核电机组配电柜三色指示灯的研究与优化

曹祖庭，查卫华，王晓琳， 查思行

(1.中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300；2.上海光华学院剑桥国际中心，上海 201319)

核电机组中低压配电柜担负着核电众多电气设备的供电和控制功能，根据是否与核安全相关分为核级配电柜和非核级配电柜。三色指示灯是配电柜中用于指示配电三种状态的元器件，颜色上一般情况下多为红绿黄(白)三色。这三种颜色一般对应“合闸、分闸、故障”、“运行、停止、故障”和“正转、反转、故障”三种状态,如图1所示，这三种形式的指示灯分别用于配电负荷、电机负荷和阀门负荷。

图1 三色指示灯Fig.1 The three-color indicating lamp

由于这种指示灯指示全、体积小，能够解决抽屉空间布局紧凑的问题，因此在核电中低压配电柜中大量使用。以秦山核电为例，初步统计秦山核电二厂1/2/3/4号机组中低压配电柜使用该类型三色灯的数量在4 000个左右,方家山机组使用数量在1 200个左右。除秦山核电外，福清核电、海南核电、阳江核电和江苏核电等机组均有大规模使用三色指示灯。

1 存在的问题

目前核电三色指示灯有两个品牌，虽然电路原理上有所不同，但是外部结构均一样，其结构如图2所示。

图2 三色指示灯结构Fig. 2 The structure of the three-color indicating lamp

该结构的特点是面板嵌入式安装，这种安装方式带来两个问题。首先，由于面板卡扣为死扣设计，因此需要从抽屉内部将指示灯用力推出，有时还需要用工具将卡扣变形后才能抽出；其次，这种安装方式需要手动拔出外接线。上述两个问题就造成了更换指示灯前必须断电。除此之外，指示标牌底色为黑色，激光打印后文字颜色暗淡和不清晰也是缺点之一。

对于非核而言，断电后再更换指示灯相对比较简单，然而核电作为区别于火电、水电、风电和太阳能发电等电站的特殊电站，核安全无小事，核安全文化已经融入到了每位员工的血液当中。因此与核安全相关的，或小概率能引起机组瞬态的工作都会经过严格的评估才能进行。所以机组有些负荷是不能够随时停的，需要等待合适的窗口；还有些负荷涉及到核安全，无特殊情况,在一个燃料循环内不允许停役，故障工单需转大修进行。

表1为秦山核电方家山机组从商运以来至2020年指示灯故障和转大修工单的情况。

表1 方家山指示灯故障情况统计

从表1数据中可以看出，方家山核电机组从刚投运到2018年指示灯故障的数量很少，随着使用年限的增加，2019年开始故障数量开始增加明显，但是正是由于指示灯需要断电进行更换，随着故障数量的增加遇到重要负荷需要等待窗口和转大修的概率就会大大提高。从数据中可以看出2019年和2020年指示灯故障处理周期在1个月以上的工单随着故障数量的增加也大幅度的增加，其中转大修工单也分别达到了11张和12张。

三色指示灯作为抽屉中非关键的二次元器件，虽然只有指示功能，但等待窗口更换或停电更换存在有以下问题：

1)等待窗口导致缺陷长期存在，现场指示失效，影响人员对状态的判断，特别是重要负荷，对机组安全与核安全不利；

2)断电更换会导致设备短时不可用，对于涉及I0的负荷断电更换影响核安全及机组运行指标；

3)断电更换时需要拆接线，存在接错线的风险。

若采取预防性维护，在大规模失效前进行提前进行大规模更换，这将导致更换周期难以确定等其他问题。还是以表1数据为例，2014年至2018年故障率只有不到1%，2019年故障率为3%，2020年故障率为7.5%，若定义成6年定期更换，首先不可避免的在6年内还会有零星故障发生，其次6年内的总故障也只有12%左右，采取全部更换将导致成本的大幅提高。

综上，造成上述问题的症结就是指示灯无法带电更换，因此对三色指示灯进行结构优化，实现在线更换功能十分的必要。

2 结构优化方案

1)外壳固定卡扣优化

指示灯安装方式由原来的面板嵌入式安装改为外壳嵌入式安装，因此指示灯与门板的固定卡扣由原来的面板处移至外壳处。采用一种新的卡扣设计方式，这种设计可与1.5～3 mm厚度的门板良好配合，如图3所示。

图3 固定卡扣结构Fig. 3 The fix buckle structure

2)电路板结构优化及固定方式优化

电路板设计成如图4(绿色部分)的结构，电路板通过定位柱“3”与自攻螺丝“2”牢靠固定于面板上，这样面板与电路板一体，更换时只要拆下面板后拧下螺丝更换故障电路板就可以实现指示灯的消缺工作，除了便捷外，还能节约硬件成本。

图4 电路板固定结构Fig.4 The fixed structure of the circuit board

3)面板与外壳连接结构优化

面板与外壳采用类似于电视遥控器电池盖的滑盖设计，通过三个插片“5”对准外壳的插孔“4”插入，然后将面板下压并推入至面板和外壳边缘对齐，即可完成安装，连接结构如图5所示。

图5 面板与外壳连接结构Fig.5 The connecting structure of the panel and enclosure

4)电气连接改进

三色指示灯的回路电流不大于5 mA，为保证面板从外壳拨出时避免电路板因受力太大而受损或从面板中脱离，经过多个方案的研究与效果对比，最终采用弹簧触指与接线端子接触的方式实现面板上的电路板与外壳上接线端子连接取电的设计[1]。

图6中的“8”为焊接在电路板上的弹簧触指，弹簧触指在不受力后可自恢复，在接触接线端子“9”时，弹簧压缩，可靠接触并从端子取电。

图6 弹簧触指Fig. 6 The spring contact

图7中的“9”为接外部线的固定于外壳上的接线端子与弹簧触指“8”的接触面。图8为电气连接方式结构透视图。

图7 外部接线端子Fig.7 The external terminals

图8 电气连接方式结构透视图Fig.8 The structure perspective of the electrical connection mode

5)标识牌优化

由于原指示灯文字颜色辨识度低，因此需要增加指示灯文字标识辨识度。标识牌“11”设计上采用白色材料，用激光打印后字体为黑色，从而提高了文字颜色的辨识度，且激光打印不会因为使用时间的变长而褪色。除颜色之外，该文字标识牌为可拆卸结构，固定于上盖的插孔“10”内，便于替换，如图9所示。

图9 标识牌结构Fig.9 The identification card structure

3 效果

经过优化结构设计后，新旧指示灯的外部参数完全一致，新的指示灯能实现在线更换功能，安装尺寸和外部接口完全一致，可以完全替代原有旧型号的指示灯，参数如表2所示。

表2 新旧指示灯外部参数对比

改进前后的效果对比如表3所示。

表3 优化效果对比分析

该款指示灯已在秦山核电二厂部分厂房进行试用，从2019年9月运行至今效果良好，期间多次模拟在线更换指示灯电路板过程，更换故障电路板时间为1 min，大大缩短了更换时间。目前除秦山核电外，田湾核电、福清核电、海南核电、阳江核电等均在换型实施中。

4 结论

本文从结构上对核电机组配电柜三色指示灯进行了优化设计，解决了其无法带电更换和标签文字暗淡的问题。该在线更换三色指示灯的研究与应用具有以下重要意义：

1)在线更换，避免了断电更换导致核电设备不可用的风险；

2)更换快捷简便，缩短了更换时间与设备故障时间；

3)指示灯标识改进，增加了辨识度，有利于现场指示灯状态的快速识别；

4)指示灯标牌可替换设计，避免拥有多个物资编码，一个编码能够适用于所有要求的产品，方便采购与库存管理；

5)由于更换快捷，可以免去指示灯更换的定期预防性维护项目，避免核电保守决策提前大规模更换而造成的浪费，节约生产成本。