陳 鋒，李聿容，王啟峰，陳曉勇

（1.核電運行研究（上海）有限公司，上海 200120；2.中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

作為核電廠內(nèi)的應急交流電源，EDG（應急柴油發(fā)電機組）通常在失去廠外電源的情況下能滿足應急廠用電的要求，以確保反應堆安全停堆，并防止由于外部電源系統(tǒng)失電而導致重要設備的損壞。EDG 的瞬態(tài)性能主要依賴于柴油機的調(diào)速系統(tǒng)，而調(diào)速器是調(diào)速系統(tǒng)的核心部件。

電子調(diào)速器是一種采用電子控制技術實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量、設定、比較與調(diào)節(jié)的調(diào)速裝置，具有響應速度快、調(diào)節(jié)精度高、恒速性能好等優(yōu)點[1-3]，能夠滿足柴油發(fā)電機組的無差并聯(lián)運行要求。然而，從國內(nèi)外核電廠的經(jīng)驗反饋來看，調(diào)速器已成為EDG 的故障高發(fā)部件之一。目前國內(nèi)EDG 使用的PC 和PA 兩種主流機型柴油機，均配置了型號為E19600 的進口電子調(diào)速器，故障尤為突出。因此，本文針對E19600 型電子調(diào)速器的故障特點和原因，結合近年來主要故障類型，探究故障成因和預防措施，以提高機組的可靠性和安全性。

1 故障詳情

對國內(nèi)外核電廠EDG 電子調(diào)速器故障進行統(tǒng)計和分析，可以總結出常見的故障模式主要分為三類，分別為轉(zhuǎn)速輸入異常、看門狗報警和無輸出或輸出異常。

1.1 轉(zhuǎn)速輸入異常

轉(zhuǎn)速信號是電子調(diào)速器的關鍵輸入信號之一，它直接反映了柴油機的運行狀態(tài)。轉(zhuǎn)速信號的輸入異常會使電子調(diào)速器的PID 控制算法失去作用，無法作出正確控制動作，從而導致柴油機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，甚至觸發(fā)EDG 的低頻保護功能，造成柴油機停機。

1.2 看門狗報警

單片機系統(tǒng)可能因為外界干擾或內(nèi)部錯誤而導致死機現(xiàn)象，為了提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，需要設置看門狗來監(jiān)測程序的運行狀態(tài)?？撮T狗是一種軟件程序或硬件芯片，它可以通過設定的判斷條件來識別程序是否出現(xiàn)異常。一旦發(fā)現(xiàn)異常，看門狗會執(zhí)行復位操作，強制程序重新啟動。因此，看門狗報警表明電子調(diào)速器出現(xiàn)了故障，可能使柴油機速度失控、降低應急柴油機的可用性。

1.3 無輸出或輸出異常

電子調(diào)速器根據(jù)設定的控制算法和參數(shù)，將控制信號輸出至執(zhí)行機構，控制柴油機燃油量，無輸出或輸出異常會直接造成柴油機不可用的嚴重后果。某核電廠的EDG，曾因為電子調(diào)速器輸出異常導致再鑒定試驗時兩次逆功率跳閘。

2 原因分析

2.1 轉(zhuǎn)速輸入異常

導致轉(zhuǎn)速信號輸入異常的原因有多種，如轉(zhuǎn)速測量裝置本身的故障、轉(zhuǎn)速信號電纜的老化或損壞、轉(zhuǎn)速信號電纜的屏蔽線接線不正確、外部電磁干擾等。某電廠使用E19600 型電子調(diào)速器的備用柴油發(fā)電機組曾經(jīng)發(fā)生過因轉(zhuǎn)速信號輸入異常而導致柴油機停機的事故[4]。事故原因分析表明，轉(zhuǎn)速信號電纜的屏蔽線接線錯誤，導致外部電磁場對轉(zhuǎn)速信號產(chǎn)生了干擾，從而使PID 控制算法失效，引起柴油機轉(zhuǎn)速波動。為了防止類似事故的再次發(fā)生，建議采取以下措施：一是完善維修規(guī)程，規(guī)范轉(zhuǎn)速信號電纜的接線方式，確保屏蔽線正確接地；二是制定預防性維修策略，定期檢查和更換轉(zhuǎn)速測量裝置和轉(zhuǎn)速信號電纜，消除故障隱患；三是增加外部電磁干擾的監(jiān)測和防護措施，減少對轉(zhuǎn)速信號的干擾。

2.2 輸出電流異常

PC 機型柴油機執(zhí)行機構的驅(qū)動電流工作范圍為0～0.2 A，PA 機型柴油機執(zhí)行機構的為0～1 A，該電流由電子調(diào)速器的驅(qū)動電路發(fā)出。當PA 機型柴油機正常啟動時電子調(diào)速器驅(qū)動電路的輸出電流與正常數(shù)值相比出現(xiàn)較大偏差，即為無輸出或輸出異常。此類故障在PA 機型柴油機中也較為常見，在實驗室測試臺架測試中也可以復現(xiàn)部分故障。

2.2.1 輸出電流波動

某核電廠PA 機型柴油機中電子調(diào)速器的故障特征是輸出電流波動異常，且不能超過0.877 A。因此，將電子調(diào)速器在常溫條件下斷電靜置4 h，然后接入測試臺架，并用紅外測溫儀測量T1（三極管）的表面溫度。測試結果顯示，T1 的表面溫度快速上升，同時輸出電流逐漸從1.014 A 降至0.877 A 并保持穩(wěn)定。隨著T1 溫度繼續(xù)升高，輸出電流下降得更快。E19600 型電子調(diào)速器驅(qū)動電路原理如圖1 所示。

圖1 電子調(diào)速器驅(qū)動電路原理

為了驗證T1 是否為故障損壞，更換新驅(qū)動板卡后重新進行臺架測試。同時，用紅外測溫儀監(jiān)測T1 的表面溫度。結果顯示，雖然T1 的表面溫度仍然快速上升，但輸出電流穩(wěn)定在1.014 A 的水平（表1）。

表1 電子調(diào)速器輸出電流試驗數(shù)據(jù)

為了進一步分析電子調(diào)速器驅(qū)動電路的故障原因，分段測量試驗用電子調(diào)速器的驅(qū)動板卡上的運算放大器、三極管等元件工作電壓。結果顯示，原驅(qū)動板卡上的T1 后級的工作電壓明顯低于新驅(qū)動板卡上的相應電壓，這會導致輸出電流的降低，也與故障的特征一致，因此故障定位在T1 中。

在測試中通過熱像儀觀察發(fā)現(xiàn)，使用原驅(qū)動板卡和新驅(qū)動板卡時T1 的表面溫度均較高（圖2）。

圖2 工作狀態(tài)下電子調(diào)速器板卡的熱像儀測量

根據(jù)圖2，驅(qū)動板卡T1 的表面溫度升高至63.7 ℃。由于驅(qū)動板卡位于主控制板的下方，其散熱效果受限。此外，在執(zhí)行機構驅(qū)動電流的設計方面，PA 機型采用24 V 的直流電源，高于PC 機型的15 V；運行狀態(tài)方面，PA 機型在柴油機處于熱備用時，電子調(diào)速器也處于帶電備用，而PC 機型的電子調(diào)速器處于不帶電狀態(tài)。這些因素加劇了PA 機電子調(diào)速器驅(qū)動板卡散熱不利的問題，可能會影響驅(qū)動板卡電氣元件的可靠性。

2.2.2 輸出電流偏大

某核電廠EDG 在定期試驗中，出現(xiàn)了啟動失敗的故障，主要現(xiàn)象是：柴油機轉(zhuǎn)速在5 s 內(nèi)不能超過300 r/min，執(zhí)行機構不動作，電子調(diào)速器輸出電流異常。為了分析故障原因，對電子調(diào)速器輸出電流進行監(jiān)測（表2）。

表2 電子調(diào)速器輸出驅(qū)動電流變化情況

從表2 可以看出，啟動成功時，電子調(diào)速器輸出電流隨著轉(zhuǎn)速和油門開度的變化而變化；啟動失敗時，輸出電流基本保持在1 A 以上、無明顯變化。但該故障暫未能在實驗室測試臺架中復現(xiàn)，根據(jù)經(jīng)驗推測故障原因可能是，電源系統(tǒng)的電壓浪涌影響了電子調(diào)速器內(nèi)部的運算放大器U36，導致輸出驅(qū)動電流偏高。

2.2.3 輸出電流無變化

圖3 為E19600 型電子調(diào)速器的局部電路圖。PA型柴油機采用的2231 型執(zhí)行機構是一個感性負載，當24 V 的驅(qū)動電源斷開時，會在執(zhí)行機構兩端產(chǎn)生一個反向電動勢。在早期版本的電子調(diào)速器中，24 V電源的負極連接在K3 開關的下方，即圖中2 號位置。

圖3 電子調(diào)速器局部電路圖

實驗室測試表明，當K2、K3 開關斷開時，只切斷了24 V 電源的負極而正極仍然連通；當K2、K3 開關閉合時，24 V 電源和反向電動勢會同時加在驅(qū)動板的運算放大器U36 上，導致圖3 中的A、B 兩點之間出現(xiàn)一個反向電動勢峰值（高達20 V），可能會損壞運算放大器，使其輸出端對地或?qū)?4 V 電源短路。通過電路仿真軟件分析，運算放大器輸出對地短路和對24 V電源短路兩種情況，都可以模擬出驅(qū)動電流固定為0或1 A 的現(xiàn)象。因此，后期升級的電子調(diào)速器時將24 V電源的負極連接在圖3 中1 號位置，這樣可以保證K2、K3 開關斷開的同時切斷24 V 電源的正極和負極，消除原來設計的缺陷。

2.3 看門狗報警故障分析

根據(jù)歷史故障數(shù)據(jù)，本文將看門狗報警分為隨機故障報警、上電偶發(fā)報警兩類。

2.3.1 隨機故障報警

圖4 是PA 機型柴油機用E19600 型電子調(diào)速器基本工作原理。為了適應PA 機型柴油機使用的2231 型執(zhí)行機構，設計方對E19600 電子調(diào)速器的驅(qū)動電源進行了修改。原來的驅(qū)動電源是24 V 直流電經(jīng)過隔離變壓器轉(zhuǎn)換為15 V 直流電，輸出電流范圍是0～0.2 A。修改后的驅(qū)動電源是直接使用24 V 直流電，輸出電流范圍達到0～1 A。同時，設計方將外部24 V 電源的參考地和內(nèi)部5 V 電源的參考地連接在一起。這樣破壞了原來的電源隔離功能，使得電子調(diào)速器更容易受到電壓沖擊、浪涌等干擾信號的影響，并且影響EEPROM 和CPU的供電穩(wěn)定性，增加了看門狗誤動作報警的可能性。

圖4 E19600 型電子調(diào)速器基本工作原理

在實驗室測試臺架測試中，監(jiān)測EEPROM 芯片U32 的接地引腳，發(fā)現(xiàn)有100～300 mV 的電壓波動。在柴油機的實際運行工況下，該波動有可能會被放大，使CPU、EEPROM、看門狗芯片出現(xiàn)工作不穩(wěn)定的問題。

浪涌模擬裝置模擬測試試驗情況如圖5 所示，中間位置的曲線（紅色）為試驗中模擬24 V 電源受到浪涌干擾，同時在看門狗芯片5 V 電源電壓也監(jiān)測到1個相位相同的干擾（最上面那條曲線），而此時看門狗芯片的WDO 引腳輸出變?yōu)榈碗娖?，看門狗報警出現(xiàn)。

圖5 浪涌模擬裝置模擬測試結果

在看門狗芯片電源電壓波動模擬試驗時發(fā)現(xiàn)，將看門狗芯片5 V 電源電壓降至4.65 V 時，CPU 無狀態(tài)信號發(fā)出，說明此時EEPROM 工作出現(xiàn)異常。同時監(jiān)測看門狗U42 芯片的WDO 引腳，發(fā)現(xiàn)輸出變?yōu)榈碗娖?，看門狗報警出現(xiàn)。由此推斷，24 V 電源和5 V電源共參考地會使隔離電源的保護功能失效，在柴油機運行或備用狀態(tài)下一旦出現(xiàn)較大干擾，電子調(diào)速器EEPROM 的供電電壓降低、EEPROM 進入工作不穩(wěn)定狀態(tài)，影響CPU 讀取校驗值，造成看門狗隨機報警。

由上述分析可以看出，看門狗隨機故障報警的原因為：外電路24 V 電源直接對電子調(diào)速器的驅(qū)動電路供電，并且與5 V 電源共參考地會失去隔離電源的保護功能，進而產(chǎn)生電壓干擾，造成看門狗芯片電壓不穩(wěn)定，隨機出現(xiàn)看門狗報警。將24 V 內(nèi)外部供電進行單獨隔離后，可以解決此問題。

該故障雖不會直接導致柴油機停止工作，但是會使電子調(diào)速器失效，切斷對柴油機轉(zhuǎn)速的自動控制。此時，柴油機只能依靠機械調(diào)速器（執(zhí)行機構）來調(diào)節(jié)開度油門，而機械調(diào)速器由于接收到0 A 信號，會使開度油門保持在最大值，這樣柴油機的啟動時間會大大縮短，從而加快柴油機摩擦副的磨損程度。

2.3.2 上電偶發(fā)報警

電子調(diào)速器上電偶發(fā)看門狗報警故障，可以在實驗室測試臺架上重現(xiàn)：采用可調(diào)穩(wěn)壓電源為電子調(diào)速器提供24 V 的電壓，通過觀察看門狗指示繼電器K2、K3的吸合狀態(tài)，檢測上電后的報警情況。試驗結果顯示，繼電器K2、K3 存在隨機吸合現(xiàn)象，看門狗報警指示燈亮起，表明電子調(diào)速器上電偶發(fā)看門狗報警故障發(fā)生。圖6 是E19600 型電子調(diào)速器看門狗報警電路，其中電路1 是電子調(diào)速器內(nèi)部看門狗電路，電路2 是電子調(diào)速器外部看門狗報警電路。

圖6 看門狗報警電路

圖7 電源上電順序?qū)Ρ仍囼灲Y果

在正常工作狀態(tài)下，CPU 向看門狗芯片發(fā)送持續(xù)脈沖的狀態(tài)監(jiān)測信號，看門狗芯片輸出高電平，使開關管T2 導通，5 V 電路導通，繼電器K1 得電打開（常閉觸點），電路2 不形成閉合回路，看門狗指示繼電器K2、K3 失電無法閉合，不輸出看門狗故障報警。

在看門狗報警狀態(tài)下，如果看門狗芯片超過1.6 s沒有收到脈沖信號或5 V 電源電壓低于4.65 V，看門狗芯片輸出低電平，使開關管T2 截止，繼電器K1 失電閉合（常閉觸點），外部看門狗電路在24 V 電壓作用下形成閉合回路，看門狗指示繼電器K2、K3 得電吸合，觸發(fā)報警。同時K2、K3 繼電器自鎖，自鎖后K1 繼電器即使斷開，報警仍舊存在，通過復位功能可以消除報警。

在實驗室測試臺架測試中發(fā)現(xiàn)5 V 電源和24 V電源上電順序不同也會觸發(fā)看門狗報警，如果5 V 電源先建立不會觸發(fā)看門狗報警，如果24 V 電源先建立則會觸發(fā)看門狗報警，即上電偶發(fā)報警。在24 V 電源兩端跨接大電容后再上電，延長了24 V 電源電壓建立的時間，晚于5 V 電源電壓的建立，此時K2、K3 繼電器沒有吸合，看門狗電路未出現(xiàn)報警。

電子調(diào)速器用的5 V 電壓是通過24 V 電壓轉(zhuǎn)換獲得的，理論上是先有24 V 電源后有5 V 電源。但是在試驗中發(fā)現(xiàn)，5 V 電壓的建立不需要等到24 V 電壓的完全建立，當?shù)恼唠妷狠敵龀^12 V 時5 V 電源電壓即可建立。因此，24 V 電源電壓和5 V 電源電壓建立的順序存在一定隨機性，這也導致電子調(diào)速器上電時偶發(fā)看門狗報警。此問題屬于設計缺陷，可以通過對24 V 電壓跨接電容或延遲上電來解決。

3 結束語

根據(jù)歷史故障統(tǒng)計，PA 機型柴油機中E19600 型電子調(diào)速器的故障發(fā)生概率尤為明顯。通過實驗室測試臺架試驗及分析，調(diào)速系統(tǒng)設計結構不合理是導致電子調(diào)速器故障頻發(fā)的主要原因，主要體現(xiàn)在以下3 個方面：

（1）為使電子調(diào)速器能驅(qū)動2231 型執(zhí)行機構，將外部驅(qū)動電路電源電壓提高至24 V，并且與5 V 電源共參考地，這將會產(chǎn)生電壓干擾，造成看門狗芯片電壓不穩(wěn)定。

（2）由于看門狗電路設計問題，導致電子調(diào)速器內(nèi)部看門狗電路5 V 電壓和外部看門狗電路24 V 電壓建立的順序存在一定隨機性。

（3）因電源設計改變，電子調(diào)速器外部驅(qū)動電路電源電壓提高至24 V，疊加內(nèi)部結構設計不合理且長期處于帶電工作狀態(tài)等因素，導致電子調(diào)速器工作溫度較高，明顯加快了電子元件的老化速度。

由于E19600 型調(diào)速器核心技術受制于國外制造商，一旦發(fā)生重大故障，核電廠人員難以定位故障部件、分析故障原因，只能將設備返廠檢查，這已成為影響EDG 安全穩(wěn)定運行的重大隱患。為了徹底解決該問題，急需開展該設備的國產(chǎn)化研究及應用工作。