摘要：反应堆冷却剂泵变频器（以下简称主泵变频器）作为驱动和控制主泵的重要设备，必须保证其安全稳定启动和运行。通过对某三代核电现场主泵变频器调试过程中发现的预充电电源开关钥匙闭锁失效、准备预充电信号未产生、备用控制丧失报警、主泵变频器中压电源开关未按预期合闸等四种故障分别进行根本原因分析，整理主泵变频器预充电过程各步骤可能出现的故障,通过问题分析得出故障预防方式及调试改进方向，保障主泵变频器的安全稳定启动和运行。对同类型机组主泵变频器预充电过程的调试及运行维护工作具有一定的实践参考意义。
关键词：变频器；预充电；钥匙闭锁；备用控制
0引言
反应堆冷却剂泵变频器（以下简称主泵变频器）作为驱动和控制主泵的重要设备，必须保证其安全稳定启动和运行。主泵变频器预充电过程是变频器启动的关键步骤，作为防止变频器启动过程中突然加压对变频器内部元器件造成损坏的技术措施。本文通过现场变频器预充电过程中的预充电电源开关钥匙闭锁失效、准备预充电信号未产生、备用控制丧失报警、主泵变频器中压电源开关未按预期合闸等四种故障案例及问题分析，得出预充电过程故障预防方式及调试改进方向，保障主泵变频器的安全稳定启动和运行。
1主泵变频器介绍
某三代核电机型共配置了四台主泵，分别由常规岛四段10.5kV中压母线带载，每台主泵的额定电压为6.9kV，频率为60Hz。每台主泵各配置一台变频器，转换厂用电源为主泵所需电压和频率，同时降低主泵启动时的启动电流并实现平滑调速[1]。
变频器采用水冷式主泵变频器，设计容量10500kVA，输入电压10.5kV，输出电压0-6.9kV，额定输出电流850A。变频器由进线柜、变压器柜、预充电及控制柜、功率单元柜、出线柜、冷却柜等构成。功率单元采用6级串联方式、设置预充电回路、功率单元配备独立的水冷系统；变频器控制方式为矢量控制，具备能量回馈制动功能。
1.1预充电及控制系统介绍
变频器的控制系统由如下部件构成：NXGIIA/B、信号处理板、光纤切换板、光纤切换组件、控制电源、PLC及输入输出元件等。NXGIIA/B为变频器的控制核心，包括CPU、系统接口板、信号调制板等[2]。系统接口板负责将输入输出侧电流和电压信号由模拟信号转化为数字信号，数字信号用于变频器的矢量控制系统，矢量控制则由CPU内的电机模型及算法实现。CPU负责处理电压电流的输入输出信息，并把单元的开关信号送往信号调制板，同时实现变频器的计量和保护功能。信号调制板生成功率单元的调制信号，用于功率单元旁路等控制。信号处理板负责采集并扫描中压系统输入的电压电流信号和电机输出端的电压电流信号并送往系统接口板。光纤切换组件传输NXGII发出的功率单元开关信号至功率单元及功率单元至NXGII的反馈信号，并在一个NXGII控制失效时传输光纤切换板的切换信号。
2主泵变频器预充电过程介绍及调试试验1
预充电过程是主泵变频器启动的关键步骤，为防止变频器启动过程中突然加压对变频器造成损坏，通过采用接触器、预充电电容、预充电电阻、预充电升压变压器的配合，逐步提升充电电压，防止功率单元内的电容受到冲击。预充电回路包括3组接触器(M2，M3，M4)和1组电容、电阻，如图1所示。M1为中压进线断路器，M1，M2，M3，M4的初始状态均为打开。双冗余控制（NXGIIA和NXGIIB）预充电过程：首先接触器M2闭合对电容充电，同时对变压器反向充电；当预充电电容器充电至90%（整定值）时，随即M3闭合1s并断开M2以维持中压额定电压，通过充电电阻和变压器向功率单元预充电，再闭合M4并断开M3继续保持中压额定电压同时减少电阻回路压降，完成控制系统预充电过程；再次重复循环，完成另一冗余控制系统预充电，最后断开M4并合上M1，启动变频器。
预充电试验作为主泵变频器设备专项试验程序中重要内容，本试验验证变频器内部各系统设备的不带电单体调试正常、控制回路上电正常、闭锁正确、通讯信号及回路满足要求等，标志着变频器内部元器件开始承受中压电压，为后续的变频器开环试验及带主泵调试等上电试验做前提准备。
3主泵变频器预充电过程故障及案例分析
3.1故障一：预充电电源开关钥匙闭锁失效
3.1.1事件描述
调试人员与厂家服务工程师在对某核电机组四台主泵变频器进行首次预充电试验时发现如下问题：
1.EV-31：
旋转K2钥匙解锁EV-31预充电电源开关（CB_PC）后，当闭合CB_PC时，CB_PC跳闸；现场实际功能与厂家设计的功能相反。检查发现，K2钥匙上的两根导线实际接至K2钥匙上的一对常闭接点（NC），与厂家内部接线图不符，即辅助接点接线错误，正常状态下，K2钥匙上的两根导线应接至K2钥匙上的一对常开接点（NO）。
2.EV-41/51：
旋转K2钥匙至解锁位置即解锁EV-41/51预充电电源开关（CB_PC）后，当闭合CB_PC时，CB_PC闭合；但验证钥匙跳闸闭锁功能时，CB_PC未跳闸；现场K2钥匙与CB_PC的跳闸闭锁失效，实际功能不能满足厂家设计的功能。检查发现，K2钥匙上的两根导线接至K2钥匙上的一对常开接点（NO）上的同一端子，造成K2钥匙上的常开辅助接点未接入CB_PC失压跳闸闭锁回路，导致CB_PC的钥匙跳闸闭锁失效。
3.1.2问题分析
正常状态下，接入CB_PC失压跳闸回路的应为K2钥匙上的一对常开接点（NO），旋转K2钥匙至解锁位置即常开接点闭合以解锁预充电电源开关（CB_PC），此时闭合CB_PC时，CB_PC将合闸；当K2钥匙拔出或未旋转至解锁位置时，闭合CB_PC时，由于常开节点未闭合，CB_PC的失压脱扣线圈UV失电，CB_PC跳闸。
主泵变频器K2钥匙上的辅助接点接线错误，是由于主泵变频器厂家在进行出厂试验时，未对K2钥匙与主泵变频器预充电电源开关CB_PC的钥匙跳闸闭锁功能进行可靠的检查，厂家临时更改接线后在出厂前未及时恢复，使得该问题遗留在调试期间，严重影响主泵变频器专项试验的进展。
3.2故障二：准备预充电信号未产生
3.2.1事件描述
调试人员与厂家服务工程师在对某核电机组主泵变频器EV-41进行首次预充电试验时，发现合上主泵变频器预充电电源开关CB_PC后，HMI面板上的准备预充电指示灯未按预期点亮。
试验人员进一步检查后发现FPC柜上的HMI面板显示无其他任何报警，并确认预充电电源开关CB_PC已合闸，检查SOP字位发现准备预充电未触发，试验人员无法进行预充电试验。
由于此时EV-41的冷却柜内泵运行正常、冷却柜控制面板显示流量正常，试验人员进一步判断冷却柜和FPC柜关于冷却系统流量正常信号的通讯存在问题，导致FPC柜未收到冷却系统流量正常信号，HMI面板显示流量异常。冷却柜与FPC柜的冷却系统流量正常信号的通讯为冗余配置即双通道F.O.Link1和F.O.Link2，正常运行时一用一备。而试验中冷却柜与FPC柜的冷却系统流量正常信号通讯失去，即说明双通道通讯均存在问题。2
试验人员仔细排查F.O.Link1通讯通道，发现在冷却柜内的通讯模块所连接的F.O.Link1光纤的一部分被绝缘胶带包扎并置于线槽内，拆开后发现光纤部分裸露且存在破损。3
试验人员仔细检查F.O.Link2通讯通道，发现变频器EV-41的冷却柜内的F.O.Link2通讯模块的信号接收端子安装不紧固。因此冷却柜与FPC柜的双通道通讯均失去，无冷却系统流量正常信号传输，导致准备预充电信号无法被触发。
3.2.2问题分析
厂家服务工程师经查阅内部资料，得到触发准备预充电的逻辑条件，准备预充电的各逻辑条件为“与”的关系，检查发现变频器EV-41冷却柜内的F.O.Link1通讯光纤破损、F.O.Link2通讯模块接收端子安装不紧固，导致冷却柜与FPC柜的双通道通讯均失去，冷却系统流量正常信号不满足条件，准备预充电信号无法被触发。
变频器通讯光纤安装质量存在问题；通讯模块端子安装不紧固，安装过程存在疏漏。发生光纤外皮破损后，光纤安装人员并未及时进行更换，而是将其用绝缘胶带包扎并置于线槽内，安装人员责任心缺失。另外，冷却柜与FPC柜的F.O.Link通讯情况无法显示在FPC柜的HMI控制面板上，且无相关通讯异常的报警，导致该故障很难被检查发现。
该事件表明，对于主泵变频器信号通讯调试，若试验中涉及到信号通讯，要在试验前仔细检查相关通讯光纤及通讯模块的安装情况。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对于一用一备的双通道通讯方式，若确保通讯正常，应再次排查备用通讯通道。
3.3故障三：备用控制丧失报警
3.3.1事件描述
某核电机组装料准备期间，由于主泵变频器长时间没有投运，根据运行要求，需要投运所有主泵变频器以验证其功能是否良好。EV-31主泵变频器完成预充电后，运行人员发现就地控制面板显示备用控制丧失报警。在执行其它3台主泵变频器预充电后，也发现EV-41主泵变频器出现同样的情况。且主控操作员在主泵控制器画面上操作报警复位后，此报警未消失。
调试及维修人员检查发现EV-31在预充电过程中，控制器A未有效地检测到功率单元，始终显示功率单元诊断进行中，结果导致切换控制器B控制模式。且由于控制器A未监测到功率单元，导致备用丧失报警无法复位；判断EV-31的控制器至信号调制板之间以及信号调制版至旁路控制板之间的光纤连接松动接触不良和光纤老化导致备用丧失报警。
另外发现EV-41的控制器B与功率单元旁路控制板之间光纤连接报警，导致备用控制丧失报警无法复位。经检查确认EV-41光纤转接模块中的旁路转换模块的控制电压明显低于其它光纤通讯模块，进一步检查确定控制电源电压正常，判断故障原因为旁路电源转换模块（SwitchBypassPowerFOLink）故障，更换该模块后信号恢复正常。
3.3.2问题分析
EV-31的控制器至信号调制板之间以及信号调制板至旁路控制板之间的光纤连接松动接触不良和光纤老化导致备用丧失报警；EV-41的旁路电源转换模块模块故障导致备用丧失报警；由于在装料准备期间主泵变频器长时间置于不带电工作，受到环境因素影响，使得控制回路的线路板的模块焊接点腐蚀老化和控制器板之间的连接光纤老化，造成旁路电源转换模块损坏。运行和维护人员需要定期维护和巡视主泵变频器房间，保持适宜的室内环境。定期检查紧固主泵变频器所有进出线电缆、功率单元之间连接电缆及控制回路线路板间的连接光纤。
3.4故障四：主泵变频器中压电源开关未按预期合闸
3.4.1事件描述
根据某核电机组热态功能试验计划安排，运行人员根据运行规程《主泵电源系统》在主控室执行EV-41主泵变频器预充电工作，主泵变频器按预期执行了预充电运行程序，但主泵变频器中压电源开关未按预期合闸，导致预充电退出。
调试及维修人员分别检查PLS/DAS跳闸信号输入、中压电源开关及分闸线圈、主泵变频器本体及分闸继电器，判断运行人员在预充电前未按运行规程对EV-41(52)中压电源开关进行“UNTRIP”复位操作，造成变频器在预充电时始终存在PLS发送给变频器EV-41(52)中压电源开关的跳闸信号，导致预充电未按预期完整执行。
3.4.2问题分析
结合事件状态、事件日志和主泵变频器中压电源开关控制回路原理图，主泵变频器预充电过程中压电源开关未按预期合闸有以下几种可能：
1.中压电源开关存在PLS跳闸信号输入；
2.中压电源开关存在DAS跳闸信号输入；
3.主泵变频器本体存在故障，导致中压电源开关存在VFD跳闸信号输入或VFD合闸信号未输入；
4.中压电源开关跳闸回路或跳闸线圈存在故障；
经检查得出，运行人员在对变频器EV-41预充电前未按照规程对变频器中压电源开关执行“UNTRIP”操作，造成PLS发送给变频器中压开关的跳闸信号始终存在，EV-41主泵变频器中压电源开关无法合闸，造成预充电未按预期完成。运行人员需加强对主泵电源系统的操作提前演练，调试人员在试验交底时需针对性确认。
4结论
主泵变频器安全稳定启动和运行直接影响核电站的安全性和经济性，其中主泵变频器的预充电过程更是作为主泵变频器启动的关键步骤。
针对某三代核电现场主泵变频器预充电过程中发现的预充电电源开关钥匙闭锁失效、准备预充电信号未产生、备用控制丧失报警、主泵变频器中压电源开关未按预期合闸等四种故障案例及问题分析，整理出主泵变频器预充电过程步骤及对应可能出现的故障。
主泵变频器预充电回路采用多级预充电并结合闭锁功能，相对复杂，应在设计、制造、建安、调试、运行等各个阶段予以充分关注，根据现场的调试及运行期间主泵变频器预充电过程故障经验，提出以下建议预防方式及改进项：
（1）设计阶段：
主泵变频器各系统间通讯信号应尽可能在HMI控制面板上显示，例如冷却柜与FPC柜的F.O.Link通讯情况应该被设计显示在FPC柜的HMI控制面板上，并增加相关通讯异常的报警，以便及时发现，有效减少故障排查时间。
（2）厂家制造及试验阶段
主泵变频器出厂前，需仔细检查柜内接线与设计图纸一致；出厂试验结束后，及时恢复临时更改的接线，例如闭锁钥匙辅助接点接线错误等类似情况。
（3）建安阶段
变频器内部系统间通讯光纤容易破损，安装时需要严格注意；发现光纤破损后要及时更换，并做好防护措施。
（4）调试阶段
若调试试验中涉及到信号通讯，要在试验前仔细检查相关通讯光纤及通讯模块的安装情况。对于双冗余的双通道通讯方式，确保通讯正常后，应再次排查备用通讯通道。
调试阶段要定期维护和巡视主泵变频器房间，保持适宜的室内环境，防止预充电过程启动变频器时发生的设备缺陷。4
对变频器预充电电源开关钥匙闭锁检查时，要仔细检查闭锁功能是否均满足设计需求；对于机构存在类似闭锁钥匙一对常开、常闭辅助触点时，要注意检查接线是否与图纸保持一致，尤其在设备上电试验前要对闭锁及接线等进行仔细检查。
（5）运行阶段
维护人员要定期检查紧固主泵变频器所有进出线电缆、功率单元之间连接电缆及控制回路线路板间的连接光纤。
在主泵变频器预充电操作前需要注意严格执行规程对变频器中压电源开关执行“UNTRIP”复位操作，消除PLS发送给变频器中压开关的跳闸信号。
参考文献：
[1]肖卉.AP1000核电机组冷却剂泵变频器特点及供电回路优化[J].华电技术,2013,35(3):48-51.
[2]许翀.中压变频器在AP1000核电厂中的应用[J].中国高新技术企业,2016,12(3):43-44.5
注释：
1.本论文由国家科技重大专项2018ZX06002002《CAP1400 核电关键建造调试技术研究》子课题二《CAP1400 核电项目建造阶段的调试技术研究》专题4《国产化主泵首次应用于CAP1400机组的主泵调试技术研究》支持
2.本论文由国家科技重大专项2018ZX06002002《CAP1400 核电关键建造调试技术研究》子课题二《CAP1400 核电项目建造阶段的调试技术研究》专题4《国产化主泵首次应用于CAP1400机组的主泵调试技术研究》支持
3.本论文由国家科技重大专项2018ZX06002002《CAP1400 核电关键建造调试技术研究》子课题二《CAP1400 核电项目建造阶段的调试技术研究》专题4《国产化主泵首次应用于CAP1400机组的主泵调试技术研究》支持
4.本论文由国家科技重大专项2018ZX06002002《CAP1400 核电关键建造调试技术研究》子课题二《CAP1400 核电项目建造阶段的调试技术研究》专题4《国产化主泵首次应用于CAP1400机组的主泵调试技术研究》支持
5.本论文由国家科技重大专项2018ZX06002002《CAP1400 核电关键建造调试技术研究》子课题二《CAP1400 核电项目建造阶段的调试技术研究》专题4《国产化主泵首次应用于CAP1400机组的主泵调试技术研究》支持
论文作者:牟泽睿1,满文成1
论文发表刊物:《电力设备》2018年第32期
论文发表时间:2019/5/24
标签：变频器论文; 信号论文; 通讯论文; 光纤论文; 电源开关论文; 核电论文; 钥匙论文; 《电力设备》2018年第32期论文;