核电厂ATWT小机箱电源故障分析

张建兵，张建平，祝伟健，唐 龙，胡燕军

（中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300）

0 引言

反应堆保护系统对事故工况的保护手段主要是紧急停堆。当紧急停堆保护发生故障时，虽然运行参数已达到紧急停堆保护阈值，但没产生紧急停堆保护信号；或者虽然产生了紧急停堆信号，但紧急停堆断路器未断开，这些未能紧急停堆的预期瞬态就称为ATWT[1]。ATWT系统（预期瞬态不停堆系统）是反应堆保护系统的一个重要组成部分，可实现在反应堆保护系统失效的情况下使反应堆快速停堆，保障反应堆的安全。ATWT信号触发后，除可直接触发紧急停堆外，还可导致辅助给水系统启动、汽轮机脱扣、蒸汽发生器排污系统（APG）隔离，以及闭锁汽轮机旁路系统（GCT）第3组排放阀开启[2]。文献[3]中介绍了一起由于中间量程仪表机柜故障导致触发ATWT信号，进而导致反应堆紧急停堆、ASG汽动泵启动的非停事件。文献[4]从燃耗的角度分析了核电机组寿期末由于燃料组件发生变形，导致控制组件不能完全插入堆芯，从而使得ATWT信号触发的概率大大增加的情形。

由于ATWT保护功能在正常运行期间处于未触发状态，为确保紧急状态下ATWT设备的可用性，核电站设置了预防性周期试验，定期检测该系统功能的状态。ATWT T3试验主要为验证ATWT信号到对应阀门设备接口部分的可用性，试验误动设备风险较大，试验时主要通过闭锁正常保护逻辑信号来确保试验期间不会误动现场设备[5]。文献[6]和[7]分别从T3试验的原理以及执行过程中遇到的问题对ATWT定期试验的执行流程及步骤进行优化，在一定程度上降低了试验风险。

ATWT系统采用不同于反应堆保护系统所使用的CMOS逻辑线路，它的逻辑处理和输出线路由继电器组成，并与反应堆保护系统在电气上以及实体上进行隔离。ATWT系统的仪表部分（KRG机柜）由LNE供电，逻辑处理和输出部分（ATWT机柜）由LCC供电。KRG机柜内ATWT小机箱+/-15VDC工作电源或48VDC信号电源故障情况下，将触发参与ATWT保护的SG1、SG2主给水流量低信号。为了避免两台蒸发器主给水流量低信号误触发导致ATWT动作，系统设计了电源故障闭锁ATWT输出的功能。验证电源故障情况下闭锁ATWT输出功能的有效性，对确保ATWT系统的功能稳定性具有十分重要的意义。

1 ATWT原理

1.1 ATWT动作原理

ATWT系统监测的过程参数是SG给水流量和中间量程中子注量率。当中间量程的核功率（2/2）大于30%FP时，若每台SG的主给水流量（2/3）均低于6%NF（117t/h），则ATWT动作，启动辅助给水，引起汽机刹车和紧急停堆等逻辑动作[8]。其中，主给水流量信号处理以及主给水流量低阈值信号触发的实现是通过ATWT小机箱（位于保护模拟组ⅣP的KRG043AR机柜，因其占用两个机箱位置，故称之为ATWT小机箱）实现的。

1.2 ATWT输出闭锁原理

ATWT小机箱220VAC交流电由LNE提供，通过整流滤波后转化为稳定的+/-15VDC作为小机箱卡件的工作电源，保护逻辑信号配电则由LCC提供48VDC电源。ATWT小机箱保险丝熔断，失去LNE电源以及保护逻辑48VDC配电失去的工况下，将导致ATWT误动作[9]，为防止ATWT小机箱在上述工况下导致ATWT误动作，增加了小机箱电源故障的ATWT动作闭锁回路，如图1。

图1 ATWT小机箱电源故障闭锁信号图Fig.1 ATWT Small cabinet power supply fault block signal diagram

图1中继电器XR33/34为闭锁继电器，日常期间带电，对应接入输出回路里的两副常闭触点（触点6-10）；继电器XR31/32为ATWT信号符合逻辑继电器，日常期间带电，对应接入输出回路里的两副常开触点（触点1-9）。日常满功率运行期间，主给水流量低逻辑未触发，继电器XR31/32带电，其对应的触点断开，输出继电器回路未得电导通，此时ATWT不会动作。若SG主给水流量低信号叠加RPN中间量程大于30%FP信号逻辑“与”满足时，继电器XR31/32失电，此时输出继电器与724UD（48VDC电源）相连导通，输出继电器带电激励动作。为了防止小机箱失电时ATWT误动作，在输出继电器回路增加了闭锁继电器XR33/34各一副触点，当小机箱电源失电故障时，闭锁继电器触点断开，输出继电器无法带电，ATWT动作信号被闭锁。当小机箱工作电压失去时，或保护逻辑48VDC配电失去时，闭锁继电器XR33/34丢失电源，输出回路中的两副闭锁继电器触点断开，ATWT动作信号将无法送出。

1.3 3/4号机电源故障闭锁回路与1/2号机的差异

电源故障闭锁回路秦二厂1/2号机组与3/4号机组存在差异，其中1/2号机组取消了LNE母线失电故障时对小机箱电源的闭锁，即当LNE母线失电时，由于ATWT小机箱上游电源来自LNE，此时小机箱也必将丢失电源。另LNE失电工况下，由于参与主给水调节阀的控制信号位于KRG控制柜，其上游电源也来自LNE，其必将因LNE失电导致主给水流量调节阀的关闭，使其产生真实的ATWT信号，若此时闭锁ATWT动作信号，则将导致ATWT系统拒动。因此，1/2号机组在电源故障判断回路增加了LNE母线失电的旁通回路，最终实现LNE母线失电时，不闭锁ATWT动作信号[10]，如图2。而3/4号机组由于KRG控制柜采用了双电源（LNE和LNQ）供电结构，仅LNE母线失电，不会导致主给水流量控制阀关闭，因此并未增加LNE母线失电的判断回路。

图2 秦二厂1/2号机组ATWT电源故障闭锁回路Fig.2 ATWT Power supply fault blocking loop of unit 1/2 in Qinshan second plant

2 ATWT小机箱失电影响测试

2.1 测试方案

模拟中间量程中子注量率置触发状态，SG给水流量低置未触发状态。闭锁ATWT驱动输出信号，然后对ATWT机柜进行上电。连接记录仪，记录信号1（ATWT闭锁信号）、信号2（ATWT动作信号）和信号3（ATWT逻辑符合信号），模拟ATWT小机箱失电时，比较信号1、信号2和信号3的响应时间先后。测试完成后，取消模拟的信号。

2.2 测试方案实施

1）模拟中间量程中子注量率置触发状态。

2）模拟SG给水流量低置未触发状态。

3）对ATWT机柜进行上电。

4）记录仪信号回路的连接。

①信号1通道：1通道借用闭锁继电器XR33/34的两副常开触点（XR33的2-10，XR34的3-11）实现对闭锁信号的监测，测试时用记录仪监测两端子间的电压U1，如图3。

图3 记录仪信号1和3通道的连接图示Fig.3 Connection diagram of channels 1 and 3 of recorder signal

②信号2通道：2通道借用输出继电器XR43的一副常开触点（2-10）实现对ATWT动作信号的监测，测试时接入48V电源，用记录仪监测两端子间电压U2，如图4。

图4 记录仪信号2通道的连接图示Fig.4 Connection diagram of channel 2 of recorder signal

③信号3通道：3通道借用继电器XR31/32的两副常闭触点（XR31的2-10，XR32的2-10）实现对ATWT信号符合逻辑的监测，测试时用记录仪监测两端子间的电压U3，如图3。

2.3 测试数据及分析

1）模拟小机箱工作电源故障

①模拟SG1、SG2两列ATWT小机箱工作电源故障，结果如图5。

图5 SG1、SG2两列ATWT小机箱工作电源故障时信号输出Fig.5 SG1、SG2 two ATWT small cabinets working power failure signal output

②先后恢复SG1、SG2两列ATWT小机箱电源开关（间隔时间小于MICRO卡恢复正常工作所需的时间7s），结果如图6。

图6 SG1、SG2两列ATWT小机箱工作电源上电时信号输出Fig.6 SG1, SG2 two ATWT small cabinets power supply power the signal output

③先后恢复SG1、SG2两列ATWT小机箱电源开关（注意上电间隔时间为11s，大于MICRO卡恢复正常工作所需的时间7s），恢复ATWT小机箱工作电源，结果如图7。

图7 SG1、SG2两列ATWT小机箱工作电源上电时信号输出（间隔大于7s）Fig.7 SG1, SG2 two ATWT small cabinets power supply power the signal output(interval greater than 7s)

分析数据可得：

SG1、SG2均断电，ATWT符合继电器动作。此时由于闭锁继电器闭锁有效，ATWT输出继电器实际未发出ATWT动作信号。

SG1、SG2依次上电且上电间隔小于7s时，SG2上电后经1s延时，闭锁继电器动作，闭锁失效，SG1上电7s之内ATWT符合继电器不动作，这期间ATWT输出继电器动作，ATWT动作信号输出。7s后ATWT符合继电器动作，ATWT符合逻辑消失，ATWT动作输出消失。

SG1、SG2依次上电且上电间隔大于7s时，ATWT符合继电器在SG2上电前已动作，ATWT符合逻辑已消失，ATWT动作输出信号不会输出。

2）模拟LNE失电导致小机箱工作电源故障

①模拟给ATWT小机箱LNE供电失电故障，结果如图8。

图8 LNE失电导致小机箱工作电源故障时信号输出Fig.8 LNE Power loss causes the signal output when the power supply of the small cabinet is out of order

②恢复LNE电源，结果如图9。

图9 LNE恢复上电时信号输出Fig.9 LNE Restore power the signal output

③由于LNE恢复上电时，ATWT动作信号输出，且持续5.55s后闭锁继电器才动作，ATWT输出才被闭锁，故将延时继电器XR33、XR34延时调整为8s后，再次对其进行验证。再次模拟给ATWT小机箱LNE供电失电故障，将延时继电器XR33、XR34延时调整为8s后，恢复LNE电源，结果如图10。

图10 延时调为8s后LNE恢复上电时信号输出Fig.10 The signal output of LNE is restored when the power is turned on after the delay is set to 8s

分析以上数据可得：

LNE失电，闭锁继电器动作，闭锁ATWT输出。

LNE上电，闭锁继电器上电延时为1s时，经1s延时，闭锁继电器动作，闭锁失效，LNE上电7s之内ATWT符合继电器不动作，这期间ATWT输出继电器动作，ATWT动作信号输出。7s后ATWT符合继电器动作，ATWT符合逻辑消失，ATWT动作输出消失。

LNE上电，闭锁继电器上电延时调整为8s时，ATWT符合继电器在闭锁继电器动作失效前已动作，ATWT符合逻辑已消失，ATWT动作输出信号不会输出。

3）模拟主给水流量信号配电故障（即LCC失电）

①模拟主给水流量信号配电故障失电，结果如图11。

图11 LCC失电时信号输出Fig.11 The signal output when LCC power loss

②恢复LCC电源，结果如图12。

图12 LCC恢复上电时信号输出Fig.12 The signal output when LCC restore power

分析以上数据可得：

LCC失电，闭锁继电器先动作，闭锁ATWT输出。

LCC上电，ATWT符合继电器在闭锁继电器延时1s动作失效前已动作，ATWT符合逻辑已消失，ATWT动作输出信号不会输出。

3 分析与结论

由上节数据分析可得以下结论：

1）电源故障情况下（ATWT小机箱保险丝熔断、LNE220VAC电源故障以及LCC 48VDC配电故障），电源故障闭锁回路能够有效闭锁ATWT输出。

2）LCC 48VDC恢复正常供电时，不会误触发ATWT动作信号。LNE220VAC恢复正常供电时，因MICRO卡恢复正常工作需要7s，会导致误触发ATWT动作信号。

3）LNE220VAC恢复正常供电时，将闭锁继电器上电延时由1s调整为8s，可以有效闭锁ATWT动作信号输出，避免ATWT误动作。

根据上述结论，为降低ATWT小机箱恢复上电操作导致ATWT系统的误动概率，提出以下建议：

①考虑到ATWT上电延时不影响ATWT的安全功能，以及MICRO卡启机所需时间，保守起见，将闭锁继电器XR33、XR34上电延时调整为10s。

②对另一机组ATWT系统的闭锁回路功能进行验证测试，同时对闭锁继电器的动作时间进行测试，以确保闭锁回路的功能正常。

4 结语

ATWT小机箱因系统设计上要求的多样性，与反应堆保护系统所采用的设备及技术均有一定差异。在带来反应堆多样性的同时，也增加了保护系统的误动概率。通过在现场模拟3种不同的ATWT小机箱电源故障，验证出了ATWT小机箱电源存在的可靠性问题，并提出通过修改闭锁继电器上电延时的建议，有效地提高了ATWT闭锁可靠性，大大降低了KRG上电时ATWT系统误动的概率，进而提升ATWT系统以及机组的运行安全，对电厂的安全稳定运行具有重要意义。