袁屹昆，李 偉，宋 雨，姚建林

(1.江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

1 事件描述

某核電機(jī)組控制棒采用靜止式供電，交流380 V為主用電源，直流110 V為備用電源，主用和備用電源分別通過2組停堆斷路器向控制棒供電。反應(yīng)堆停堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，共有12個(gè)停堆斷路器，分為4組，每組包括機(jī)柜SHP6M2的交流斷路器(K1，K2)和機(jī)柜SHP6M3的直流斷路器K3。正常運(yùn)行時(shí)，所有停堆斷路器處于閉合狀態(tài)，當(dāng)接收到停堆保護(hù)命令時(shí)，停堆斷路器全部斷開，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)失電，控制棒掉入堆芯，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆停堆。

根據(jù)電站技術(shù)規(guī)格書規(guī)定，在進(jìn)行反應(yīng)堆停堆保護(hù)系統(tǒng)定期試驗(yàn)時(shí)，需依次將停堆斷路器實(shí)體斷開，測(cè)試其性能。對(duì)于每組3個(gè)斷路器，1次斷開1個(gè)交流斷路器和1個(gè)直流斷路器，另一個(gè)交流斷路器處于閉合狀態(tài)，向一半的控制棒供電。

2009-12-15，該核電機(jī)組按計(jì)劃進(jìn)行反應(yīng)堆停堆保護(hù)系統(tǒng)定期試驗(yàn)。09:32:30，執(zhí)行人員發(fā)出斷開1SHP6M2機(jī)柜斷路器K2和1SHP6M3機(jī)柜斷路器K3 的命令，斷路器K2，K3正常斷開，此時(shí)5～10組控制棒僅由通過斷路器K1的交流380 V電源保持，但在K2，K3斷開0.2 s后斷路器K1意外斷開，造成第5～10 組控制棒失電下落，反應(yīng)堆功率下降。0.65 s后K1閉合，5～10 組控制棒供電恢復(fù)，控制棒停止下落。在反應(yīng)堆功率下降過程中，一回路壓力下降，09:32:56，出現(xiàn)堆芯上部壓力低于13.73 MPa信號(hào)，觸發(fā)反應(yīng)堆自動(dòng)停堆信號(hào)，所有控制棒正常下落，反應(yīng)堆安全停堆。09:33:43，反應(yīng)堆功率達(dá)到次臨界水平。

圖1 反應(yīng)堆停堆保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 直接原因分析

2.1 事件曲線分析

在1SHP6M2和3SHP6M2機(jī)柜的上游0.4 kV母線段安裝有電流監(jiān)測(cè)裝置(監(jiān)測(cè)A相電流)，在2SHP6M2和4SHP6M2機(jī)柜的出口安裝有電壓監(jiān)測(cè)裝置(電壓下降到304±3 V時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào))。

事件發(fā)生時(shí)儀控系統(tǒng)記錄的相關(guān)設(shè)備狀態(tài)曲線如圖2所示。

圖2 設(shè)備狀態(tài)曲線

從設(shè)備狀態(tài)曲線可以看出：

(1)在事件發(fā)生前對(duì)K1和K3測(cè)試時(shí)，K1閉合時(shí)間較K3延遲約400 ms，說明K1已經(jīng)出現(xiàn)異常，可能存在卡澀問題；

(2)在K1誤動(dòng)作斷開時(shí)，出口端無低電壓報(bào)警信號(hào)，上游母線電流并未降低，反而短時(shí)間稍微增大。

斷路器K1有動(dòng)作反饋，證明其輔助觸點(diǎn)確已斷開，發(fā)出了動(dòng)作反饋信號(hào)。如果K1三相全部斷開，則其出口端肯定會(huì)有低電壓報(bào)警信號(hào)，其上游母線電流也會(huì)降低。只有在K1的一相短時(shí)斷開，另外兩相保持閉合時(shí)，其出口端電壓才有可能不降低，上游母線電流還會(huì)短時(shí)增加，在斷開相閉合后，母線電流恢復(fù)正常。因此可以得出推論：事件的直接原因是斷路器K1短時(shí)缺相運(yùn)行。

2.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證斷路器K1短時(shí)缺相運(yùn)行是導(dǎo)致事件的直接原因這一推論，在該核電機(jī)組控制棒測(cè)試臺(tái)架上做了以下驗(yàn)證試驗(yàn)。

(1)缺相與掉棒關(guān)系試驗(yàn)：控制棒的三相供電中，當(dāng)缺少一相供電后，控制棒將掉落。

(2)缺相時(shí)間與掉棒關(guān)系試驗(yàn)：缺相時(shí)間超過20 ms時(shí)，控制棒掉落。

(3)控制棒保持電壓試驗(yàn)：控制棒僅依靠交流電源保持，當(dāng)交流電壓從380 V下降到110 V時(shí)，控制棒掉棒。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，控制棒交流電源工作電壓為323～418 V，當(dāng)一路交流電源電壓低于304±3 V時(shí)，將會(huì)觸發(fā)低電壓報(bào)警信號(hào)。因此，設(shè)計(jì)文件規(guī)定的報(bào)警限值電壓足以保持住控制棒。

(4)缺相時(shí)間與低電壓報(bào)警信號(hào)關(guān)系試驗(yàn)：斷路器A或B相缺相，電壓監(jiān)測(cè)裝置不會(huì)發(fā)出低電壓報(bào)警信號(hào)，C相缺相時(shí)間小于700 ms時(shí)，也不會(huì)發(fā)出低電壓報(bào)警，C相缺相時(shí)間大于700 ms時(shí)，會(huì)發(fā)出低電壓報(bào)警信號(hào)。

由圖2可知，K1誤動(dòng)作斷開時(shí)間不到700 ms，上述試驗(yàn)證明了事件的直接原因?yàn)閿嗦菲鱇1短時(shí)缺相運(yùn)行。

2.3 模擬試驗(yàn)

為了試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)事件發(fā)生時(shí)的現(xiàn)象，模擬事件現(xiàn)場(chǎng)搭建了試驗(yàn)電路，使用了與K1，K2同型號(hào)的斷路器連接到380 V交流電源上，并專門設(shè)計(jì)了控制電路來模擬斷路器三相和單相斷相，以及斷開時(shí)間，重現(xiàn)事件過程現(xiàn)場(chǎng)記錄的斷路器電流波形。對(duì)斷路器進(jìn)行了三相斷路及單相斷路試驗(yàn)，并記錄了相應(yīng)的負(fù)載側(cè)電壓和單相電流波形如圖3所示。

試驗(yàn)波形顯示：

(1)三相斷路與單相斷路試驗(yàn)產(chǎn)生的波形完全不同；

(2)單相斷路試驗(yàn)的波形與事故現(xiàn)場(chǎng)記錄波形一致。

波形對(duì)比顯示，當(dāng)C相缺相運(yùn)行接近700 ms時(shí)，回路電流波形基本與事件波形一致，這也與“缺相時(shí)間與低電壓報(bào)警信號(hào)關(guān)系試驗(yàn)”對(duì)應(yīng)。

上述試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)了事件過程，進(jìn)一步驗(yàn)證了事件直接原因是斷路器短時(shí)缺相運(yùn)行這一推論。

圖3 三相斷開和單相斷開時(shí)電流波形

3 根本原因分析

3.1 斷路器功能原理介紹

圖1中K1為ABB公司的EH210型斷路器，包括主觸點(diǎn)、主觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)部分、2個(gè)輔助觸點(diǎn)和2個(gè)控制觸點(diǎn)，控制觸點(diǎn)(35-36)與工作線圈的連接見圖4。

圖4 控制觸點(diǎn)(35-36)與工作線圈連接

其中的2個(gè)工作線圈，L1為保持線圈，直流電阻約為24.4 kΩ，L2為動(dòng)作線圈，直流電阻約為95 Ω，35-36為其中一個(gè)控制觸點(diǎn)，另外一個(gè)控制觸點(diǎn)未使用。斷路器控制電壓加電瞬間，控制觸點(diǎn)35-36處于閉合狀態(tài)，L1被短接，電磁功率很大，將主觸點(diǎn)吸合；主觸點(diǎn)吸合后，機(jī)構(gòu)分別帶動(dòng)控制觸點(diǎn)與輔助觸點(diǎn)(圖中未示出)動(dòng)作，控制觸點(diǎn)35-36斷開，L1接入電路，電磁功率減小，斷路器的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換為保持狀態(tài)。

3.2 斷路器性能檢查

3.2.1 機(jī)械電氣參數(shù)檢查

使用同型號(hào)的正常斷路器(以下簡(jiǎn)稱良品)和事件中出現(xiàn)異常的斷路器(以下簡(jiǎn)稱故障品)進(jìn)行了如下機(jī)械和電氣參數(shù)的測(cè)量和對(duì)比。

(1)故障品線圈的電阻、線圈絕緣、主觸點(diǎn)壓力、觸點(diǎn)電阻無異常。

(2)對(duì)比發(fā)現(xiàn)良品控制觸點(diǎn)與輔助觸點(diǎn)的壓力均略高于故障品，但是最大壓力測(cè)量結(jié)果正好相反，說明故障品存在一定程度的卡澀。

(3)在測(cè)量過程中，良品觸點(diǎn)移動(dòng)較為平滑，而故障品仍然存在卡澀現(xiàn)象。

3.2.2 X射線檢查

通過X射線檢測(cè)，對(duì)比觀察良品和故障品斷路器的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 良品(右)和故障品(左)控制觸點(diǎn)對(duì)比

(1)故障品的常開控制觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，相應(yīng)彈簧處于壓緊狀態(tài)，良品的所有觸點(diǎn)均處于正常位置；

(2)故障品的常閉控制觸點(diǎn)存在非正常位移，而良品的所有觸點(diǎn)均不存在非正常位移。

3.2.3 震動(dòng)檢查

模擬現(xiàn)場(chǎng)條件，將良品安裝在故障品旁邊做反復(fù)吸合操作，經(jīng)過5 000次的動(dòng)作，未出現(xiàn)缺相的情況。又模擬故障品斷路器處于卡澀狀態(tài)，經(jīng)過100次震動(dòng)，出現(xiàn)了62次缺相的情況，這說明如果斷路器未能充分吸合，其在保持狀態(tài)下的吸合力明顯不足，易出現(xiàn)震動(dòng)導(dǎo)致的缺相。

3.2.4 解體檢查

對(duì)故障品控制觸點(diǎn)進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)控制觸點(diǎn)彈簧推動(dòng)機(jī)構(gòu)存在明顯的過熱燒損痕跡(見圖6)，推動(dòng)機(jī)構(gòu)的有機(jī)材料變形，出現(xiàn)凸起。這是導(dǎo)致控制觸點(diǎn)出現(xiàn)機(jī)械卡澀的原因。

3.4 分析結(jié)論

解體形貌觀察顯示控制觸點(diǎn)內(nèi)部機(jī)構(gòu)出現(xiàn)過熱燒損，這會(huì)造成控制觸點(diǎn)出現(xiàn)機(jī)械卡澀。X射線檢測(cè)和機(jī)械參數(shù)測(cè)量結(jié)果也證明卡澀的存在。

圖6 控制觸點(diǎn)燒損情況

控制觸點(diǎn)和主觸點(diǎn)是機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)。控制觸點(diǎn)的卡澀導(dǎo)致主觸點(diǎn)未能及時(shí)(對(duì)應(yīng)圖2中K1滯后K3閉合400 ms)、充分地吸合。在此條件下進(jìn)行K2，K3試驗(yàn)，易將K1振動(dòng)至缺相運(yùn)行狀態(tài)。

根據(jù)斷路器的工作原理，由于斷路器K1處于保持狀態(tài)，一旦發(fā)生明顯的震動(dòng)，控制觸點(diǎn)應(yīng)該提前閉合，從而斷路器轉(zhuǎn)換至吸合狀態(tài)，增大吸合力，使觸點(diǎn)保持吸合狀態(tài)。但是由于控制觸點(diǎn)存在卡澀和壓力不足，導(dǎo)致控制觸點(diǎn)本次吸合出現(xiàn)接觸不良，斷路器未能及時(shí)轉(zhuǎn)換至吸合狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致了短時(shí)缺相運(yùn)行。因此，控制觸點(diǎn)內(nèi)部燒損是事件的根本原因，而斷路器震動(dòng)誘發(fā)了事件發(fā)生。

反應(yīng)堆停堆保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在不足。當(dāng)進(jìn)行反應(yīng)堆停堆保護(hù)系統(tǒng)定期試驗(yàn)需同時(shí)斷開1組3個(gè)斷路器中的2個(gè)時(shí)，有一半的控制棒供電僅依靠1個(gè)斷路器保持，如果這個(gè)斷路器出現(xiàn)故障將導(dǎo)致這一半的控制棒失電掉落，這是事件的促成原因。

4 技術(shù)改造方案

根據(jù)上述原因分析，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)實(shí)施及可操性方面考慮，擬采取以下技術(shù)改造方案。

(1)停堆斷路器控制回路改造。在保證安全功能不受影響的基礎(chǔ)上，對(duì)停堆斷路器控制回路進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，保證在進(jìn)行反應(yīng)堆停堆系統(tǒng)定期試驗(yàn)時(shí)每組3個(gè)停堆斷路器1次只斷開1個(gè)，2個(gè)處于閉合狀態(tài)，降低定期試驗(yàn)導(dǎo)致誤停堆概率。

(2)停堆斷路器改型替代。斷路器的控制觸點(diǎn)內(nèi)部燒損是導(dǎo)致事件的根本原因，并且EH系列斷路器早已停產(chǎn)，有必要尋找一種可靠性更高的新型斷路器進(jìn)行替代。

(3)同一個(gè)機(jī)柜內(nèi)停堆斷路器的布置方式改進(jìn)。由于SHP6M2機(jī)柜內(nèi)同一塊固定板上布置了2個(gè)斷路器，在1個(gè)斷路器動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)可能會(huì)影響另一個(gè)斷路器的狀態(tài)，因此有必要考慮將2個(gè)斷路器在安裝上進(jìn)行物理隔離，消除震動(dòng)影響。

2010年該核電機(jī)組反應(yīng)堆停堆保護(hù)系統(tǒng)已實(shí)施方案1的改造，目前已運(yùn)行了近2年時(shí)間，沒有出現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)、拒動(dòng)故障，效果良好。

方案2，3由于涉及安全1E級(jí)設(shè)備的改造，需重新做質(zhì)量鑒定試驗(yàn)，目前正處論證、審評(píng)階段。