重水堆核電站停堆系統ROPT回路故障分析與處理

徐海心，祁陸凱，黃 穎

（中核核電運行管理有限公司 維修五處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

一號停堆系統是某重水堆電站的兩個應急停堆系統之一，它通過向反應堆中插入停堆棒來終止反應堆的自持鏈式裂變反應，減少核燃料中產生的能量，保護反應堆的安全[1]。其中局部區域功率（ROPT）參數用于在反應堆局部區域超功率時停堆，局部區域功率測量系統由分布在堆芯的34 個鉑通量垂直探測器所組成，12 個用于D 通道，11個用于E 通道，11 個用于F 通道[2]。鉑通量探測器的信號具有典型的特點，它們是弱信號（0μA ～1.65μA），具有滯后分量。其響應在最初幾年內會增加然后退化，因此信號要經受比較復雜的處理，包括可調節的放大器增益、動態補償器、偏差信號回路、停堆比較器、試驗回路和隔離放大器。在近幾年的運行過程中，多次出現ROPT 脫扣故障，引起脫扣的原因比較多樣，本文針對引起脫扣的其中兩個原因：ROPT 回路LEMO 接頭性能下降和回路熔絲故障進行詳細分析，并針對這兩個典型故障原因制定糾正措施，提高停堆系統的可靠性。

1 堆芯區域功率測量回路（ROPT）組成和功能簡述

堆芯區域功率測量回路（ROPT 即regional overpower protection trip）用以監測堆芯內不同區域的局部功率，回路主要由以下設備和部件組成：鉑探測器、脫扣比較器（TT AMP）、ROP 放大器（ROP AMP）和動態補償器（KQ AMP）。鉑探測器的微電流信號進入脫扣比較器轉接后送到第一級的ROP 放大器，ROP 放大器送出的放大后的信號經過動態補償器進行補償后，進入脫扣比較器與其內部設置的脫扣設定值進行比較。如果出現超出設定值的情況，即堆芯局部功率超出設定值（功率過高），則輸出脫扣信號使單通道脫扣。一號停堆系統共有D、E、F 3 個通道，采用三取二邏輯，兩個及以上通道脫扣時會導致一號停堆系統動作，28 根停堆棒落入堆芯使反應堆停堆。以上回路中任意一個設備出現異常都將可能導致整個回路的異常，乃至單通道脫扣[3]。

圖1 ROPT回路示意圖Fig.1 Schematic diagram of ROPT circuit

2 LEMO接頭性能下降

2.1 LEMO接頭使用

在一號停堆系統ROPT 回路中，脫扣比較器上的J203、J301、J302、J303 接頭，ROPT 放大器上的J1、J2 接頭為LEMO 接頭，其中J302 和J303 送出指示信號到主控室指示表，J203 接頭連接鉑探測器與脫扣比較器，J301 接頭連接脫扣比較器與動態補償器，J1 接頭連接ROP 放大器與脫扣比較器，J2 接頭連接動態補償器與ROP 放大器。因此，J203、J301、J1 和J2 接頭若出現故障，會直接導致整個回路異常、信號丟失，無法監視堆芯局部功率，對機組安全穩定運行造成影響。

2.2 LEMO接頭性能下降引起ROPT脫扣故障分析與處理

一號停堆系統的核功率測量回路使用了LEMO 接頭的連接方式，LEMO 接頭具有連接安全穩定，插拔自鎖系統，盲插方便，電氣性能卓越等優點[4]。

2020 年1 月，一號停堆系統F 通道ROPT 的5F 回路信號指示突然降為0，隨后維修人員進行檢查，拆開J203接頭，輕微觸碰，發現信號線在輕微受力后焊點脫落。對5F 回路的J203 接頭進行重新焊接制作后，回路功率指示恢復正常，重新執行高中子功率脫扣試驗，試驗成功。因此，本次缺陷的直接原因為LEMO 接頭焊點脫落導致回路信號丟失變為0。

LEMO 接頭焊錫絲焊點的疲勞失效主要包括熱疲勞和機械疲勞，熱疲勞源于焊點在工作過程中所承受的熱循環負載。現場回路電流約為1μA，電阻約為1Ω，時間按照一個大修周期計算約為730 天。根據公式（1），產生的熱量為0.0006J，熱量可以忽略不計。

從LEMO 接頭的結構來說，其受到周期性機械應力和蠕變應力的影響。LEMO 接頭的信號線材質為多股硬質線，在預維執行的過程中，頻繁地插拔LEMO 接頭可能會使硬質導線發生絞合，造成接頭焊點受力增大。這時如果存在安裝不當，導致局部應力過大，或者焊料合金在焊接過程中熔融擴散不良，就更加容易發生疲勞失效，從而降低焊點的壽命。通過對歷史工單執行情況的梳理，發現F 通道的接頭沒有重新焊接過，現場使用年限接近18 年，且從2013 年～2019 年進行過7 次LEMO 接頭的拆裝工作，導致5F 回路的J203 接頭性能下降，最終發生斷裂，使回路信號丟失。圖2 為本次缺陷的LEMO 接頭照片，可以看出導線存在絞合，焊點存在性能下降的情況。

圖2 LEMO接頭內部照片Fig.2 Internal photo of LEMO connector

圖3 熔絲結構圖Fig.3 Fuse structure

圖4 故障熔絲和正常熔絲斷點對比圖Fig.4 Comparison of breakpoints of faulty fuse and normal fuse

2.3 LEMO接頭改進措施

根據對LEMO 接頭進行檢查分析，確認引起本次通道脫扣的原因為LEMO 內部焊點因機械疲勞導致信號失效。而因為LEMO 接頭內空間較小，若不進行細致檢查，可能存在焊點已松脫但依舊接觸在一起，表現為回路信號正常，無法通過回裝后信號的正常與否準確判斷的情況。針對這一問題，提出以下幾點改進措施：

1）編制LEMO 接頭的檢查規程，明確使用放大鏡對LEMO 接頭進行目視檢查的要求，確認焊點無焊接不均勻、焊點開焊的情況，若存在焊點不良問題，需要對接頭進行重新焊接。焊接完成后，需要使用熱塑套管對焊點進行保護[5]。

2）編寫LEMO 接頭的制作規程，規范接頭的制作方法，明確接頭的制作標準，為制作合格的LEMO 接頭提供程序指導，也可以用于離線的培訓和演練，提高維修人員的技能水平。

3）優化一號停堆系統核功率測量回路預防性維修工作，降低不必要的LEMO 插拔次數，減少因插拔引起的焊點疲勞導致焊點松脫的情況出現。

4）增加LEMO 接頭檢查的預防性維修工作，安排專業人士每4 年對LEMO 接頭進行檢查，若有異常則進行重新制作。

上述改進措施落實后，未再次出現LEMO 接頭失效的情況，有效提高了停堆系統核功率測量回路的穩定性和可靠性。

3 脫扣比較器熔絲故障

3.1 事件描述

2020 年2 月，二號機組一號停堆系統E 通道ROP7E指示值和設定值瞬間下降為0，E 通道自動脫扣。運行人員隨即通過數據采集系統進行參數檢查，確認參數均正常。維修人員根據工單對7E 回路進行檢查，發現回路放大器、動態補償器正常，脫扣比較器7E 失效，進一步檢查發現脫扣比較器的FU2 熔絲熔斷。對故障熔絲進行更換后，脫扣比較器信號恢復正常，ROP7E 指示值和設定值均恢復正常。運行人員對E 通道ROPT 的7E 回路進行試驗，試驗成功，E 通道復位。

3.2 故障原因分析

脫扣比較器內部的熔絲熔斷，會使脫扣比較器失電，其內部的脫扣信號觸點斷開，造成單通道脫扣。而熔絲的熔斷可能存在以下4 個原因：①上級120VAC 電源電壓波動，導致回路電流增大，熔絲熔斷；②脫扣比較器內部元器件故障短路，導致回路電流過大，達到熔斷電流，熔絲熔斷；③熔絲老化導致性能下降，熔絲斷開；④熔絲個體缺陷導致性能不佳。

因設備是機架的120VAC 電源統一供電，同一機架的其他脫扣比較器或其他設備并沒有出現類似問題。同時，機架自身的熔絲也沒有出現熔斷，因此可以判斷上級電源電壓正常。維修人員對更換下的脫扣比較器更換了新熔絲后，在車間測試機架上進行通電檢查，標定合格，并用熱成像儀進行檢查，未發現異常現象。且該脫扣比較器更換熔絲后連續離線運行1 個月未出現熔絲熔斷的情況，因此可以判斷脫扣比較器本身無缺陷。那么，本次缺陷的原因基本可以確定為熔絲本身性能下降導致，即老化或性能缺陷。而本次缺陷的熔絲為2017 年6 月的預防維修中更換到現場，使用了約兩年半左右，與設計壽命12 年相差較大，因此基本可以判斷本次缺陷不是熔絲老化導致，很大可能性為本身的性能缺陷。

根據預維要求，兩臺機組脫扣比較器的F2 熔絲在2016 年和2017 年整體更換過68 個，如果熔絲整體制造存在質量問題，應該會多次出現熔絲熔斷的缺陷。通過對近幾年缺陷進行梳理發現熔絲缺陷只發生過這一次，暫時可以排除該批次熔絲質量低的問題。對故障熔絲進一步分析，熔絲由保險絲、電阻、彈簧3 個部分焊接在一起，當過流時，保險絲和電阻之間的焊點因溫度升高而熔化，加之彈簧的拉作用力，最終熔絲熔斷，回路斷開。通過觀察故障熔絲，其內部保險絲和電阻之間焊點的斷面粗糙，沒有過熱融化的痕跡。因此，猜測造成回路斷開的可能原因為：①保險絲焊接面過小，被彈簧拉斷；②保險絲焊接面正常，彈簧異常拉力過大導致焊點斷開；③保險絲焊接面和彈簧拉力均有異常。

3.3 故障熔絲失效機理

根據故障熔絲的焊點位置，對比了故障熔絲和正常熔絲的內部彈簧拉伸長度，都在5mm 左右，拉力約為0.4N。首先，對現場故障保險絲和正常保險絲的彈簧拉力進行測試，得到熔絲彈簧拉力測試數據（見表1）。從表1 中的測試數據可以看出，現場損壞的保險絲彈簧拉力甚至比正常保險絲還要小一些，因此可以確認故障熔絲不是由于彈簧拉力過大引起的保險絲拉斷，大概率是焊點本身存在缺陷。

表1 熔絲彈簧拉力測試數據Table 1 Test data of fuse spring tension

之后為進一步驗證猜想，對新熔絲進行過流熔斷測試。熔斷后其焊點表面有過熱融化的痕跡，斷面比較光滑，與現場故障熔絲的斷面存在顯著差別。對歷史更換的兩個熔絲和28 個庫存件進行目視檢查，未發現焊接不良的情況，可以排除熔絲整體的質量問題。因此，可以判斷本次缺陷的原因是脫扣比較器內部的熔絲個體焊接不良，導致在彈簧的長期拉力作用下斷裂。

3.4 改進措施

由于熔絲已經制定了8 年更換的預維要求，并且通過分析排除了熔絲老化的原因，因而不需要對現有的預維策略進行修改。

針對熔絲焊接不良的個體質量問題，可以在入庫檢驗時增加質量控制的方案來防止出現熔絲的個體故障。維修人員在更換熔絲前，使用10 倍放大鏡或者顯微鏡對備件內部焊點進行檢查，確認玻璃管沒有裂紋，沒有破損，金屬部分沒有銹跡，焊點沒有虛焊毛刺現象，玻璃管內沒有焊渣。并對熔絲通以0.1 倍額定電流，測量熔斷器兩端的電壓，計算出熔斷體的電阻和所有熔絲電阻的平均值，剔除明顯異常的和超出平均值±5%的熔絲。

同時，保守起見，為了防止該批次熔絲確實存在問題，給現場運行的設備造成隱患。后續分6 次對剩下的67 個熔絲使用放大鏡進行目視檢查，確保熔絲無異常，防止再次出現本次缺陷。

4 結束語

通過對停堆系統ROPT 回路中放大器LEMO 接頭和脫扣比較器熔絲故障這兩種故障的分析和解決，提高了設備的穩定性和可靠性，從客觀上降低了關鍵設備出現問題的可能性，從而提高了停堆系統運行的穩定性。

限于自身知識、能力的不足，對停堆系統的掌握還有不夠深入的地方，對于部分故障的具體原因分析上存在著認知上的不足，還需要繼續學習，科學地分析和解決問題。希望以上的分析能夠給同行提供一些參考和借鑒。