棒控棒位系統設備散熱問題的分析及改進

任 潔

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

電子設備的運行實踐表明，電子元件的故障發生率是隨工作溫度的提高而呈指數關系增長的。研究資料也表明：單個半導體元件的溫度升高10℃，系統的可靠性降低50%，這就是“l0℃法則”。因此，在機柜中如何控制內部的溫度，給設備提供良好的運行環境，成為機柜設計及系統穩定運行的關鍵。

如何較好地解決儀控設備散熱是一個非常重要卻又常被忽視的問題。設備只能在一定的溫度范圍內正常工作，當把它們置于機柜中或是封閉環境內工作時，溫度就可能成為一個大問題，一旦設備產生的熱量不能很好地散發，將會影響設備的工作性能、可靠性，導致故障發生。因此，研究有效的降溫方法有助于解決散熱問題。

本文提到的棒控棒位系統是核電站儀控系統的重要

組成部分，由控制棒控制系統和控制棒位置指示系統兩個系統組成，主要用于控制控制棒插入堆芯深度來調節反應堆的功率以及指示控制棒在堆芯的位置。棒控系統電源柜中的電流調節回路以及棒位系統的恒流源部分均是高產熱部件。如果散熱問題不能得到很好地解決，棒控棒位系統的性能將受到很大影響，這必然直接影響核電站安全、可靠、經濟運行。因此，為了棒控棒位系統設備的正常穩定運行，尋求一個良好的散熱解決方案尤為重要。

1 棒控棒位系統設備的散熱方式

目前，棒控棒位系統主要采取3種散熱方式：輻射、傳導和對流[1]。

1.1 輻射

物體通過電磁波傳遞能量的過程稱為輻射，由于熱的原因，物體的內能轉化為以電磁波的能量而進行的輻射過程。棒控棒位系統所有元器件都要通過輻射，將自身熱量散發到空氣中，再由空氣將熱量帶走。

1.2 傳導

傳導是熱量通過物體內部的溫差或兩個物體的直接接觸來傳遞，如：在生活中，傳導是散熱片從電腦CPU獲得熱量的最主要途徑；在工程上，棒控系統的主要發熱源——可控硅，就是靠裝在其后部的散熱片來傳導熱量的，棒位系統恒流源機箱內的3個大功率電阻也是通過裝在散熱片上來傳遞熱量。

1.3 對流

對流是最常用的散熱方法，按散熱成本遞增排列，依次是自然對流和強制對流。

自然對流：自然通風散熱適用于大多數發熱量不大、機箱內部風路通暢的設備。該方法必須保證機箱的頂端和底部有足夠的通風口，促使氣流形成煙筒效應。因為存在大的發熱源，自然對流顯然無法滿足棒控棒位設備的散熱要求，所以統一在所有設備前下方和后上方的通風口，安裝了風扇以加強空氣流通，來達到更好的散熱效果。

強制對流：在自然通風不足的情況下，可通過風扇實施強制對流。與自然對流冷卻相比，強制空氣對流冷卻的換熱量比自然對流和輻射要大10倍左右。因此，能夠大大減小電子設備散熱的表面積。它具有設備簡單、成本低、電子元器件易于更換維修等特點。比如，棒控系統的另一主要發熱源——PLC機架電源和接口電源就是通過裝在機柜前上方和后下方的風扇來進行強制對流的，加上周圍的空間相對開放，散熱效果良好；棒位系統的主要發熱源——恒流源機箱也是依靠此法，但因為空間的限制，機箱與機箱之間，元件與元件之間的布置很緊湊，再加上器件發熱量大，于是原有的強制對流設計不能很好的完成散熱任務，需要進一步考慮更為有效的散熱方法。

2 問題出現及原因分析

2.1 棒控電源柜機箱電源組件故障

2.1.1 故障現象描述

2008年3月14日，主控室出現棒控非緊急故障報警，并且復位成功。故障原因為T3.1保持機箱2號電源故障，后自動消報，故障持續時間359ms。

2008年8月7日，15時12分，主控室出現棒控系統非緊急故障報警，并且無法復位，故障一直存在。故障原因為A1.2的提升機箱1號電源24V失效，后自動消報，故障持續時間33min。

2008年10月2日，17時34分，主控室出現棒控系統非緊急故障報警，并且無法復位，故障一直存在。故障原因為A1.4的傳遞機箱2號電源24V失效。

圖1 電源模塊內部元器件圖Fig.1 Internal component diagram of power module

2008年12月16日，04時44分，主控室出現棒控系統非緊急故障報警，并且無法復位，故障原因為A2.4的保持機箱1號電源連續出現3次故障，后均自動消報。第一次持續時間為18min15s953ms；第二次持續時間為203ms；第3次持續時間為156ms。

2.1.2 故障原因分析

以上4次故障基本相似，均為電源卡件故障，故障最快156ms，最慢33min自動消報；且最終查證4次出現故障的都是卡件內的“24V”DCDC電源模塊導致。

電源卡件內的主要器件為DC/DC模塊，其主要作用是對橋堆整流后的直流電壓再次進行整流、穩壓。此模塊有溫度超范圍自保護的功能，當其工作溫度超出正常工作溫度范圍時，會停止電壓輸出；當溫度恢復至正常范圍后，電壓輸出自行恢復。另外，此模塊也具有過流保護功能。根據故障現象可以確定，電源卡件短時無輸出，且能自行恢復的故障原因很有可能是DC/DC模塊超溫或過流保護導致。由于更換新的電源卡件后此故障不再出現，因而可以排除負載短路造成電源模塊自我保護的可能性，只剩下超溫保護一種可能。在之前的設備維護過程中，已經注意到了電源組件內部的DC/DC模塊發熱量很大，如果散熱不及時，卡件內部溫度不斷升高，將造成DC/DC模塊超溫保護。因此，模塊散熱問題是導致上述故障頻繁出現的根本原因。

如圖2所示，兩個緊挨放置的電源卡件，它們只有靠卡件框上的細小通風孔和機箱上的通風口來散熱，加上機箱的通風口位置有限，無法對最右側的電源卡件形成有效的通風通道，而且機箱在機柜中采用層疊放置，機箱之間上下間隙很小。因此，更不利于卡件內部熱量排出。

圖2 棒控電源柜電源模塊示意圖Fig.2 Diagram of power module of rod control power supply cabinet

圖3 DC/DC模塊紅外線溫度示意圖Fig.3 Infrared temperature diagram of DC/DC module

另外，考慮到機柜通風采用下進上出的設計，卡件內部熱空氣會往上流動，所以會造成一塊卡件內部的兩個DC/DC模塊中位于上方的模塊比其下方模塊偏熱的現象。為了驗證推測的正確性，對運行一段時間后的電源模塊進行了紅外線溫度測量，如圖3所示，位于卡件上部的DC/DC模塊A1表面最高溫度達到58.6℃，位于卡件下部的DC/DC模塊A2表面最高溫度為53.8℃，且上部模塊的平均溫度要高于下部模塊的平均溫度。因此，如果同一卡件內的兩個DC/DC模塊在不考慮其模塊本身性能差異的情況下，由于卡件散熱不及時，造成模塊溫度持續升高，必然是位于上部的模塊先出現超溫保護，這便可以解釋為什么同一卡件內部總是位于上部的模塊先出現故障。

由以上分析，可以確定電源組件故障的直接原因是其內部DC/DC模塊自我保護所致，其根本原因是卡件內部散熱不暢，導致DC/DC模塊工作溫度超出其正常工作范圍而輸出保護。

2.2 棒位恒流源機柜散熱需改善

2.2.1 問題現象描述自從R10棒控棒位系統改造后，在日常棒位系統維護過程中發現恒流源機箱發熱量很大，在機柜自身的散熱方式下（采用與棒控系統相似的通風設計，前下方進風，后上方出風），機箱運行期間的溫度一直維持在比較高的水平，雖然不影響設備的正常運行，但考慮到長期高溫會對設備的正常運行及其壽命產生影響。因此，恒流源機柜的散熱問題必須得到改善。

2.2.2 問題原因分析

由于每個恒流源機箱有5套恒流源電路，如圖8（從上方拍攝）所示，每套恒流源電路中有3個大功率電阻（分別為2個50W和1個10W，這3個大功率電阻都裝在同一塊散熱片上），也就是說一個機箱中有15個大功率電阻，其發熱量之大可想而知，也正是因為如此大的發熱量才使得散熱片涂層揮發。

棒位機柜在最初的機柜設計時，考慮到散熱問題，給發熱量大的3個電阻安裝了散熱片，機箱上、下均采用框架結構，盡可能地增加通風量，采取了機柜前下部進風，后上部出風的通風模式，在機柜前下方和后上方安裝了風扇，可是因為空間的限制，機箱與機箱之間，元件與元件之間的布置很緊湊，再加上器件發熱量大，于是原有的通風設計不能很好地完成散熱任務，另外，棒位機柜后方安裝有兩臺大功率空調（用于廠房溫度控制），其風口正對著棒位機柜的出風口，這也在一定程度上導致了風路不通暢，影響了熱量排出。

散熱是影響電力電子設備可靠性的一個重要因素[2]，一般電子元器件的工作溫度都有一定限制，功率耗散會造成器件內部芯片溫度上升, 超過允許溫度時，器件性能將顯著下降, 不能穩定工作。器件的失效率與溫度成指數關系,性能隨溫度升高而降低。研究表明：器件工作溫度每升高10℃, 失效率增加1倍。尤其是對于大功率器件, 其功率密度高, 發熱量大, 必須采用更為有效的散熱措施。以上棒控系統由于散熱問題導致的電源組件故障和棒位系統恒流源機柜散熱效果不理想的問題急需進行解決。

3 散熱問題改善和解決

3.1 棒控電源組件散熱問題解決方案

對于目前電源卡件由于散熱問題導致電源輸出故障的現象，其主要原因還是在于卡件位置過于緊湊，不能形成有效的風道所致。如果采用機柜加裝風扇的方法，盡管增加了機柜的通風量，但因為機箱卡件內部的風道不暢，依然無法從根本上解決卡件內部散熱效果差的問題，此方法效果非常有限。另外，機柜頂部有380V電源銅牌，底部是電纜通道，也沒有安裝風扇的位置。因此，要想在不動機柜整體結構的情況下，只有將DC/DC模塊的熱量從卡件內部導出，才能從根本上解決散熱問題。

圖4 恒流源柜CP5073風路示意圖Fig.4 Schematic diagram of CP5073 wind Road of constant current source cabinet

對于如何才能把DC/DC模塊的熱量有效地傳遞出來的問題，相關人員進行了大量的調研、借鑒和設計，但都因為卡件、機柜自身空間小無法有效實施。最終在綜合了實施空間有限、機柜和卡件結構不宜過多改動和改造后不影響系統原有安全、穩定等因素后，制定出了一套合理的改進方案：給DC/DC模塊加裝散熱片，并將其與卡件框架相連，一方面增加模塊的散熱面積；另一方面，可以通過散熱片把模塊的熱量傳遞到卡件金屬框上，而卡件安裝在機箱內，其框架又與機箱框架相連，機箱金屬外殼處在相對開放的空間，空氣流動相對順暢。因此，便實現了模塊熱量由內而外的傳遞，相當于把卡件和機箱外殼作為了“散熱片”。

因為卡件內部空間有限，無法使用目前市面上的成品的散熱片，需要自行設計加工。散熱片的安裝，須盡可能少的對卡件原有框架進行改造，安裝方式盡可能簡單。因為一旦工序復雜，一方面很難在大修這么短的時間內完成250多塊電源組件的施工（包括備件）；另一方面工序的繁多會增加對卡件原有電子器件造成損害的可能性。散熱片材料的選擇，最終確定用鋁片來作為散熱片，因為它相對銅和其他合金材料，導熱性能較好，價格低廉，而且具有良好的金屬切削性，非常適合做散熱片用。

3.2 棒位系統散熱問題解決方案

3.2.1 恒流源機柜頂部加裝軸流風扇

對于目前棒位系統出現的散熱問題，一開始采取了打開機柜門增強散熱的措施，但是效果不大理想，且不利于系統運行安全，所以必須找到更為可行的方法。

恒流源機柜從出廠設計，每層機箱的布置就比較緊湊，機柜內組件布局緊湊，CP5073、CP5074僅在機箱間各安裝了一層（兩臺）風扇，無法再在機箱之間安裝風扇（如圖4所示）。恒流源柜采取的是較為普遍的前下部進風，后上部出風的對流模式，由于機柜尺寸的限制，機柜中的最上層機箱緊挨著柜頂，無法與機柜后部的出風風扇形成良好風道，大部分的冷風進入柜內后，都從機柜后側的開放空間直接向上排出出風口，由于最上層機箱離柜頂較近的緣故，機箱內的風道不是很通暢。因此，為了增大機柜機箱內部風道的通風量，決定在兩個恒流源柜頂部（機箱正上方），安裝風扇增加通風量。

2010年7月，R12大修過程中，先實施了臨時變更：在每個恒流源柜頂部（恒流源機箱上方）臨時增加兩臺風扇，分別對恒流源通電2h，4h，24h，32.5h，49.5h后的溫度進行了測量，通過溫度測量，發現機柜頂部增加風扇后降溫效果明顯。

為了達到更好的通風效果及便于以后運行期間拆卸維護，特申請了永久變更，重新設計了柜頂風扇的安裝方式，并將風扇數量增加到每個柜子4臺。方案實施完成后，又進行了溫度測量，加裝4臺風扇后對機柜的降溫效果最多達到22.7℃。由此可見，在恒流源柜頂加裝風扇可有效改善機柜散熱問題。

3.2.2 降低恒流源電流

由于棒位恒流源柜發熱量大的根源是恒流源電流輸出回路中的大功率電阻，其發熱量與其自身的電阻值成正比關系，與輸出電流的大小成平方正比關系。要從根本上解決恒流源發熱量大的問題，只能降低電阻值和輸出電流值，但是回路中大功率電阻值的改變將直接影響到整個回路電流輸出值的調節范圍。因此，通過降低大功率電阻的電阻值來降低其發熱量的方法不可取，只能考慮合理地降低其輸出電流的大小，來降低其發熱量。

如圖5可以看到：R1=10Ω，R2=33Ω，R3=33Ω，電位器RP1的可調范圍為5Ω～15Ω。冷態時，恒流源的負載阻值R大約10Ω左右（棒位探測器初級線圈的阻值為6.3Ω左右，再加上約3.4Ω線阻）；熱態時，根據實際測量數據，負載阻值約在13Ω左右，因此：

如果變壓器接在“70V”檔位，則理論上，恒流源的輸出電流調節范圍在673mA～745mA。據此，R10棒控棒位改造后，將恒流源供棒位探測器初級線圈的電流設定為700mA。

圖5 恒流源電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of constant current source circuit

表1 降低恒流源電流前后溫度對照表Table 1 Temperature comparison table before and after reducing constant current source

但是正常運行期間，由于電路中的大功率電阻和負載（棒位探測器初級線圈）的溫度升高，其電阻值也會增大。因此，實際測量的恒流源機箱輸出電流調節范圍在630mA～730mA，如果將恒流源輸出電流從700mA降到650mA，根據熱量計算公式：

恒流源電流從700mA降到650mA，恒流源機箱的發熱量可減小13.8%。于是做了試驗對比，電流降低前后溫度變化見表1。

從表1可以看出，降低恒流源電流后，恒流源機箱表面溫度最多降低了7.9℃，效果還是比較明顯的。

圖6 降低電流前后次級線圈感應信號波形圖Fig.6 Waveform diagram of secondary coil inductive signal before and after reducing current

由于恒流源供棒位探測器初級線圈電流大小，直接關系到次級線圈感應電動勢信號強弱以及后續棒位信號處理的可判定性，如果初級線圈電流太小，將導致次級線圈感應電動勢信號微弱，抗干擾能力下降，無法正確進行后續信號高、低電平判斷，影響棒位指示的準確性。考慮到上述恒流源輸出電流減小的影響，對電流變化前后，控制棒從0步到280步的行程中棒位探測器次級線圈的感應信號，用8841數字記錄儀進行了記錄比較，整形后波形圖如圖6所示。

從以上比較可以看出，降低棒位探測器初級線圈電流后，次級線圈的感應信號只是在電壓幅值上有略微減小（比如，A位在700mA時測得峰峰值為1.25V，650mA時測得電壓峰峰值為1.15V，即初級線圈降低電流前后，次級線圈A位感應信號降低了0.1V），高低電平之間的轉換還是比較清晰的，理論上對最終的棒位指示性能影響不大。

為了進一步驗證減小恒流源電路的可實施性，在恒流源電流減小至650mA后，特意將其中一束棒的格雷碼整定值重新進行了設定，經過多次棒全行程的行走試驗，發現實測棒位顯示正常，滿足設備性能要求。最終，在R13大修中將所有恒流源的輸出電流從700mA減小至650mA，投入運行后至今設備運行良好。