秦洪超
【摘 要】本文針對(duì)核電站棒控系統(tǒng)電源柜PLC電源模塊多次出現(xiàn)故障的問(wèn)題,通過(guò)對(duì)故障電源模塊檢查診斷,查明了故障的直接原因。并對(duì)根本原因進(jìn)行了深入剖析,最終提出了改進(jìn)建議和解決方案,對(duì)其他電站在設(shè)備的選型和調(diào)試有重要的借鑒作用。
【關(guān)鍵詞】棒控系統(tǒng);電源模塊;整流電路;二極管
中圖分類號(hào): TL351.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 2095-2457(2018)05-0202-002
0 引言
棒控系統(tǒng)是控制反應(yīng)堆堆芯反應(yīng)性和中子注量率的重要方式,通過(guò)對(duì)控制棒的提升、插入和保持,并監(jiān)視每一束棒束在堆芯的位置,實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的啟??刂?,使之穩(wěn)定運(yùn)行在某一功率水平下。
棒控系統(tǒng)控制設(shè)備主要包括邏輯柜和電源柜。邏輯柜完成總的管理和協(xié)調(diào),經(jīng)邏輯單元處理后發(fā)出指令使相應(yīng)棒組動(dòng)作;電源柜接收控制邏輯柜的運(yùn)行指令,輸出整流后,送往驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)磁軛線圈驅(qū)動(dòng)控制棒動(dòng)作。電源柜控制電源由220V兩路供電,轉(zhuǎn)化24V直流后供給PLC的電源模塊。如果模塊故障,則PLC機(jī)架將失電,該控制棒組無(wú)法動(dòng)作,失去參與反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)功能。
1 故障描述
電站1&2號(hào)機(jī)組棒控系統(tǒng)多次出現(xiàn)電源柜PLC電源模塊故障,現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)電源模塊狀態(tài)指示燈滅,無(wú)輸出電壓,多次故障現(xiàn)象一致。
單臺(tái)機(jī)組棒控系統(tǒng)有16個(gè)電源柜,每個(gè)電源柜中安裝有一個(gè)PLC電源模塊,電源模塊型號(hào)為施奈德TSXPSY5520M。1號(hào)機(jī)組從安裝調(diào)試到機(jī)組商運(yùn),再到首次大修,期間共發(fā)生11例電源模塊故障,占設(shè)備總量的68.75%;2號(hào)機(jī)組共發(fā)生7例電源模塊故障,占設(shè)備總量的43.75%。
多次電源模塊故障,嚴(yán)重影響了棒控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。由于該電源模塊作為唯一的PLC機(jī)架電源,故障后會(huì)造成整個(gè)PLC機(jī)架失電,該機(jī)柜控制棒組無(wú)法動(dòng)作。如果此故障發(fā)生在溫度控制棒或功率控制棒組,則在此故障期間,該功能棒組將失去溫度和功率控制功能。此時(shí)機(jī)組如需要進(jìn)行瞬態(tài)功率調(diào)整,則很可能由于其他棒組或其他反應(yīng)堆控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)裕度不夠,而造成意外停堆或其他事件。
2 故障定位
該型號(hào)PLC電源模塊屬于開(kāi)關(guān)電源,電源模塊TSXPSY5520有三個(gè)子電路板組裝而成,具體如下:
輸入母板,主要電路有輸入整流和濾波、功率開(kāi)關(guān)、控制器、逆變升壓等。
輸出子板,主要電路有變壓器、輸出整流和濾波。
接口子板,主要電路為24V/5V輸出和通訊的接口。
經(jīng)檢查輸出子板的橋式整流電路(如圖1所示),發(fā)現(xiàn)輸出整流橋的二極管VD1/2/3/4中,有一個(gè)或多個(gè)二極管被擊穿,相當(dāng)于變壓器的二次側(cè)短路,從而觸發(fā)一次側(cè)的電路過(guò)載保護(hù),導(dǎo)致電源模塊失效,輸出為0。
因此,整流二極管受損就是產(chǎn)生電源模塊故障的直接原因。經(jīng)過(guò)多次檢查確認(rèn),所有電源模塊的故障原因一致。
3 原因分析
針對(duì)所有電源模塊均由整流二極管被擊穿而導(dǎo)致失效的故障現(xiàn)象進(jìn)行如下分析。
3.1 自身因素
用示波器對(duì)整流橋的輸入端電壓進(jìn)行測(cè)量,波形如圖2所示,在輸出空載時(shí),整流橋兩端的電壓為59V。根據(jù)橋式整流電路原理,整流二極管所承受的最大反向電壓URM等于交流輸入電壓的峰值電壓,即URM=u=59V。
該電路采用開(kāi)環(huán)控制,這就會(huì)導(dǎo)致整流橋兩端電壓易受負(fù)載電壓變化的影響而改變,也就是說(shuō)當(dāng)24V輸出帶載時(shí),整流橋兩端的電壓將會(huì)變大。另外,整流橋兩端未設(shè)計(jì)RC阻容吸收回路,這也會(huì)導(dǎo)致對(duì)整流橋回路的保護(hù)不足,易受到尖峰浪涌的影響。
電路中采用的肖特基二極管用于高頻整流,設(shè)計(jì)選型其最大反向擊穿電壓應(yīng)保留一定裕量。對(duì)于一般普通負(fù)載,反向擊穿電壓應(yīng)至少大于最高反向工作電壓的2倍,對(duì)于感性負(fù)載選擇應(yīng)更大。此電源模塊選用的二極管型號(hào)為SB5100,其參數(shù)如表1所示。
從表1可以看出SB5100最大反向擊穿電壓為100V,雖然滿足了肖特基二極管的最小反向阻斷設(shè)計(jì)要求,但小于經(jīng)驗(yàn)選型值,實(shí)測(cè)值僅為1.7倍(帶載時(shí)裕量更?。S捎谠O(shè)計(jì)裕量偏小,因此整流橋二極管在承受高頻脈沖沖擊時(shí),容易造成損壞。
綜上所述,該電源模塊的24V輸出電流電路采用開(kāi)環(huán)控制,并未設(shè)計(jì)RC阻容吸收回路,其最大反向擊穿電壓設(shè)計(jì)裕量過(guò)小,故出現(xiàn)二極管損壞故障。
3.2 外部因素
雖然整流電路存在自身因素的不足,但滿足設(shè)計(jì)要求,然而依舊造成多次電源模塊故障,由此對(duì)電源模塊的故障信息進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。如表2所示:
從表2中可以看出,電源模塊故障多發(fā)生在安裝調(diào)試階段。原因分析如下。
1)調(diào)試階段廠房環(huán)境較差,溫度、濕度、灰塵等很難達(dá)到相應(yīng)的要求。在這樣的環(huán)境下,對(duì)設(shè)備都會(huì)存在不同程度的損傷,尤其是電子元器件。
2)調(diào)試期間需要對(duì)電源模塊進(jìn)行多次絕緣測(cè)試,每次測(cè)試都會(huì)對(duì)設(shè)備元器件造成一定的損傷。此外,廠房?jī)?nèi)的其他設(shè)備也需要進(jìn)行絕緣等測(cè)試,由于電源模塊的地線與機(jī)殼的地相通,很容易從地線上引入干擾,進(jìn)而對(duì)二極管產(chǎn)生損傷。
3)由于試驗(yàn)要求經(jīng)常需要對(duì)機(jī)柜進(jìn)行上電、斷電操作,外部電源也會(huì)進(jìn)行多次的通電、斷電,這些瞬態(tài)工況會(huì)產(chǎn)生比較大的瞬態(tài)電壓,容易造成元器件的過(guò)壓損壞。
由此可見(jiàn),調(diào)試階段環(huán)境的復(fù)雜性、外界因素的干擾都會(huì)導(dǎo)致電源模塊故障的發(fā)生,而且這些因素很多是無(wú)法避免的。這也就解釋了為什么調(diào)試階段故障率高,而正常運(yùn)行階段故障率低的現(xiàn)象。
4 改進(jìn)措施
由于電源柜的電源模塊并未采用冗余設(shè)計(jì),只能通過(guò)提高電源模塊自身可靠性來(lái)減少故障發(fā)生,方法如下。
1)重新對(duì)輸出電路整流橋二極管進(jìn)行換型。優(yōu)點(diǎn):花費(fèi)小,方便實(shí)施。缺點(diǎn):新購(gòu)元器件的性能未經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用考驗(yàn),實(shí)施后的可靠性需要驗(yàn)證。
2)在對(duì)整流橋二極管重新選型的基礎(chǔ)上,在輸出電路整流橋兩端增加阻容吸收回路,吸收尖峰電壓,防止浪涌的影響。優(yōu)點(diǎn):提高電路穩(wěn)定性。缺點(diǎn):改造難度較大,實(shí)施困難,需要考慮模塊內(nèi)部構(gòu)造和其他因素影響。
3)重新選取其他型號(hào)的電源模塊進(jìn)行換型。優(yōu)點(diǎn):產(chǎn)品前期經(jīng)過(guò)質(zhì)量驗(yàn)證,可靠性較高。缺點(diǎn):花費(fèi)大,新型號(hào)模塊與現(xiàn)有機(jī)架的兼容性需要驗(yàn)證。
目前電站1&2號(hào)機(jī)組已經(jīng)對(duì)該電源模塊進(jìn)行了重新選型,新型號(hào)為施耐德TSXPSY3610M。通過(guò)對(duì)新模塊的兼容性和電氣性能等測(cè)試,保證其能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行。于首次大修期間已對(duì)其進(jìn)行更換,至今未再出現(xiàn)由二極管損壞而導(dǎo)致電源模塊故障的發(fā)生。
5 結(jié)論
棒控系統(tǒng)電源柜PLC電源模塊24V輸出電路中的整流二極管被擊穿,導(dǎo)致其回路觸發(fā)過(guò)載保護(hù),使得輸出失效,是導(dǎo)致故障的直接原因。通過(guò)以上分析,可以看出設(shè)備在設(shè)計(jì)使用過(guò)程中元器件選型的重要性,尤其是重要系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵部件,其性能的好壞直接影響著機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。另外,新電站安裝調(diào)試階段,應(yīng)加強(qiáng)環(huán)境管理,優(yōu)化測(cè)試內(nèi)容,以免對(duì)設(shè)備造成不必要的損害。
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