乏燃料升降斗直流控制器故障處理

靳瀚博，茍 海

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

秦山核電三期是從加拿大引進(jìn)的70 萬重水堆機(jī)組，具有不停堆換料的特點，乏燃料升降斗在換料過程中起到承載乏燃料并將其運(yùn)至水下的任務(wù)。在機(jī)組運(yùn)行過程中，直流控制器會出現(xiàn)速度偏離設(shè)定、控制器失效等故障，筆者曾經(jīng)處理3 次乏燃料升降斗控制器的故障。升降斗為半圓槽形，若升降斗驅(qū)動失效，則存在乏燃料棒束失去冷卻而熔毀的風(fēng)險，因此制定切實可行的解決方案，對燃料操作系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 直流控制器工作原理

乏燃料升降斗電機(jī)的直流調(diào)速系統(tǒng)包括兩部分，勵磁并聯(lián)的直流電機(jī)和單項全波可控硅（SCR）控制器。直流調(diào)速控制原理是利用晶閘管正向阻斷和觸發(fā)導(dǎo)通特性，完成直流電機(jī)的正反向旋轉(zhuǎn)控制；電機(jī)快、慢速是通過集成電路中調(diào)節(jié)電位計，控制直流調(diào)速器的直流輸出電壓來實現(xiàn)。直流控制器輸入為AC 240 V，通過內(nèi)部電路轉(zhuǎn)換為0～180 V 直流電壓施加在電機(jī)與電機(jī)勵磁繞組。電機(jī)運(yùn)行速度可以通過控制器上的電位計進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)正負(fù)IR（電感式電壓調(diào)整器）補(bǔ)償調(diào)整、最大速度調(diào)整、最小速度調(diào)整、輸出力矩調(diào)整以及線性加速、減速調(diào)整等。

2 乏燃料升降斗直流控制器故障分析

在燃料操作系統(tǒng)卸料過程中，乏燃料系統(tǒng)升降斗經(jīng)常出現(xiàn)驅(qū)動失效現(xiàn)象，表現(xiàn)為升降斗突然停滯于一固定位置，程序出現(xiàn)中斷，升降斗動作指令CELL 失效，主控?fù)Q料盤臺CRT 報警“DRIVE STUCK”。這種情況刨除機(jī)械設(shè)備，如剎車抱死等原因外，絕大多數(shù)是升降斗直流電機(jī)控制器故障導(dǎo)致。

2.1 驅(qū)動回路故障

直流控制器的A1 與A2 端子直接控制電機(jī)電樞，F(xiàn)+與F-端子直接連接電機(jī)的勵磁繞組。在正常工作中，勵磁電流范圍是0.89～1.06 A，電樞電流在2～3 A。電機(jī)的勵磁與電樞電流會隨著工作時間及溫度的變化而變化。根據(jù)電機(jī)繞組發(fā)熱量公式，Q=I2Rt，I=U/R，其中，I 是經(jīng)過線圈的電流，R 是線圈電阻，t 是通電時間。可知，在繞組型號（即R）和運(yùn)行時間（t）不變的情況下，經(jīng)過線圈的電流決定了線圈的發(fā)熱量。同時若電流（I）不變，運(yùn)行時間t 越大，則發(fā)出的熱量越多。由于乏燃料升降斗直流控制器長期帶電的工作方式，導(dǎo)致勵磁繞組長期以加電方式運(yùn)行，勵磁繞組溫度升高，電阻降低，絕緣加速老化，從而過流或短路，燒毀直流控制器。

勵磁繞組的電阻偏小或燒毀后在直流控制器上的直觀表現(xiàn)就是控制器（A1，A2）兩個端子之間的電流持續(xù)增大，或控制器勵磁控制回路中的5FU 石英保險絲（250 V、5 A）燒毀。另一直觀表現(xiàn)就是斷電后從控制器端（A1，A2）兩個端子測量電機(jī)勵磁電阻異常偏小。

2008—2018 年，勵磁繞組的阻值持續(xù)呈下降趨勢（表1），尤其是2015 年測得的134.6 Ω 與2018 年測得的114.08 Ω 偏差較大。但未引起注意并采取干預(yù)措施，這種情況存在電機(jī)勵磁繞組燒毀或乏燃料升降斗失去動力的風(fēng)險，由此可見升降斗直流控制器持續(xù)帶電運(yùn)行存在的弊端。

2007 年5 月22 日，秦三廠一號機(jī)組換料盤臺操縱員在下降乏燃料升降斗時，發(fā)現(xiàn)剎車釋放指示燈點亮，但升降斗無法下降。檢查發(fā)現(xiàn)控制器保險絲燒毀，檢查電機(jī)勵磁電阻為25.8 Ω，電樞電阻為11.7 Ω，嚴(yán)重偏離維修手冊中規(guī)定的200～500 Ω，電樞電阻0.3～1 Ω 的標(biāo)準(zhǔn)。后續(xù)現(xiàn)場維修人員發(fā)現(xiàn)電機(jī)勵磁線圈燒毀。

表1 電機(jī)勵磁電阻變化

2.2 直流控制器內(nèi)部故障

乏燃料升降斗直流控制器主要功能是控制升降斗上升及下降速度，速度通過直流控制器上的兩個電位計（MAX、MIN）調(diào)節(jié)。在秦三廠實際使用工況中，升降斗在保證輸出電壓小于DC 180 V 的情況下，實際速度是高速在200～228 mm/s，低速在30～50 mm/s。若速度調(diào)節(jié)超過范圍或電位計漂移導(dǎo)致升降斗速度異常，則會導(dǎo)致?lián)Q料盤臺自動指令失效或升降斗軸編碼器位置指示出現(xiàn)異常。

3 優(yōu)化措施

通過各種手段的優(yōu)化，延長升降斗直流控制器及其驅(qū)動電機(jī)的使用壽命，減少甚至杜絕其失效次數(shù)，有利于提高設(shè)備可靠性與燃料操作系統(tǒng)的可用性，避免系統(tǒng)失效。

3.1 改變升降斗電機(jī)直流控制器的工作方式

乏燃料系統(tǒng)升降斗電機(jī)控制器長期帶電是影響電機(jī)及直流控制器使用壽命的一個重要因素。電機(jī)運(yùn)行過程中，直流電機(jī)勵磁繞組如果失電將導(dǎo)致電機(jī)速度快速增加。保證勵磁繞組可靠帶電是乏燃料卸料安全的重要保證。

（1）采取在燃料操作系統(tǒng)啟用時對控制器送電，系統(tǒng)停止服役時斷電的工作方式，減少直流控制器與電機(jī)帶電工作時間。

（2）對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行改造，修改乏燃料升降斗電機(jī)控制器送電邏輯，盡量降低電機(jī)勵磁繞組帶電時間。實現(xiàn)用時勵磁線圈和電樞繞組加電，使用完畢后勵磁線圈自動斷電的目的，需要在換料工藝序列控制信號中查找兩種合適的開關(guān)信號輸出點，一種滿足在電機(jī)每個運(yùn)轉(zhuǎn)工序前狀態(tài)會發(fā)生切換的條件，另一種滿足每次電機(jī)完成運(yùn)轉(zhuǎn)工序后狀態(tài)會發(fā)生切換的條件。將這兩種信號輸出點加入控制邏輯電路，用于控制繼電器CS8 給電機(jī)控制器加電，實現(xiàn)隨用隨開，隨停隨關(guān)。避免發(fā)生電機(jī)不運(yùn)行但長時間給勵磁線圈上電的情況。

針對此項，已完成變更，在不改變升降斗功能的前提下，替代原系統(tǒng)中使用的直流控制器，通過控制回路部分接線進(jìn)行更改，使新控制器的輸出參數(shù)滿足乏燃料升降斗運(yùn)行功能的要求。在供電回路利用新增CB 作為勵磁和電樞的通斷電開關(guān)。同時在直流控制器L1 與L2 之間加入繼電器RL59，在盤臺上增加手動開關(guān)CS8 作為控制繼電器RL58 的開關(guān)，讓RL58 與RL59行程邏輯連鎖。當(dāng)供電回路CB 閉合，需手動閉合CS8，使Rl58繼電器通電，進(jìn)而使RL59 得電才可以使直流控制器帶電工作，實現(xiàn)隨用隨開，隨停隨關(guān)。

3.2 定期檢查電機(jī)

定期對電機(jī)的檢查工作也是必不可少的，可采取定期測量電機(jī)定子和勵磁繞組電阻值，以及工作電流的方式，直接監(jiān)測電機(jī)健康狀況，消除電機(jī)和直流控制器燒毀的風(fēng)險隱患。當(dāng)直流控制器燒毀或保險絲燒毀時，應(yīng)同步考慮是否為電機(jī)故障所致，避免因電機(jī)故障而重復(fù)燒毀直流控制器的風(fēng)險。

3.3 合理調(diào)節(jié)升降斗速度

升降斗在動作時，由于升降斗本身為重型設(shè)備（約270 kg），將MIN、MAX 兩電位計固定后，這兩種高速和兩種低速之間會有略微差別。升降斗低速上升靠近上限位時，速度應(yīng)略靠近下限值（盡量靠近30 mm/s），防止因升降斗過快而引發(fā)升降斗到達(dá)上限位后的軸編碼器指示偏差或指令失效，低速下降在速度范圍區(qū)間內(nèi)即可。

4 結(jié)論

本文介紹升降斗直流控制器的運(yùn)行原理及在運(yùn)行中常見的升降斗失效、升降斗驅(qū)動電機(jī)燒毀等故障。通過分析其具體原因，證明直流控制器長期供電的工作方式及直流控制器調(diào)速不當(dāng)?shù)谋锥?，提出對控制回路進(jìn)行改造、合理調(diào)速等一系列優(yōu)化措施，有效提高了燃料操作系統(tǒng)的可用性、安全性，對乏燃料升降斗直流控制器及其回路的檢修提供了技術(shù)支持。