統(tǒng)專業(yè)配合的調(diào)查小組對(duì)事件原因進(jìn)行調(diào)查分析。

2 原因查找

西門子Teleperm-XP（T2000）DCS系統(tǒng)包括控制柜、端子柜與電源柜等，每臺(tái)控制柜主要由CPU、IO模件及附屬元件組成，機(jī)籠背板是機(jī)柜總線的一部分，負(fù)責(zé)CPU與IO模件的通訊，并給IO模件分配工作電源。其通過(guò)控制電纜與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接[1]。

2.1 DCS報(bào)警信息分析

DCS事故追憶記錄顯示，事件發(fā)生（15點(diǎn)37分）前CA層機(jī)籠043槽位的FUM210模件頻發(fā)通道故障報(bào)警信息。043槽位配置FUM210開(kāi)關(guān)量輸出模件，控制4臺(tái)設(shè)備：4GSS201VV、4GSS251VV、4GSS252VV、4GSS290PO。經(jīng)查記錄，附近時(shí)間段只有4GSS290PO有設(shè)備狀態(tài)變化及異常報(bào)警信息，諸如：反饋故障、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備低電壓、控制回路故障、試驗(yàn)位故障等。

FUM210模件是Teleperm-XP非安全級(jí)DCS系統(tǒng)最常見(jiàn)的IO模件之一，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)量設(shè)備的輸入輸出，是使用數(shù)量最多的部件級(jí)DCS設(shè)備。該模件集成了標(biāo)準(zhǔn)化的DCM（Drive Control Module驅(qū)動(dòng)控制模塊）模塊，用于現(xiàn)場(chǎng)兩位式控制設(shè)備的控制驅(qū)動(dòng)和狀態(tài)采集。該集成策略有利于DCS軟硬件的便捷組態(tài)和系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，功能非常強(qiáng)大。該核電廠設(shè)計(jì)中并未選用DCM的全部功能，比如：試驗(yàn)位置、低電壓、控制回路故障等DI點(diǎn)并未接入DCS。FUM210與電氣配電設(shè)備典型控制接口信息如圖2所示。

DCS數(shù)字化IO模件對(duì)開(kāi)關(guān)量輸入觸點(diǎn)邏輯0/1的判斷是基于通道端采集到的電壓值，高過(guò)一定閾值認(rèn)為是高電平1（對(duì)應(yīng)邏輯量1），低于一定閾值認(rèn)為是低電平0（對(duì)應(yīng)邏輯量0）。而4GSS290PO并未接入DCS的“試驗(yàn)位置、低電壓、控制回路故障”等DI點(diǎn)發(fā)出報(bào)警信息（邏輯量1報(bào)警，對(duì)應(yīng)高電平），說(shuō)明這些通道端口電壓被抬高并超過(guò)DCS系統(tǒng)中高電平1的判斷閾值。用萬(wàn)用表測(cè)量該機(jī)柜所有外部電纜，未發(fā)現(xiàn)有超過(guò)交、直流24V的電壓存在。

2.2 電氣配電盤上的檢查測(cè)試

4GSS290PO是一臺(tái)380V交流電機(jī)泵，其與DCS的控制連接如圖2所示。調(diào)查小組在電氣配電盤側(cè)檢查電纜端接無(wú)誤，對(duì)4GSS290PO做好安全措施后，對(duì)配電盤進(jìn)行了檢查測(cè)試，測(cè)量工具為數(shù)字萬(wàn)用表FLUKE287，試驗(yàn)測(cè)試記錄數(shù)據(jù)如下表1：（各種試驗(yàn)情況下，電機(jī)狀態(tài)反饋端子直流電壓分量均為0 VDC。）

從試驗(yàn)結(jié)果看，電氣配電盤上電機(jī)狀態(tài)反饋控制電纜上產(chǎn)生了較高的感應(yīng)電壓。電機(jī)加熱器的投切對(duì)產(chǎn)生感應(yīng)電貢獻(xiàn)較大（隔離位置時(shí)，投入電加熱器增大了31-10=21VAC；工作位置時(shí)投入電加熱器增大了41-11=30VAC）；電機(jī)停止?fàn)顟B(tài)下，電氣配電盤由隔離狀態(tài)轉(zhuǎn)變到工作狀態(tài)，只增加了1VAC的感應(yīng)電壓變化，而電機(jī)運(yùn)行與否對(duì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓的變化沒(méi)有貢獻(xiàn)。查DCS系統(tǒng)手冊(cè)得知，無(wú)論是92VAC的峰值電壓，還是41VAC的穩(wěn)態(tài)電壓值，都可能對(duì)DCS內(nèi)部的精密電子元件造成損傷[2]。

2.3 電氣配電盤產(chǎn)生感應(yīng)電的原因分析

檢查電氣配電盤內(nèi)部電纜布置，發(fā)現(xiàn)盤內(nèi)控制電纜、動(dòng)力電纜走線布置不合理。受電加熱器啟停設(shè)計(jì)方案及配電盤元器件布局影響，電加熱器的啟停直接由配電盤接觸器的輔助接點(diǎn)連鎖控制實(shí)現(xiàn)，即在圖2中送到DCS去的狀態(tài)反饋弱電信號(hào)線與電機(jī)加熱器220VAC線共用同一走線槽，強(qiáng)弱電纜混合布置易導(dǎo)致弱電信號(hào)受強(qiáng)電電磁場(chǎng)干擾。

DCS控制電纜屏蔽層在進(jìn)入配電盤前統(tǒng)一接地，配電盤內(nèi)部控制電纜線芯不含屏蔽層，線芯中產(chǎn)生的感應(yīng)電干擾不能被屏蔽層有效屏蔽，故感應(yīng)電會(huì)通過(guò)線芯經(jīng)少量衰減后直接作用于DCS系統(tǒng)IO模件的輸入通道中[3]。

2.4 本次DCS控制柜機(jī)籠燒毀的機(jī)理分析

2.4.1 感應(yīng)電的電壓很高，但電量很小

試驗(yàn)中雖然感應(yīng)電的電壓很高，實(shí)測(cè)峰值達(dá)到92VAC，實(shí)際可能更高（FLUKE287數(shù)字式萬(wàn)用表的響應(yīng)時(shí)間較指針式萬(wàn)用表長(zhǎng)），但其電量很小——用電流檔對(duì)地沒(méi)有測(cè)量到有明顯的交、直流電流，微小的電量不足以燒毀機(jī)籠、將焊錫熔化。但這種電壓尖峰容易擊穿高密度集成電路上的電子元器件，在電路板外表并不會(huì)看到異常。

2.4.2 感應(yīng)電擊穿精密電子元器件，同時(shí)擊破了DCS模件的“安全屏障”

DCS系統(tǒng)IO模件的主體是布置數(shù)量龐大二極管、三極管、電阻、電容的超大規(guī)模集成電路板，靜電或感應(yīng)電尖峰極易引起電路或芯片中微小電子元器件擊穿，導(dǎo)致電路板線路或“斷路”或“短路”，進(jìn)而影響整體功能?！皵嗦贰蓖ǔ１憩F(xiàn)出工作異常，而“短路”則可能引起模件供電電源接地，產(chǎn)生較大電流，使電路板局部發(fā)熱燒毀。

2.4.3 1號(hào)機(jī)相同位置電氣配電盤曾引發(fā)相同位置DCS機(jī)籠工作異常

2010年6月16日，該核電廠1號(hào)機(jī)組3GSS290PO啟動(dòng)后突發(fā)電機(jī)狀態(tài)反饋故障報(bào)警。經(jīng)檢查，在CA043槽位模件上測(cè)量到了不正常的電壓等級(jí)：19.85VDC、 19.92VDC、 21.5VDC、21.18VDC、 21.39VDC等。DCS系統(tǒng)中只有24VDC和5VDC兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)，不正常的電壓等級(jí)表明電路板有降壓電子元器件被擊穿，使得“線路”受損，產(chǎn)生了不同的電壓降，但外表檢查并未發(fā)現(xiàn)異常。更換控制柜機(jī)籠模件后，設(shè)備狀態(tài)顯示重回正常，再驗(yàn)證試驗(yàn)通過(guò)。

2.4.4 控制柜機(jī)籠模件受感應(yīng)電干擾流程圖

由以上原因查找過(guò)程，繪制控制柜機(jī)籠模件受感應(yīng)電干擾燒毀流程圖如圖3所示。

3 原因分析及糾正措施

綜上所述，此次DCS控制柜機(jī)籠模件燒毀的直接原因及根本原因如下：

直接原因：電氣配電盤產(chǎn)生的感應(yīng)電擊穿了DCS機(jī)籠模件中精密電子元器件，擊破了模件的“安全屏障”，導(dǎo)致模件供電電源接地，電路板局部發(fā)熱燒毀。

根本原因：電氣配電盤內(nèi)部強(qiáng)弱電走線布置不合理，導(dǎo)致弱電信號(hào)線纜受到動(dòng)力線纜較強(qiáng)的電磁干擾而在線芯中產(chǎn)生較強(qiáng)感應(yīng)電。

由根本原因分析結(jié)果，制定糾正措施要求設(shè)備廠商在不改變電氣配電盤圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的情況下，優(yōu)（下轉(zhuǎn)第121頁(yè)）（上接第130頁(yè)）化電氣配電盤布置設(shè)計(jì)，按相關(guān)布線標(biāo)準(zhǔn)重新規(guī)劃了強(qiáng)弱電線纜在配電盤內(nèi)的走線布置。糾正措施完成后，在相同條件下重新做3.2章節(jié)的電氣盤試驗(yàn)，弱電端子上測(cè)得的感應(yīng)電壓最高值在3VAC以下。經(jīng)驗(yàn)證，對(duì)DCS正常運(yùn)行無(wú)影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)論是在常規(guī)電廠還是在核電廠的調(diào)試過(guò)程中，DCS系統(tǒng)發(fā)生模件燒毀事件是比較常見(jiàn)的現(xiàn)象，但原因大都比較明了，基本上是由于電纜端接錯(cuò)誤引起強(qiáng)電串入。而此次機(jī)籠模件燒毀實(shí)質(zhì)上是一個(gè)“二次傷害”事件，根本原因比較隱蔽。設(shè)備廠商在做相應(yīng)改造后徹底消除了電氣配電盤感應(yīng)電的產(chǎn)生，并在已商運(yùn)的機(jī)組進(jìn)行推廣實(shí)施。這種分析問(wèn)題的方法或思路對(duì)解決此類感應(yīng)電干擾問(wèn)題有一定指導(dǎo)和借鑒意義。

另外，通過(guò)事實(shí)論證了DCS設(shè)備防靜電、防電磁干擾措施的必要性，有利于核電廠完善數(shù)字化儀控系統(tǒng)的管理程序和操作規(guī)范。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]田茂彬.DCS控制系統(tǒng)模件燒損原因及預(yù)防措施[J].中國(guó)科技信息，2007，10：94-96.