棒控系統電源柜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電源柜PLC電源模塊多次出現故障的問題，通過對故障電源模塊檢查診斷，查明了故障的直接原因。并對根本原因進行了深入剖析，最終提出了改進建議和解決方案，對其他電站在設備的選型和調試有重要的借鑒作用。

【關鍵詞】棒控系統；電源模塊；整流電路；二極管

中圖分類號： TL351.5 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）05-0202-002

0 引言

棒控系統是控制反應堆堆芯反應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，并監視每一束棒束在堆芯的位置，實現反應堆的啟?？刂?，使之穩定運行在某一功率水平下。

棒控系統控制設備主要包括邏輯柜和電源柜。邏輯柜完成總的管理和協調，經邏輯單元處理后發出指令使相應棒組動作；電源柜接收控制邏輯柜的運行指令，輸出整流后，送往驅動機構磁軛線圈驅動控制棒動作。電源柜控制電源由220V兩路供電，轉化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，失去參與反應堆功率調節功能。

1 故障描述

電站1&2號機組棒控系統多次出現電源柜PLC電源模塊故障，現場檢查發現電源模塊狀態指示燈滅，無輸出電壓，多次故障現象一致。

單臺機組棒控系統有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號機組從安裝調試到機組商運，再到首次大修，期間共發生11例電源模塊故障，占設備總量的68.75%；2號機組共發生7例電源模塊故障，占設備總量的43.75%。

多次電源模塊故障，嚴重影響了棒控系統的正常運行。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。此時機組如需要進行瞬態功率調整，則很可能由于其他棒組或其他反應堆控制系統調節裕度不夠，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、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。

經檢查輸出子板的橋式整流電路（如圖1所示），發現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，相當于變壓器的二次側短路，從而觸發一次側的電路過載保護，導致電源模塊失效，輸出為0。

因此，整流二極管受損就是產生電源模塊故障的直接原因。經過多次檢查確認，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致失效的故障現象進行如下分析。

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。

該電路采用開環控制，這就會導致整流橋兩端電壓易受負載電壓變化的影響而改變，也就是說當24V輸出帶載時，整流橋兩端的電壓將會變大。另外，整流橋兩端未設計RC阻容吸收回路，這也會導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，設計選型其最大反向擊穿電壓應保留一定裕量。對于一般普通負載，反向擊穿電壓應至少大于最高反向工作電壓的2倍，對于感性負載選擇應更大。此電源模塊選用的二極管型號為SB5100，其參數如表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計要求，但小于經驗選型值，實測值僅為1.7倍（帶載時裕量更?。?。由于設計裕量偏小，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控制，并未設計RC阻容吸收回路，其最大反向擊穿電壓設計裕量過小，故出現二極管損壞故障。

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行了統計分析。如表2所示：

從表2中可以看出，電源模塊故障多發生在安裝調試階段。原因分析如下。

1）調試階段廠房環境較差，溫度、濕度、灰塵等很難達到相應的要求。在這樣的環境下，對設備都會存在不同程度的損傷，尤其是電子元器件。

2）調試期間需要對電源模塊進行多次絕緣測試，每次測試都會對設備元器件造成一定的損傷。此外，廠房內的其他設備也需要進行絕緣等測試，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，進而對二極管產生損傷。

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

由此可見，調試階段環境的復雜性、外界因素的干擾都會導致電源模塊故障的發生，而且這些因素很多是無法避免的。這也就解釋了為什么調試階段故障率高，而正常運行階段故障率低的現象。

4 改進措施

由于電源柜的電源模塊并未采用冗余設計，只能通過提高電源模塊自身可靠性來減少故障發生，方法如下。

1）重新對輸出電路整流橋二極管進行換型。優點：花費小，方便實施。缺點：新購元器件的性能未經過現場實際應用考驗，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。優點：提高電路穩定性。缺點：改造難度較大，實施困難，需要考慮模塊內部構造和其他因素影響。

3）重新選取其他型號的電源模塊進行換型。優點：產品前期經過質量驗證，可靠性較高。缺點：花費大，新型號模塊與現有機架的兼容性需要驗證。

目前電站1&2號機組已經對該電源模塊進行了重新選型，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，保證其能夠正常穩定運行。于首次大修期間已對其進行更換，至今未再出現由二極管損壞而導致電源模塊故障的發生。

5 結論

棒控系統電源柜PLC電源模塊24V輸出電路中的整流二極管被擊穿，導致其回路觸發過載保護，使得輸出失效，是導致故障的直接原因。通過以上分析，可以看出設備在設計使用過程中元器件選型的重要性，尤其是重要系統中的一些關鍵部件，其性能的好壞直接影響著機組的安全穩定運行。另外，新電站安裝調試階段，應加強環境管理，優化測試內容，以免對設備造成不必要的損害。

【參考文獻】

[1]《方家山RGL系統手冊》中國核電工程公司.

[2]劉蘊陶.電工電子技術[M].北京：高等教育出版社，2014.

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