EBA閥門反向電壓過大導致控制板卡失靈問題淺析及優化

李 寧，焦 龍

（中核遼寧核電有限公司，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引言

在核電站運行中，核安全是擺在第一位的，而在日常的電站建設中，往往設備來自不同的廠家，每個廠家的設備不同，相互兼容性也不同，會出現不兼容的問題，甚至會出現常見問題，比如有一些電磁閥的反向電壓過大會對控制系統造成不可逆的損壞。

1 EBA（安全殼換氣通風系統）系統及隔離閥概述

1.1 EBA系統功能

EBA直流式通風系統，在反應堆冷停堆和機組停運期間通過8個安全殼隔離閥將空氣從安全殼內排出，然后通過布置在核輔助廠房空氣凈化系統凈化后，通過煙囪排向大氣；從而在反應堆冷停堆期間，為反應堆廠房內維修操作人員保持一個合適的環境溫度[1]；降低反應堆內裂變氣體濃度，使得人員能以盡可能短的時間持續進入；保證在機組停運期間，含氧廢氣分離箱處于輕微負壓；安全殼在失水事故（Loss of Coolant Accident，LOCA）時，保證閥門關閉，從而實現安全殼能夠合理地密封。

圖1 閥門開關原理圖Fig.1 Schematic diagram of valve switch

1.2 EBA安全殼隔離閥結構

EBA系統安全殼隔離閥一共有8個大口徑的先導式電磁閥，它們是核安全級設備，并由反應堆保護系統機柜控制，其中在反應堆廠房11.5m有4個，通過貫穿件連接，每一個貫穿件將成對的兩個隔離閥連接起來，其中一個在殼內，一個在殼外，另外4個隔離閥與上面4個閥門的連接方式一樣，位于連接廠房10.0m及13.15m層。電磁閥安裝在口徑較大的換氣通風系統的管道中，功耗比較小、發熱量少，并且線圈不易燒毀、可長時間通電。結構稍顯復雜，可實現精確高的控制[2]。

1.3 EBA安全殼隔離閥控制工作原理

EBA安全殼隔離閥通過反應堆保護系統機柜內的CIM板卡控制，通過板卡來提供48V工作電壓，8臺閥門對應8個CIM板卡，當保護系統內邏輯觸發時，板卡接受命令，內部電路連通，閥門通過板卡來控制開關。當開命令來時，電磁離合器得電控制驅動裝置，通過驅動裝置上的手輪逆時針轉動，閥門開啟；當關命令來時，電磁離合器失電，彈簧復位，手輪順時針轉動，閥門關閉。驅動裝置主要由渦輪蝸桿、軸、齒輪齒條、撥叉、彈簧等組成[3]。

2 閥門在檢修時遇到的問題

圖2 電磁離合器的性能參數Fig.2 Performance parameters of electromagnetic clutch

在閥門檢修過程中，突發1EBA003/013VA閥門無法關閉情況，經過檢查，控制組態下發的開閥指令可以正常觸發，閥門可以正常開啟，但是開啟指令消失之后，閥門無法關閉，經過進一步排查，當1EBA003/013VA的開啟指令消失之后，在控制這兩個閥門1KCS147AR機柜內的CIM板卡對應的OUT1（開命令指示燈）燈熄滅，但是從機柜背后測量輸出到就地閥門的開指令端子，仍然測量到48V驅動電壓信號，對機柜內對應的編號為R2572、R2553（SABI63A）的CIM板卡進行更換，故障消失，閥門可以正常開，因此判斷是兩塊SABI63A板卡故障導致閥門無法正常開啟。

然而在檢修1EBA002VA的過程中，閥門開啟之后，工程師站下發關命令，但是閥門無法關閉。經過檢查，1KCS146AR內1EBA002VA對應的SABI63A板卡在工程師站下發開指令后，輸出到就地側1KCS558BN端子排上的A1/A2端子有48V輸出，工程師站下發關命令，1KCS558BN的A1/A2仍有48V輸出（此時機柜前部CIM板卡的OUT1燈已經熄滅、OUT2燈已經點亮），因此判斷SABI63A這個CIM（設備驅動板卡）板卡故障，導致輸出一直有開命令，導致閥門無法關閉，將機柜內EPRW（供電電源）斷開之后，輸出48V消失，閥門關閉。領取新的備件更換到1KCS146AR的R2552位置，在將1EBA002VA的輸出1KCS558BN的A1/A2解開之后，1EBA002VA的開關命令一直正常，當把1KCS558BN的A1/A2投入之后，新更換的SABI63A板卡再次故障，輸出一直保持開命令。對1KCS558BN的A1/A2進行解線，解開之后測量A1/A2兩端無電壓、阻值正常，未能測量到回路中串入電壓、短路等異常。但是根據上述現象，初步判斷就地閥門回路對DCS板卡造成了影響。

3 閥門事件問題原因排查分析

根 據 上 述 就 地W413/W513廠 房， 排 查1EBA002/003/013VA均出現閥門開啟后無法關閉問題，在1EBA002VA閥門側將電磁閥命令接線解開，從DCS側下發開關指令，用萬用表在就地測量，反復5～6次試驗均正常，將就地電磁閥接線恢復，然后從DCS側重新下發開關命令，即出現閥門開命令始終保持，關命令無法觸發。經過初步分析，懷疑在帶著閥門動作時，DCS回路下發開關命令時串入了較大的電勢/電壓，將SABI63A板卡內元器件擊穿，導致開命令回路一直導通，從而使48V電壓信號一直輸出。

圖3 示波器模擬開關問題分析波形圖Fig.3 Oscilloscope analog switch problem analysis waveform diagram

圖4 帶負載后放大波形圖采集到大約180V的反向電壓Fig.4 The enlarged waveform after loading, the reverse voltage of about 180V is collected

圖5 繼電器驅動電路圖Fig.5 Relay drive circuit diagram

a） 第一步對SABI63A板卡進行更換，然后將輸出到就地接線解開，將SABI63A輸出接到波形記錄儀，反復給6次開關命令，波形記錄儀采集正常，輸出命令48V。

b） 第二步在SABI63A輸出端接上一個125Ω的電阻，模擬就地負載，然后波形記錄儀記錄電阻兩端電壓，反復開關6次波形正常。

c） 第三步，在SABI63A輸出端將125Ω電阻去掉，接上一個隔離繼電器，在繼電器輸出端再串入一個48V電壓，將繼電器的輸出與就地閥門的命令信號線連接，用波形記錄儀采集送到就地閥門的命令，開關過程中記錄到有180V左右的反向電壓，如圖3所示。

圖6 改造后繼電器驅動電路圖Fig.6 Relay drive circuit diagram after transformation

d） 第四步，換到1EBA014VA上進行試驗，用波形記錄儀記錄1EBA014VA的輸出命令，波形始終正常，輸出48V命令，同時會產生約180V的反向電壓。因此，經過上述試驗，目前可以確認1EBA002/003/013VA/014VA存在同類問題，對所有的EBA閥門進行同樣的操作測量，在閥門開關過程中均在回路中產生一個180V左右的反向電壓，如圖4所示。

e） 經過查閱資料，發現安全級DCS反應堆保護系統中的機柜設備采用的為廣利核的設備，CIM驅動板卡能夠承受的電壓為±80V，EBA閥門為江蘇神通公司的閥門，因為EBA閥門內電磁線圈的反向電壓過大，閥門開關過程中均在回路中產生一個180V左右的反向電壓將DCS的SABI63A板卡（CIM板卡）電路擊穿，導致開命令回路一直導通，因此閥門開啟后無法關閉，導致板卡失靈。

4 閥門事件最終解決方法以及驗證

圖5是常見的基本繼電器驅動電路圖。正常情況下，當輸入端in為高電平H時，Q1導通，繼電器線圈有電流流過，常開觸點閉合；當輸入端in端為低電平L時，Q1截止，繼電器線圈中無電流流過，常開觸點斷開[4]。當輸入端in端從高電平變為低電平時，閥門線圈根據楞次定律會產生一個反向的電流阻止原電流減小，電流在繼電器線圈兩端產生反向電壓。

圖7 改造后的閥門測試波形Fig.7 Test waveform of the valve after modification

反向電壓抑制方法最簡單的是在繼電器線圈兩端，反向并聯二極管（續流二極管），如圖6所示。初步定的方案是在離合器一側并聯二極管，將反向電壓通過二極管構成回路，并對所有的EBA系列閥門進行統一處理，從根本上消除運行隱患。

對改造后閥門進行測試驗證，目前就地加二極管的方式是就地端子側并聯反向的二極管，當DCS開指令消失時，48VDC電壓消失，產生的感應電動勢會通過二極管消耗在離合器的線圈中。通過波形記錄儀進行錄波，通過波形記錄儀測量5號機EBA閥門增加二極管后的波形，如圖7所示。波形記錄儀采集發現波形正常，反向電壓由原來的-187V左右降為-35V左右，板卡能夠承受的電壓為±80V，因此可以確保在閥門開關期間不會導致板卡電路被擊穿。

5 結論

在檢修EBA閥門的過程中，出現控制閥門板卡失靈，失去對閥門的控制能力，嚴重影響機組的安全運行，經過試驗分析發現閥門反向電壓大大超過驅動板卡的安全電壓，從而采用并聯續流二極管的方式解決此問題。本文通過對問題試驗分析找到問題根源并提供一種解決方案進行驗證，希望對核電相關技術人員遇到這類問題時提供一種借鑒方式和思路，并對大家有所幫助。

雖然此問題得到解決，但是往往也暴露了控制系統兼容性的短板。核電站反應堆保護系統關系著核安全，由于保護系統控制的設備來自于不同的廠家，所以應該提高保護系統的安全電壓等級，提高系統的兼容性和穩定性，從設備可靠性上捍衛核安全。