某核电厂dcs机笼模件烧毁根本原因分析

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 某核电厂 DCS 机笼模件烧毁根本原 因分析 【摘 要】随着核电厂自动化程 度的提高，DCS 在核电厂中的应用越来 越广泛，DCS 中的电路板容易受外界强 电或感应电影响而损坏。文章介绍了某 核电厂调试期间电气配电盘感应电引起 DCS 机笼模件烧毁的过程分析及感应电 产生的原因。这种分析问题的方法和思 路对解决 DCS 受干扰问题有一定指导 和借鉴意义。 中国论文网 /8/view-12936560.htm 【关键词】核电厂；电气配电盘； 感应电；DCS；IO 模件 中图分类号： TM623 文献标识 码： A 文章编号： 2095- -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 2457（2018）04-0129-002 The Root Cause Analysis of DCS Cage Mould in a Nuclear Power Plant NIU Mao-long ZHANG Guo-jun ZHENG Jun-wei （China guangdong nuclear engineering co.，LTD.，shenzhen guangdong 518000，China ） 【Abstract】With the improvement of the automation degree of nuclear power plants，DCS has become more and more widely used in nuclear power plants， and the PCB in DCS can be damaged by external strong electricity or inductive power.This paper introduces the process analysis and the causes of the burning of DCS cage mold by electric distribution panel during the commissioning of a nuclear power plant. The method and idea of this kind of analysis are helpful to solve the -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 interference problem of DCS. 【Key words】Nuclear power plant；Electric switchboard；Induction；DCS；IO module 0 引言 某核厂是我国在翻版加改进的 基础上自主设计、建造的百万千瓦级压 水堆核电厂，采用了德国西门子公司的 非安全级 Teleperm-XP 和安全级 Teleperm-XS 全数字化 DCS 仪控系统。 在调试过程中，发生了 DCS 控制柜机 笼模件烧毁的事件。经调查分析，确认 了电气配电盘产生感应电是模件烧毁的 根本原因。设备厂商对电气配电盘现场 改造后彻底消除了感应电的产生，排除 了 DCS 系统安全运行的一个隐患。 1 事件概述 2010-11-18 15 点 37 分某核电厂 2 号机主控室监视画面突发烟雾探测报 警，同时操纵员接到现场工作人员报警 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 电话，报告 4LX 厂房房间 4KCP561AR 控制柜冒出烟雾且伴有火花。经现场检 查 4KCP561AR 机柜，发现 6 个机笼电 源分配保险熔断，CA 层 IO 模件工作指 示灯全部处于报警状态，柜内 CA 层机 笼模件有烧焦痕迹，电路板焊锡融化， 如图 1。 随后仪控专业牵头、电气和工艺 系统专业配合的调查小组对事件原因进 行调查分析。 2 原因查找 西门子 Teleperm-XP（T2000） DCS 系统包括控制柜、端子柜与电源柜 等，每台控制柜主要由 CPU、IO 模件 及附属元件组成，机笼背板是机柜总线 的一部分，负责 CPU 与 IO 模件的通讯， 并给 IO 模件分配工作电源。其通过控 制电缆与现场设备连接1。 2.1 DCS 报警信息分析 DCS 事故追忆记录显示，事件发 生（15 点 37 分）前 CA 层机笼 043 槽 位的 FUM210 模件频发通道故障报警信 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 息。043 槽位配置 FUM210 开关量输出 模件，控制 4 台设备： 4GSS201VV、 4GSS251VV、4GSS252V V、4GSS290PO。经查记录，附近时间 段只有 4GSS290PO 有设备状态变化及 异常报警信息，诸如：反馈故障、现场 设备低电压、控制回路故障、试验位故 障等。 FUM210 模件是 Teleperm-XP 非 安全级 DCS 系统最常见的 IO 模件之一， 广泛应用于现场开关量设备的输入输出， 是使用数量最多的部件级 DCS 设备。 该模件集成了标准化的 DCM（Drive Control Module 驱动控制模块）模块， 用于现场两位式控制设备的控制驱动和 状态采集。该集成策略有利于 DCS 软 硬件的便捷组态和系统的标准化设计， 功能非常强大。该核电厂设计中并未选 用 DCM 的全部功能，比如：试验位置、 低电压、控制回路故障等 DI 点并未接 入 DCS。FUM210 与电气配电设备典型 控制接口信息如图 2 所示。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 DCS 数字化 IO 模件对开关量输 入触点逻辑 0/1 的判断是基于通道端采 集到的电压值，高过一定阈值认为是高 电平 1（对应逻辑量 1） ，低于一定阈值 认为是低电平 0（对应逻辑量 0） 。而 4GSS290PO 并未接入 DCS 的“试验位置、 低电压、控制回路故障” 等 DI 点发出报 警信息（逻辑量 1 报警，对应高电平） ， 说明这些通道端口电压被抬高并超过 DCS 系统中高电平 1 的判断阈值。用万 用表测量该机柜所有外部电缆，未发现 有超过交、直流 24V 的电压存在。 2.2 电气配电盘上的检查测试 4GSS290PO 是一台 380V 交流电 机泵，其与 DCS 的控制连接如图 2 所 示。调查小组在电气配电盘侧检查电缆 端接无误，对 4GSS290PO 做好安全措 施后，对配电盘进行了检查测试，测量 工具为数字万用表 FLUKE287，试验测 试记录数据如下表 1：（各种试验情况 下，电机状态反馈端子直流电压分量均 为 0 VDC。 ） 从试验结果看，电 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 气配电盘上电机状态反馈控制电缆上产 生了较高的感应电压。电机加热器的投 切对产生感应电贡献较大（隔离位置时， 投入电加热器增大了 31-10=21VAC；工 作位置时投入电加热器增大了 41- 11=30VAC） ；电机停止状态下，电气配 电盘由隔离状态转变到工作状态，只增 加了 1VAC 的感应电压变化，而电机运 行与否对产生感应电压的变化没有贡献。 查 DCS 系统手册得知，无论是 92VAC 的峰值电压，还是 41VAC 的稳态电压 值，都可能对 DCS 内部的精密电子元 件造成损伤2。 2.3 电气配电盘产生感应电的原 因分析 检查电气配电盘内部电缆布置， 发现盘内控制电缆、动力电缆走线布置 不合理。受电加热器启停设计方案及配 电盘元器件布局影响，电加热器的启停 直接由配电盘接触器的辅助接点连锁控 制实现，即在图 2 中送到 DCS 去的状 态反馈弱电信号线与电机加热器 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 220VAC 线共用同一走线槽，强弱电缆 混合布置易导致弱电信号受强电电磁场 干扰。 DCS 控制电缆屏蔽层在进入配电 盘前统一接地，配电盘内部控制电缆线 芯不含屏蔽层，线芯中产生的感应电干 扰不能被屏蔽层有效屏蔽，故感应电会 通过线芯经少量衰减后直接作用于 DCS 系统 IO 模件的输入通道中3。 2.4 本次 DCS 控制柜机笼烧毁的 机理分析 2.4.1 感应电的电压很高，但电 量很小 试验中虽然感应电的电压很高， 实测峰值达到 92VAC，实际可能更高 （FLUKE287 数字式万用表的响应时间 较指针式万用表长） ，但其电量很 小用电流档对地没有测量到有明显 的交、直流电流，微小的电量不足以烧 毁机笼、将焊锡熔化。但这种电压尖峰 容易击穿高密度集成电路上的电子元器 件，在电路板外表并不会看到异常。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 2.4.2 感应电击穿精密电子元器 件，同时击破了 DCS 模件的“安全屏障” DCS 系 yIO 模件的主体是布置 数量庞大二极管、三极管、电阻、电容 的超大规模集成电路板，静电或感应电 尖峰极易引起电路或芯片中微小电子元 器件击穿，导致电路板线路或“断路” 或 “短路”，进而影响整体功能。 “断路”通常 表现出工作异常，而“ 短路 ”则可能引起 模件供电电源接地，产生较大电流，使 电路板局部发热烧毁。 2.4.3 1 号机相同位置电气配电盘 曾引发相同位置 DCS 机笼工作异常 2010 年 6 月 16 日，该核电厂 1 号机组 3GSS290PO 启动后突发电机状 态反馈故障报警。经检查，在 CA043 槽位模件上测量到了不正常的电压等级： 19.85VDC、 19.92VDC、 21.5VDC、21.18VDC、 21.39VDC 等。 DCS 系统中只有 24VDC 和 5VDC 两个 标准电压等级，不正常的电压等级表明 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 电路板有降压电子元器件被击穿，使得 “线路”受损，产生了不同的电压降，但 外表检查并未发现异常。更换控制柜机 笼模件后，设备状态显示重回正常，再 验证试验通过。 2.4.4 控制柜机笼模件受感应电 干扰流程图 由以上原因查找过程，绘制控制 柜机笼模件受感应电干扰烧毁流程图如 图 3 所示。 3 原因分析及纠正措施 综上所述，此次 DCS 控制柜机 笼模件烧毁的直接原因及根本原因如下： 直接原因：电气配电盘产生的感 应电击穿了 DCS 机笼模件中精密电子 元器件，击破了模件的“ 安全屏障 ”，导 致模件供电电源接地，电路板局部发热 烧毁。 根本原因：电气配电盘内部强弱 电走线布置不合理，导致弱电信号线缆 受到动力线缆较强的电磁干扰而在线芯 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 中产生较强感应电。 由根本原因分析结果，制定纠正 措施要求设备厂商在不改变电气配电盘 图纸设计的情况下，优（下转第 121 页） （上接第 130 页）化电气配电盘布置设 计，按相关布线标准重新规划了强弱电 线缆在配电盘内的走线布置。纠正措施 完成后，在相同条件下重新做 3.2 章节 的电气盘试验，弱电端子上测得的感应 电压最高值在 3VAC 以下。经验证，对 DCS 正常运行无影响。 4 结束语 无论是在常规电厂还是在核电厂 的调试过程中，DCS 系统发生模件烧毁 事件是比较常见的现