棒控系統(tǒng)電源柜PLC電源模塊故障分析

秦洪超

【摘 要】本文針對核電站棒控系統(tǒng)電源柜PLC電源模塊多次出現(xiàn)故障的問題，通過對故障電源模塊檢查診斷，查明了故障的直接原因。并對根本原因進(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： TL351.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 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，通過對控制棒的提升、插入和保持，并監(jiān)視每一束棒束在堆芯的位置，實現(xiàn)反應(yīng)堆的啟停控制，使之穩(wěn)定運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)棒組動作；電源柜接收控制邏輯柜的運行指令，輸出整流后，送往驅(qū)動機構(gòu)磁軛線圈驅(qū)動控制棒動作。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機架將失電，該控制棒組無法動作，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號機組棒控系統(tǒng)多次出現(xiàn)電源柜PLC電源模塊故障，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)電源模塊狀態(tài)指示燈滅，無輸出電壓，多次故障現(xiàn)象一致。

單臺機組棒控系統(tǒng)有16個電源柜，每個電源柜中安裝有一個PLC電源模塊，電源模塊型號為施奈德TSXPSY5520M。1號機組從安裝調(diào)試到機組商運，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號機組共發(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)的正常運行。由于該電源模塊作為唯一的PLC機架電源，故障后會造成整個PLC機架失電，該機柜控制棒組無法動作。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。此時機組如需要進(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PLC電源模塊屬于開關(guān)電源，電源模塊TSXPSY5520有三個子電路板組裝而成，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，有一個或多個二極管被擊穿，相當(dāng)于變壓器的二次側(cè)短路，從而觸發(fā)一次側(cè)的電路過載保護，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

用示波器對整流橋的輸入端電壓進(jìn)行測量，波形如圖2所示，在輸出空載時，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。

該電路采用開環(huán)控制，這就會導(dǎo)致整流橋兩端電壓易受負(fù)載電壓變化的影響而改變，也就是說當(dāng)24V輸出帶載時，整流橋兩端的電壓將會變大。另外，整流橋兩端未設(shè)計RC阻容吸收回路，這也會導(dǎo)致對整流橋回路的保護不足，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)計選型其最大反向擊穿電壓應(yīng)保留一定裕量。對于一般普通負(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)計要求，但小于經(jīng)驗選型值，實測值僅為1.7倍（帶載時裕量更?。?。由于設(shè)計裕量偏小，因此整流橋二極管在承受高頻脈沖沖擊時，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環(huán)控制，并未設(shè)計RC阻容吸收回路，其最大反向擊穿電壓設(shè)計裕量過小，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)計要求，然而依舊造成多次電源模塊故障，由此對電源模塊的故障信息進(jìn)行了統(tǒng)計分析。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，對設(shè)備都會存在不同程度的損傷，尤其是電子元器件。

2）調(diào)試期間需要對電源模塊進(jìn)行多次絕緣測試，每次測試都會對設(shè)備元器件造成一定的損傷。此外，廠房內(nèi)的其他設(shè)備也需要進(jìn)行絕緣等測試，由于電源模塊的地線與機殼的地相通，很容易從地線上引入干擾，進(jìn)而對二極管產(chǎn)生損傷。

3）由于試驗要求經(jīng)常需要對機柜進(jìn)行上電、斷電操作，外部電源也會進(jìn)行多次的通電、斷電，這些瞬態(tài)工況會產(chǎn)生比較大的瞬態(tài)電壓，容易造成元器件的過壓損壞。

由此可見，調(diào)試階段環(huán)境的復(fù)雜性、外界因素的干擾都會導(dǎo)致電源模塊故障的發(fā)生，而且這些因素很多是無法避免的。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，只能通過提高電源模塊自身可靠性來減少故障發(fā)生，方法如下。

1）重新對輸出電路整流橋二極管進(jìn)行換型。優(yōu)點：花費小，方便實施。缺點：新購元器件的性能未經(jīng)過現(xiàn)場實際應(yīng)用考驗，實施后的可靠性需要驗證。

2）在對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：提高電路穩(wěn)定性。缺點：改造難度較大，實施困難，需要考慮模塊內(nèi)部構(gòu)造和其他因素影響。

3）重新選取其他型號的電源模塊進(jìn)行換型。優(yōu)點：產(chǎn)品前期經(jīng)過質(zhì)量驗證，可靠性較高。缺點：花費大，新型號模塊與現(xiàn)有機架的兼容性需要驗證。

目前電站1&2號機組已經(jīng)對該電源模塊進(jìn)行了重新選型，新型號為施耐德TSXPSY3610M。通過對新模塊的兼容性和電氣性能等測試，保證其能夠正常穩(wěn)定運行。于首次大修期間已對其進(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)過載保護，使得輸出失效，是導(dǎo)致故障的直接原因。通過以上分析，可以看出設(shè)備在設(shè)計使用過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組的安全穩(wěn)定運行。另外，新電站安裝調(diào)試階段，應(yīng)加強環(huán)境管理，優(yōu)化測試內(nèi)容，以免對設(shè)備造成不必要的損害。

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