作者簡介：唐堂（1996—），男，本科，助理工程師，研究方向為儀控設(shè)備檢驗檢測。

張濤（1987—），男，碩士，高級工程師，研究方向為儀控設(shè)備檢驗檢測。

應(yīng)紅（1987—），男，碩士，高級工程師，研究方向為橡塑材料檢驗檢測。

摘" 要：開關(guān)電源承擔(dān)著對電能進行轉(zhuǎn)換、加工和調(diào)節(jié)的任務(wù)，在核電領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計，單臺CPR1000核電機組的DCS系統(tǒng)含有開關(guān)電源500余塊，其可靠性對電子系統(tǒng)乃至于整個核電機組的運行有著決定性作用，在一定程度上講，開關(guān)電源幾乎可認(rèn)為是電子系統(tǒng)中最重要的部件。隨著核電運行時間增加，部分開關(guān)電源開始進入老化末期，故障頻現(xiàn)。結(jié)合國內(nèi)某核電廠開關(guān)電源的失效案例進行分析，為核電廠開關(guān)電源失效分析過程提供參考。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源" 失效分析" 核電廠" 安全生產(chǎn)

中圖分類號：TL364

Abstract： Switching power supplies undertake the task of converting， processing and regulating electrical energy and are widely used in the field of nuclear power. According to incomplete statistics， the DCS system of a single CPR1000 nuclear power unit contains more than 500 switching power supplies， and their reliability plays a decisive role in the operation of the electronic system and even the entire nuclear power unit. To some extent， switching power supplies can be almost considered the most important components in the electronic system. As the operating time of nuclear power increases， some switching power supplies have begun to enter the late stage of aging with frequent faults. This article analyzes the failure cases of switching power supplies in a domestic nuclear power plant to provide reference for the failure analysis process of switching power supplies in nuclear power plants.

Key Words： Switching power supply; Failure analysis; Nuclear power plant; Safety production

在核電系統(tǒng)中，開關(guān)電源處于系統(tǒng)的上游，當(dāng)其發(fā)生退化時，往往會引起下游組件工作失常。嚴(yán)重狀況下會造成停機停堆等故障，導(dǎo)致較大的經(jīng)濟損失、生產(chǎn)事故。而且開關(guān)電源在大多數(shù)情況下比下游電子系統(tǒng)先發(fā)生退化甚至失效，因此針對故障的開關(guān)電源進行失效分析是十分必要的。失效分析過程主要包含電路原理圖繪制、外觀檢查、X-Ray檢測、上電測試等。本文將對核電廠開關(guān)電源失效分析的關(guān)鍵步驟進行重點介紹，為核電廠開關(guān)電源失效分析過程提供參考[1-2]。

1 電路原理圖繪制分析

送檢故障樣品為Schneider公司生產(chǎn)的TSX-PSY3610M型電源模塊。該產(chǎn)品為PLC的供電單元，可為PLC底板提供5 V、20 V、24 V等直流電壓，該產(chǎn)品運行工況穩(wěn)定，使用時長約3年，無相關(guān)維修歷史。運行環(huán)境良好，無已知的外界不良影響。對送檢故障樣品的局部原理圖進行繪制，理清該電源模塊內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)。樣品整體可拆分為3個部分：“主控制板”“輸出反饋板”與“連接板”。主控制板承擔(dān)了變壓、控制、供電等大部分主要功能，輸出反饋板承擔(dān)將輸出信號反饋給主控制板的控制芯片的功能。

2 板卡及元器件外觀檢查

運用高清工業(yè)電子顯微鏡檢查板卡上電子元器件，高清工業(yè)電子顯微鏡檢查照片如圖1所示。

外觀檢查確認(rèn)板卡表面潔凈，無灰塵，芯片及電阻器、電容器等元器件表面無裂紋、損壞等故障。

3 板卡及元器件X-Ray測試

運用X光透視檢測系統(tǒng)對前放板上元器件進行掃描檢測，結(jié)果如圖2所示。

X-Ray檢測結(jié)果為PWM芯片、PFC芯片、電容器、穩(wěn)壓器等元器件未見可視的短路和斷路故障。

4 上電測試

在實驗室環(huán)境下對送檢故障樣品進行上電測試，可復(fù)現(xiàn)以下兩項故障現(xiàn)象。

（1）接線端常開觸點未閉合，電壓狀態(tài)（OK）燈與電池故障燈熄滅，該電源模塊未安裝電池，電池故障燈應(yīng)處于常亮狀態(tài)，如表1所示。

（2）電源模塊輸出端電壓輸出異常。在實驗室條件下，現(xiàn)場所有故障現(xiàn)象均可復(fù)現(xiàn)。

根據(jù)上電測試可知電源模板故障現(xiàn)象為電壓狀態(tài)指示燈（LED綠色）與電池故障指示燈（LED紅色）一直處于熄滅狀態(tài)，接線端常開觸點未閉合。

在對故障電源模塊上電過程中，電源模塊的電流值迅速達到上限，但是輸入的24 V電壓僅為4.35 V。針對此故障現(xiàn)象，初步懷疑是電源模塊內(nèi)部存在短路點，恒壓源的功率無法滿足電源模塊需求，因此導(dǎo)致輸入電壓達不到24 V。

應(yīng)用示波器對晶閘管Q1的輸入波形進行測量，測量發(fā)現(xiàn)晶閘管Q1輸入端無開關(guān)信號。Q1的開關(guān)信號由PWM芯片的OUT引腳提供，測量PWM芯片的VCC（電壓輸入）引腳，發(fā)現(xiàn)PWM芯片無VCC輸入，PWM芯片的VCC由穩(wěn)壓芯片L7815提供。用萬用表測量穩(wěn)壓芯片L7815的OUT引腳與GND（地）引腳之間的電阻，僅為6 Ω，能與電源模塊內(nèi)部存在短路點的初步懷疑相對應(yīng)。

根據(jù)電源模塊原理圖，電容C9是穩(wěn)壓芯片L7815的輸出濾波電容，結(jié)合元器件的失效概率，電容的失效概率高于穩(wěn)壓芯片，因此將電容C9從電源模塊上取下，再次測量穩(wěn)壓芯片L7815各引腳間的電阻，穩(wěn)壓芯片L7815管間電阻測試結(jié)果如表3所示。

由表2穩(wěn)壓芯片L7815管間電阻測試結(jié)果可知電源模塊的短路點為鉭電解電容C9，更換電容后故障現(xiàn)象消失，開關(guān)電源恢復(fù)正常，因此定位故障為C9鉭電解電容短路。

針對故障電容單獨進行測試，發(fā)現(xiàn)短路現(xiàn)象消失，電容參數(shù)略有下降，應(yīng)為鉭電解電容在焊接與測試過程中自愈。

5 故障鉭電解電容分析

鋁電解電容器存在的所有問題，其根源都是作為負(fù)電極的電解液。固體鉭電解電容器的負(fù)極采用了固態(tài)的二氧化錳。由于是固體，消除了因電解液干涸而導(dǎo)致的電解電容器失效和壽命終了問題，同樣是固態(tài)的負(fù)極也不存在高溫下電解液沸騰的問題和低溫下電解液黏滯而導(dǎo)致的電阻率升高的問題，從而解決了鋁電解電容器在高溫、低溫存在的問題。由于二氧化錳的電阻率僅僅為鋁電解電容器中電解液電阻率的1/10甚至更低，所以鉭電解電容器的 ESR 可以比鋁電解電容器低一個數(shù)量級，使電解電容器的 ESR 問題得到很好的緩解。固體鉭電解電容器基本上由鉭粉（正極）+氧化膜（不能獨立于鉭粉存在）+二氧化錳+銀粉+石墨+環(huán)氧樹脂+引線構(gòu)成。由上述生產(chǎn)過程可以看到，由于固體電解電容器的負(fù)極為二氧化錳，因而失去了鋁電解電容器可以依靠外加直流電壓來修復(fù)介質(zhì)膜的性能，同時電解質(zhì)以及正、負(fù)電極中的雜質(zhì)將繼續(xù)存在，即鉭電解電容器的漏電流的大小在制造出來時就被決定了，不會通過老化或賦能的方式減小。同時，也不會像鋁電解電容器那樣長期置放后漏電流會明顯增加而導(dǎo)致的鋁電解電容器性能的劣化。因此鉭電解電容性能優(yōu)異，因老化而失效的概率較小。

由于鉭的延展性極差，故鈕電解電容器則采用將鉭粉通過燒結(jié)成為多孔化的鉭塊作為陽極，通過將多孔化的鉭塊表面氧化形成五氧化二鉭的絕緣介質(zhì)（相對介質(zhì)系數(shù)27）。如固體鉭電解電容器的陰極是二氧化錳，再將作為陰極的二氧化錳與五氧化二鉭的絕緣介質(zhì)緊密接觸，通過引出電極形成鉭電解電容器。

電解電容器的自愈特性僅僅表現(xiàn)在電解電容器能夠“修復(fù)”電解電容器中的缺陷，這種修復(fù)是以犧牲某些物質(zhì)和電解電容器的性能為代價的。通常，電解電容器的自愈特性僅僅是修復(fù)電解電容器的局部微小的“弱點”，如鋁電解電容器是利用施加電壓將陽極氧化膜的微小缺陷進行陽極氧化，修復(fù)缺陷部分，但是這個過程將消耗掉一部分電解液；而鉭電解電容器和聚合物電解電容器則是消除“弱點”部分的導(dǎo)電通道，這實際上就減小了這兩種電容器的有效電極面積。如果“弱點”極其微小，則對電容量的影響可以忽略不計。而對于重大的缺陷，如高漏電流、擊穿則是無能為力的，因此電解電容器的自愈特性和金屬化電容器一樣，僅僅是去除電容器中的微小“弱點”，不要指望這種自愈特性能夠修復(fù)擊穿的電容器[3]。

很多電解電容器的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊或目錄（樣本）中總是在說電解電容器具有自愈能力，那么什么是自愈能力呢？電解電容器在工作或存儲中，陽極氧化膜的局部會由于某種原因受到破壞，產(chǎn)生一些弱點，使電容器的漏電流增大。但由于電解電容器是以電解質(zhì)作為陰極，因此在外加電壓的作用下，非固體電解質(zhì)能放出氧，在氧化膜破壞處重新形成氧化膜。對于固體電解質(zhì)，由于五氧化二銀介質(zhì)層可能出現(xiàn)的缺陷（如裂縫、其他金屬雜質(zhì)如鎳）而導(dǎo)電或漏電的機會增大，這些五氧化二鉭膜中的裂縫和鎳。“自愈”作用主要是在五氧化二鉭膜的缺陷處流過大電流而產(chǎn)生高熱，使作為陰極的MnO2分解成為高阻的Mn2O3，而將缺陷“堵塞”。鉅聚合物電解電容器的自愈效應(yīng)是在五氧化二鉭膜的缺陷處流過大電流而產(chǎn)生高熱，使缺陷處的導(dǎo)電聚合物被蒸發(fā)，這樣在五氧化二鉭膜的缺陷處就沒有陰極電極，從而切斷了缺陷處的導(dǎo)電通道[4-6]。

6" 結(jié)語

通過高清電子放大鏡目視檢查、X-Ray測試、上電測試等一系列試驗可說明，送檢故障電源模塊故障元器件為鋁電解電容C9。結(jié)合檢測過程推測鋁電解電容C9的故障原因為因個體缺陷導(dǎo)致氧化膜出現(xiàn)局部損傷形成短路，屬個例現(xiàn)象。電廠開關(guān)電源數(shù)量龐大且故障率較高，本文通過實際案例闡述了分析的步驟與方法，對今后同類型工作有著指導(dǎo)借鑒作用。但故障定位只定位到元器件，顆粒度稍顯不足，后續(xù)需要元器件級的失效分析加強研究。

參考文獻

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