提高重水堆燃料操作系統24 V DC控制電源運行可靠性的分析1)

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

秦山第三核電廠2臺機組為CANDU-6型重水堆，它的特點是不停堆換料。燃料操作系統通過2臺裝卸料機實現了這個特點，它完成新燃料棒束的接收，通過裝卸料機抱卡在燃料通道上保證主系統的完整性，實現通道內燃料的裝與卸，保證乏燃料在裝卸料機內的冷卻，最終將其安全卸至乏燃料水池[1]。燃料操作系統控制電源為上述功能提供了電力來源，其中24 V DC控制電源更是實現了上述功能的自動和手動控制。國外重水堆曾出現24 V DC控制電源故障失效事件，導致系統不可用，例如達林頓電站因電源失效，燃料操作系統不可用24 h，雖未造成嚴重后果，但仍存有潛在隱患和風險。

24 V DC控制電源對燃料操作系統來說至關重要，若其失效，對電站的安全穩定運行造成影響，因此需采取有效措施提高其運行可靠性。

1 燃料操作系統控制電源簡介

燃料操作系統共有11個子系統組成，裝卸料機為核心，其余系統為它提供來自于重水、油、氣、電等動力，實現換料操作。其中電力來源即由燃料操作供電系統提供。

燃料操作供電系統主要包括動力電源和控制電源。控制電源主要是通過供電母線及下一級直流穩壓電源向系統用電設備提供控制用電源，以滿足設備的正常運行需要。

燃料操作系統控制電源由電站Ⅲ級電源供應，變壓器原邊380 V三相，副邊208/120 V，三相，4線，偶母線5433-MCC16供應A側系統，奇母線5433-MCC15供應C側系統?？刂齐娫垂卜?路120 V AC交流母線和3路24 V DC直流母線以及一系列直流穩壓電源等[2]。

燃料操作系統24 V DC控制電源63597-PWS1為24 V公共母線、自動母線和手動母線供電，并與控制計算機的接地線共地。

24 V公共母線向燃料操作系統所有指示器、繼電器等設備提供電源，這些設備向計算機提供輸入信號，向操作人員提供指示，且只在系統關閉時切斷。

24 V手動母線向所有手動控制提供電源。

24 V自動母線向所有計算機輸出提供電源。

燃料操作系統控制電源已在A、C兩側上級電源5433-MCC16和5433-MCC15之間增加切換開關實現備用冗余，當一側MCC不可用時，通過切換開關將相應的負載轉換到另一側，由另一側的MCC同時向A、C兩側的負載提供控制電源。但24 V DC控制電源在AECL的原始設計中沒有考慮冗余設計，即沒有備用系統。

2 燃料操作系統24 V DC控制電源FMEA失效分析

2.1 功能失效和失效影響分析

24 V DC控制電源出現失效時，24 V公共母線、自動母線和手動母線不可用，換料盤臺出現“24 V DC BUSS FAILED-ALL DI′S OPEN”報警信息，以下功能出現失效：

1)喪失所有的手動控制和自動控制；

2)喪失設備狀態指示功能和報警功能；

3)失去裝卸料機油壓動力導致裝卸料機主要功能喪失；

4)喪失乏燃料應急噴淋、應急冷卻等多重功能；

5)主控室盤臺出現失去乏燃料通道壓力邊界報警信息。

結合上述功能失效和實際換料工況，著重從核安全角度出發分析24 V DC控制電源失效影響和后果，詳見表1，共分為反應堆換料中、裝卸料機脫離端部件后帶有乏燃料和乏燃料卸料中3種工況。

表1 24 V DC控制電源失效影響一覽表

根據表1分析結果表明，24 V DC控制電源失效對燃料操作系統安全造成極大影響，不僅造成重水泄漏，而且嚴重威脅乏燃料冷卻，嚴重情況下，燃料棒束會出現破損。

2.2 失效模式分析

燃料操作系統24 V DC控制電源63597-PWS1為HP(惠普)公司生產的Agilent 6573A型電源，直流穩壓電源，該電源輸入電壓為110 V AC,50～60 Hz，輸出電壓在0～35 V DC范圍內可調，輸出電流可達60 A，功率2 000 W,重約28.2 kg,具有過壓，過流保護功能。

直流穩壓電源是將交流電轉換成穩壓輸出的直流電壓的裝置，需要變壓、整流、濾波、穩壓四個環節才能完成，主要失效模式有輸出電壓不穩定,輸出電壓偏高，輸出開路或短路等。根據EPRI PMB3.1直流穩壓電源統計結果，它的失效模式從故障部位、故障模式和故障原因詳見表2。

表2 直流穩壓電源FMEA清單

根據表2看出，直流穩壓電源內部元器件的老化和工作循環、周圍環境溫度高是電源的主要故障原因[3]。

針對24 V DC控制電源63597-PWS1的內部元器件鋁電解電容、繼電器、熔斷器等進行了老化試驗。試驗結果證明，鋁電解電容是有壽命的元器件，電容漏電是不可避免出現的問題，電解液會隨著運行時間的增加而干涸，從而造成電路中紋波大增，加大調解回路負擔，進而加速電源模塊老化；繼電器線圈或相關元件可能產生過多的熱量使線圈燒毀，觸點損壞；熔斷器對老化不甚敏感，制造工藝的應力容易造成熔絲金屬疲勞而短路[4]。這三類元器件會受到環境濕溫度、運行溫度、振動與沖擊、過電壓、過電流、紋波電壓等因素影響，出現老化現象。

在國家標準NB/T 20198—2013《核電廠儀表和控制設備老化管理及實施》中提到，電解電容建議使用壽命為8～15 a，熔斷器建議壽命為2～10 a，繼電器建議壽命為15～25 a，電源參考使用壽命為8～12 a[5]。所有電源模塊都是有使用壽命的，因此需要其失效之前采取主動性維修方式。

通過對24 V DC控制電源失效影響和失效模式分析表明，有必要采取有效措施提高設備可靠性，避免出現嚴重后果。

3 提高燃料操作系統24 V DC控制電源可靠性的分析研究

3.1 優化預防性維修大綱和備件管理

結合直流穩壓電源的失效模式，有針對性的制定預防性維修策略。EPRI PMB3.1直流穩壓電源預防性維修策略中包括定期更換電源、監測輸出電壓，電解電容備件保養，根據工作環境、工作頻度和設備重要程度選擇適當周期。

燃料操作系統24 V DC控制電源預防性項目僅包括輸出電壓監測和電源解體檢查(詳見表3)。結合電源失效模式、EPRI相關要求、國內外運行經驗，優化了電源的預防性維修大綱，增加定期整體更換電源項目，周期12 a，大修期間實施。

同時加強備品備件管理，優化庫存備件維護保養策略，對庫存備件每兩年一次加電測試，單次加電不得少于12 h，設置備件最小定額為4個，根據大修規劃，提出采購申請，縮短到貨期和庫存存放時間，避免備件因長期存放而不可用。

表3 24 V DC控制電源預防性維修統計表

3.2 燃料操作系統24 V DC控制電源增加冗余設計

24 V DC控制電源根據設備分級定為重要設備(NC類)，為保證重要設備的安全穩定運行，緩解失效后果，考慮為其增加冗余設計。增加冗余設計是提高系統可靠性的最有效方法之一，就是通過配置多余的同等功能部件,并通過一定的冗余邏輯使它們協調地同步運行,使系統應用功能的實現得到多重保證[6]。根據國外電站對標了解，其中G2，韓國月城電站等已通過變更的方式，實現了24 V DC控制電源冗余設計，有效提高了設備運行可靠性。

3.2.1 實施方案

冗余方案的設計可以通過多種形式實現，一種是將A/C側電源設計為互為備用，一種是給A/C側電源分別增加備用電源。現針對這兩種方案分析可行性，以便選擇更適合燃料操作系統的方式。

(1)A/C側電源互為備用

24 V DC控制電源63597-PWS1正常運行期間，A側電流為13 A，C側正常工作電流為12.6 A，由于電源的容量最大可到60 A，可以滿足A側和C側的負荷正常運行時的用電需求，兩側的啟動電流也在電源的容量范圍內，可滿足負荷啟動的要求。

為了保證供電的可靠性，以及保證原有的電路隔離，當A側或C側電源中一路故障需要由另外一路帶A側和C側全部24 V負荷時，需要將故障電源完全隔離,在A側和C側的24 V DC電源的輸出回路裝設斷路器。

根據圖1,在A側和C側電源的+、-和+S、-S回路各増加一個兩極斷路器,用于故障電源的隔離。同時,由于A側和C側電源的“-”連接至各自計算機系統-48 V DC的“-”端,因此,也需要將該線路隔離,以防止兩側48 V DC系統的“-”端短接,在A側和C側的“-”端接至48 V DC系統處各増加一個斷路器進行隔離。

由于需要保證A側和C側電氣的獨立性,在備用投入時需要保證故障側24 V DC負荷與原電源側其他電路完全隔離,否則可能會導致其他系統的故障和報警。因此需將每側的電源輸出斷路器和相應的與-48 V DC連接的斷路器之間設置機械或電氣聯鎖，保證同時開合，另外，需將兩側的電源隔離斷路器與母聯斷路器之間設置電氣聯鎖，保證同時3路斷路器中只能有2路閉合，以保證可靠性，但是實施起來比較困難。

圖1 A/C電源互為備用變更圖紙

若有一側電源帶A/C兩側的負荷，此時如果負荷產生故障，若負荷處斷路器失效，會導致喪失兩側的電源。此外，由于24 V直流系統的上下級保護選擇性配合較難實施，如果上下級斷路器不能夠做到有效的選擇性配合，負荷處的故障會直接導致喪失兩側電源，帶來更嚴重的后果。

(2)A/C側分別增加備用電源

在現場A/C側已有24 V DC控制電源的情況下，分別增加一臺同品牌同型號的電源，增加的電源和現場原電源同時投運，即冗余1∶1，兩臺電源各承擔約為50%的負荷，互為備用關系。當一臺電源出現故障時，所有負載能夠自動投切至另一臺電源，由單個可用電源向所有負載供電(相當于設計變更前狀態)，從而實現不間斷供電的設計需求。在特殊情況下(如電源檢修、更換元器件等)，兩路電源能夠進行手動切換，在線進行隔離更換工作而不影響系統的正常供電需求，變更原理框圖詳見圖2。

圖2 變更原理框圖

主、備用電源輸入、輸出電壓各使用一個斷路器進行保護和通斷控制。每路電源的輸出端安裝有電源狀態指示燈，用于指示電源是否處于正常工作狀態。

主備電源以并聯方式輸出。當兩臺電源以并聯方式輸出時，精度和紋波干擾都比單臺電源要翻倍。由于單臺電源輸出電流為60 A，而實際負載不大于15 A，所以并聯電源為100%冗余配置，兩臺電源因輸出阻抗、溫飄、時飄等差別引起的電壓差和負載不平衡，并不會影響雙路電源的工作。

主備電源之間的冗余保護回路采用傳統二極管，每個回路通過一個大功率二極管輸出，目的是當某臺電源出現故障時，保護另一臺正常工作的電源免受反向電壓和電流的影響。由于二極管存在擊穿的可能，在回路中串聯智能電流表和一個繼電器常閉觸點，此繼電器受智能電流表過流報警控制，當報警時繼電器得電使得發生故障二極管的一路自動斷開，同時自鎖。

考慮到電流分流，保證單路二極管回路電流較小，主備電源投用設計時，考慮到電流分流，保證單路二極管回路電流較小，主備電源投用時在2 A左右，單電源運行在4 A左右，且單路出現故障時不影響整個回路正常運行，因此也考慮冗余，保證足夠的安全保護裕度，采用四個回路并聯，詳見圖3。在主備電源輸出端均并聯四路二極管回路，實現保護主備電源的功能。

圖3 A/C分別增加備用電源設計圖紙

當二極管發生故障時該回路自動斷開，繼續供電的情況下更換故障二極管，更換好之后按下復位開關電路接通，該路即可正常工作。

當新增加的控制繼電器出現失效，則相應的隔離保護二極管將斷開，但由于用于隔離保護的大功率二極管有4路并聯輸出，單一的控制繼電器失效不會影響電源的正常輸出。

(3)兩種方案比較選擇

根據兩種實施方案的說明，第一種方案，A/C側電源互為備用，如果利用現有的盤柜來增加切換裝置，增加多個斷路器，盤柜內已無空間來滿足現場實施，而且若設計不完善，可能出現A/C側電源同時失效的嚴重后果。第二種方案屬于傳統設計，可操作性強，易于實施，相對可靠性高，因此燃料操作系統24 V DC控制電源冗余設計選用為A/C側分別備用電源的方式，并在設備間內增加新盤柜，以便安裝新增設備。

3.2.2 現場實施可行性分析

在設備間的備用位置安裝一個新的就地電源柜,位于63596-PL827正后方，靠近S1-327設備間的墻體側，對其他盤柜檢修和后續新增其他盤柜無空間上的影響。

電源柜內部包括所有變更所需的新增的兩個備用電源(A/C兩側各一個)及保護斷路器、大功率隔離二極管、狀態指示燈、繼電器等，檢修空間滿足設計要求，具備可維修性和可操作性。

3.2.3 系統失效率數據分析

借鑒THERP方法通過PSA(概率安全評價)中的事件樹對24 V DC控制電源失效分析，計算其增加備用電源后的失效率和可靠性。該事件樹(圖4)用大寫字母來表示某項子任務的失效,同時也代表它失效的概率，相應地用其小寫字母來表示該子任務的成功和它的成功概率，事件樹分支序列最末端的字母S和F,分別表示任務的成功或失效。

圖4 事件樹

系統失效率F=A1×B1;

主備電源投運時，系統運行正常，S=S1+S2=a1+b1×A1;

主備電源為相同設備，失效概率相同，即A1=B1,a1=b1。

在秦山第三核電廠安全概率分析數據庫中，無24 V DC控制電源的失效率相關數據，因此借鑒類似設備的值，即40 V直流電源的失效率[7]，約為1.52×10-2，即A1=B1=1.52×10-2，該數據也是變更前單電源運行時，系統的失效率。

根據上述公式計算，增加備用電源后，系統失效率為：

F=A1×B1=1.52×10-2×1.52×10-2=2.3104×10-4<1.52×10-2。

主備電源投運時，系統運行正常：

S=S1+S2=a1+b1×A1=(1-A1)+(1-B1)×A1

=(1-1.52×10-2)+(1-1.52×10-2)×1.52×10-2

=0.9997>a1=0.9848

通過PSA中的事件樹的相關分析和數據表明，當24 V DC控制電源增加備用冗余后，大幅降低系統失效率，提高系統安全性。

3.2.4 變更實施

2臺機組分別于2012年和2013年完成現場實施，并且經過安裝調試，滿足試驗要求。根據設計方案，二極管選用IXYS DSEI30-06A，鍺管，截止電流6 A，壓降為0.3 V，反向擊穿電壓1 kV，塑裝式，現場安裝方便。

繼電器選用歐姆龍MY4J型號，共有4副觸點，觸點容量5 A。

電流表選用上海重熙電器技術有限公司生產的CD194I型號，該電流表設定保護值8 A，內置銅屏蔽層，具備抗電磁干擾能力，通訊地址及電流設定值等關鍵參數寫入程序存儲器中，并增加初始化復位按鍵，快捷恢復到廠家的初始設置。

3.2.5 變更后效果

變更實施后，執行變更后試驗，通過通斷電源、通斷二極管的方式，實現主備電源自動切換和一路二極管冗余回路失效不影響電源運行的功能，滿足設計要求。

機組正常運行期間，每側主備電源同時投運，分別承擔6～7 A的電流。通過幾年運行實踐證明，燃料操作系統24 V DC控制電源增加冗余設計后，有效提高了設備運行可靠性，避免了嚴重后果。例如2014年9月19日，2號機組主電源2-63597-PWS1(A因故障跳閘，備用電源2-63597-PWS6(A投用。根據推測，主電源跳閘時極有可能出現在換料或卸料過程中，備用電源的及時投用，避免了重水泄漏和乏燃料無法冷卻的后果。

4 現場存在的問題和后續改進建議

4.1 現場存在的問題

秦山第三核電廠2臺機組自備用冗余系統投運以來，現場出現了一些問題，影響系統的安全穩定運行。

4.1.1 接線出現過流現象

2016年，在1號機組缺陷處理過程中，發現接地線絕緣皮表面發粘。經檢查確認，老化接線為接地線63597-0290，其他回路電流匯總后流經此接地線，老化懷疑是流經其電流過大，接線過熱，導致外部絕緣皮上出現發粘現象。該接線已經運行4 a。經確認兩臺機組相同接線均存在外部絕緣皮發粘現象，其他接線并無此現象。

現場接線截面面積2.5 mm2，其載流量約為22.5 A，但接地線與其他多根接線均放置在線槽中，散熱不佳，其載流量大大降低，導致接地線曾出現過流現象。導線的載流能力應大于此回路斷路器的額定電流，參考國家相關標準[8]，截面積為4 mm2的XLPE銅導線載流值應小于49 A，考慮到盤柜散熱條件不佳，線槽溫度約為35.5 ℃，在此溫度下的校正系數是0.96，其允許載流量下降至47 A，滿足現場要求。因此使用4 mm2銅芯阻燃絕緣導線更換現場故障導線。

4.1.2 盤柜內散熱設計不合理

新增盤柜背部通風孔較小且位置不好，散熱設計不佳，電源本身發熱量大，電源后部風扇處未設置通風口,導致無法及時將熱量從盤柜內導出，造成盤柜內溫度較高，詳見表4，溫度過高對設備運行的穩定性、可靠性及壽命都有一定的影響。

表4 新增盤柜溫度一覽表

4.1.3 繼電器接線密集，出現短路現象

經檢查發現，繼電器接線較為密集，許多繼電器的單個端子同時接了兩根導線，因線鼻子太小，接線產生硬力，隨著時間推移，很容易發生觸碰短路事故。變更實施以來，現場已出現兩次短路現象(表5)，分別發生在兩臺機組，因此表明該現象存在普遍性，也是系統安全運行的一大隱患。

表5 已出現的兩次短路現象

4.2 后續改進建議

4.2.1 盤柜增加通風裝置

優化盤柜內部通風，增加通風裝置。在盤柜頂部安裝風扇，降低盤柜內部溫度，保證電源內部熱量及時導出，同時配備過濾網，防止外部灰塵進入。

4.2.2 使用新型商用產品簡化設計

原設計中冗余保護回路設計復雜，受到二極管、繼電器觸點容量等因素影響，選擇四路并聯冗余回路，增加了現場接線，現場故障點增多，出現短路斷路現象，在一定程度上降低了系統運行的可靠性。比如現場繼電器觸點容量5 A，回路電流超過5 A，觸點將損壞。當一臺電源運行時，正常電流約13 A，若兩路出現失效，則整個冗余保護回路可能失效。

圖5 電源冗余模塊原理圖

因此建議簡化設計，直接采用市場已有的成熟冗余模塊實現電源冗余，圖5是采用某公司的電源冗余產品組成的原理圖，該冗余模塊配合兩個輸入通道，彼此完全獨立，模塊中的各個控制電路、輔助電壓或其他電路均分別針對各路輸入設計，此雙通道輸入冗余模塊可視為結合到一個課題中的兩個單獨的冗余模塊，唯一的共同點是在輸出端將兩個單獨電路結合到一起的電路。僅用一個模塊即可滿足電源冗余的要求，在此基礎上，還可以在每個直流電源輸出端增加斷路器或者熔斷器進行限流保護。

該電源冗余模塊預計使用壽命可達15 a，超過電源的使用壽命，在一定程度上其可靠性高于電源本身，且冗余模塊自帶報警和保護功能，可簡化設計，避免引入其他不必要的故障點，提高設備運行的可靠性。

5.結論

重水堆燃料操作系統24 V DC控制電源失效造成重水泄漏和乏燃料失去冷卻，針對電源失效模式，從電源預防性維修大綱的優化、備件庫存管理入手，提高設備可靠性，避免因設備失效而出現嚴重后果。另一方面，在系統安全性入手，通過變更為24 V DC電源增加冗余設計，分別為A/C側電源增加一臺備用電源，有效提高了24 V DC控制電源的運行可靠性。自備用電源投運以來，滿足設計需求，但現場仍出現接線過流、短路等現象為設備運行帶來隱患，因此為了進一步提高設備可靠性，建議增加盤柜通風裝置，簡化原有設計，減少故障點，確保機組的安全穩定運行。