某核電機組停堆斷路器故障原因分析及改造方案

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。反應堆停堆保護系統(tǒng)結構如圖1所示，共有12個停堆斷路器，分為4組，每組包括機柜SHP6M2的交流斷路器(K1，K2)和機柜SHP6M3的直流斷路器K3。正常運行時，所有停堆斷路器處于閉合狀態(tài)，當接收到停堆保護命令時，停堆斷路器全部斷開，控制棒驅動機構失電，控制棒掉入堆芯，實現(xiàn)反應堆停堆。

根據(jù)電站技術規(guī)格書規(guī)定，在進行反應堆停堆保護系統(tǒng)定期試驗時，需依次將停堆斷路器實體斷開，測試其性能。對于每組3個斷路器，1次斷開1個交流斷路器和1個直流斷路器，另一個交流斷路器處于閉合狀態(tài)，向一半的控制棒供電。

2009-12-15，該核電機組按計劃進行反應堆停堆保護系統(tǒng)定期試驗。09:32:30，執(zhí)行人員發(fā)出斷開1SHP6M2機柜斷路器K2和1SHP6M3機柜斷路器K3 的命令，斷路器K2，K3正常斷開，此時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，反應堆功率下降。0.65 s后K1閉合，5～10 組控制棒供電恢復，控制棒停止下落。在反應堆功率下降過程中，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，觸發(fā)反應堆自動停堆信號，所有控制棒正常下落，反應堆安全停堆。09:33:43，反應堆功率達到次臨界水平。

圖1 反應堆停堆保護系統(tǒng)結構

2 直接原因分析

2.1 事件曲線分析

在1SHP6M2和3SHP6M2機柜的上游0.4 kV母線段安裝有電流監(jiān)測裝置(監(jiān)測A相電流)，在2SHP6M2和4SHP6M2機柜的出口安裝有電壓監(jiān)測裝置(電壓下降到304±3 V時發(fā)出報警信號)。

事件發(fā)生時儀控系統(tǒng)記錄的相關設備狀態(tài)曲線如圖2所示。

圖2 設備狀態(tài)曲線

從設備狀態(tài)曲線可以看出：

(1)在事件發(fā)生前對K1和K3測試時，K1閉合時間較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誤動作斷開時，出口端無低電壓報警信號，上游母線電流并未降低，反而短時間稍微增大。

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

2.2 驗證試驗

為了驗證斷路器K1短時缺相運行是導致事件的直接原因這一推論，在該核電機組控制棒測試臺架上做了以下驗證試驗。

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

(2)缺相時間與掉棒關系試驗：缺相時間超過20 ms時，控制棒掉落。

(3)控制棒保持電壓試驗：控制棒僅依靠交流電源保持，當交流電壓從380 V下降到110 V時，控制棒掉棒。根據(jù)設計文件，控制棒交流電源工作電壓為323～418 V，當一路交流電源電壓低于304±3 V時，將會觸發(fā)低電壓報警信號。因此，設計文件規(guī)定的報警限值電壓足以保持住控制棒。

(4)缺相時間與低電壓報警信號關系試驗：斷路器A或B相缺相，電壓監(jiān)測裝置不會發(fā)出低電壓報警信號，C相缺相時間小于700 ms時，也不會發(fā)出低電壓報警，C相缺相時間大于700 ms時，會發(fā)出低電壓報警信號。

由圖2可知，K1誤動作斷開時間不到700 ms，上述試驗證明了事件的直接原因為斷路器K1短時缺相運行。

2.3 模擬試驗

為了試驗復現(xiàn)事件發(fā)生時的現(xiàn)象，模擬事件現(xiàn)場搭建了試驗電路，使用了與K1，K2同型號的斷路器連接到380 V交流電源上，并專門設計了控制電路來模擬斷路器三相和單相斷相，以及斷開時間，重現(xiàn)事件過程現(xiàn)場記錄的斷路器電流波形。對斷路器進行了三相斷路及單相斷路試驗，并記錄了相應的負載側電壓和單相電流波形如圖3所示。

試驗波形顯示：

(1)三相斷路與單相斷路試驗產(chǎn)生的波形完全不同；

(2)單相斷路試驗的波形與事故現(xiàn)場記錄波形一致。

波形對比顯示，當C相缺相運行接近700 ms時，回路電流波形基本與事件波形一致，這也與“缺相時間與低電壓報警信號關系試驗”對應。

上述試驗復現(xiàn)了事件過程，進一步驗證了事件直接原因是斷路器短時缺相運行這一推論。

圖3 三相斷開和單相斷開時電流波形

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、主觸點驅動部分、2個輔助觸點和2個控制觸點，控制觸點(35-36)與工作線圈的連接見圖4。

圖4 控制觸點(35-36)與工作線圈連接

其中的2個工作線圈，L1為保持線圈，直流電阻約為24.4 kΩ，L2為動作線圈，直流電阻約為95 Ω，35-36為其中一個控制觸點，另外一個控制觸點未使用。斷路器控制電壓加電瞬間，控制觸點35-36處于閉合狀態(tài)，L1被短接，電磁功率很大，將主觸點吸合；主觸點吸合后，機構分別帶動控制觸點與輔助觸點(圖中未示出)動作，控制觸點35-36斷開，L1接入電路，電磁功率減小，斷路器的工作狀態(tài)轉換為保持狀態(tài)。

3.2 斷路器性能檢查

3.2.1 機械電氣參數(shù)檢查

使用同型號的正常斷路器(以下簡稱良品)和事件中出現(xiàn)異常的斷路器(以下簡稱故障品)進行了如下機械和電氣參數(shù)的測量和對比。

(1)故障品線圈的電阻、線圈絕緣、主觸點壓力、觸點電阻無異常。

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

(3)在測量過程中，良品觸點移動較為平滑，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，對比觀察良品和故障品斷路器的內部機械結構如圖5所示。

圖5 良品(右)和故障品(左)控制觸點對比

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

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

3.2.3 震動檢查

模擬現(xiàn)場條件，將良品安裝在故障品旁邊做反復吸合操作，經(jīng)過5 000次的動作，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，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)震動導致的缺相。

3.2.4 解體檢查

對故障品控制觸點進行解體檢查，發(fā)現(xiàn)控制觸點彈簧推動機構存在明顯的過熱燒損痕跡(見圖6)，推動機構的有機材料變形，出現(xiàn)凸起。這是導致控制觸點出現(xiàn)機械卡澀的原因。

3.4 分析結論

解體形貌觀察顯示控制觸點內部機構出現(xiàn)過熱燒損，這會造成控制觸點出現(xiàn)機械卡澀。X射線檢測和機械參數(shù)測量結果也證明卡澀的存在。

圖6 控制觸點燒損情況

控制觸點和主觸點是機械聯(lián)動機構?？刂朴|點的卡澀導致主觸點未能及時(對應圖2中K1滯后K3閉合400 ms)、充分地吸合。在此條件下進行K2，K3試驗，易將K1振動至缺相運行狀態(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，控制觸點應該提前閉合，從而斷路器轉換至吸合狀態(tài)，增大吸合力，使觸點保持吸合狀態(tài)。但是由于控制觸點存在卡澀和壓力不足，導致控制觸點本次吸合出現(xiàn)接觸不良，斷路器未能及時轉換至吸合狀態(tài)，進而導致了短時缺相運行。因此，控制觸點內部燒損是事件的根本原因，而斷路器震動誘發(fā)了事件發(fā)生。

反應堆停堆保護系統(tǒng)設計存在不足。當進行反應堆停堆保護系統(tǒng)定期試驗需同時斷開1組3個斷路器中的2個時，有一半的控制棒供電僅依靠1個斷路器保持，如果這個斷路器出現(xiàn)故障將導致這一半的控制棒失電掉落，這是事件的促成原因。

4 技術改造方案

根據(jù)上述原因分析，從系統(tǒng)設計、試驗實施及可操性方面考慮，擬采取以下技術改造方案。

(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上，對停堆斷路器控制回路進行設計優(yōu)化，保證在進行反應堆停堆系統(tǒng)定期試驗時每組3個停堆斷路器1次只斷開1個，2個處于閉合狀態(tài)，降低定期試驗導致誤停堆概率。

(2)停堆斷路器改型替代。斷路器的控制觸點內部燒損是導致事件的根本原因，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行替代。

(3)同一個機柜內停堆斷路器的布置方式改進。由于SHP6M2機柜內同一塊固定板上布置了2個斷路器，在1個斷路器動作時產(chǎn)生的震動可能會影響另一個斷路器的狀態(tài)，因此有必要考慮將2個斷路器在安裝上進行物理隔離，消除震動影響。

2010年該核電機組反應堆停堆保護系統(tǒng)已實施方案1的改造，目前已運行了近2年時間，沒有出現(xiàn)保護系統(tǒng)誤動、拒動故障，效果良好。

方案2，3由于涉及安全1E級設備的改造，需重新做質量鑒定試驗，目前正處論證、審評階段。