核電DCC系統冗余CPU電源模塊故障分析與技術改進

李 蘇，王 勇，王浩光

（1.山東大學 機械工程學院，山東 濟南 250000；2.中核（上海）供應鏈管理有限公司，上海 200000）

0 引 言

秦山三期核電站的數字控制計算機系統（DCC）電源模塊采用Behlman公司的SSCI-890電源模塊，輸入為90～240 VAC，單相為47～63 Hz。邏輯功率輸出為5 VDC@100 A，可調±10%；存儲器功率輸出為5 VDC@3 A，可調節±10%。該裝置還具有+12 VDC和-12 VDC@1.5 A的輸出。Behlman SSCI-890電源模塊在核電站應用中時常出現電源模塊停止工作、指示燈不亮和跳閘等故障，導致DCC系統下線，且同類故障多次維修后仍然出現。

為找到故障原因，本文首先描述模塊使用背景和故障部位電路，其次提供故障元器件的對比檢測結果和結論，最后根據結論提出設備使用、維護及改進方案，以降低電源模塊故障率。

1 電源模塊介紹

Behlman SSCI-890電源模塊由中間一個控制單元（LRU Controller）和左右兩個電源單元（LRU Power Unit）構成。模塊工作時，由中間控制單元控制兩個可熱插拔、互為冗余的電源單元，且兩個電源單元各有兩個互為冗余、并聯均流[1]的DC/DC模塊。原設計欲提高電源模塊的可靠性，但中間控制單元僅設計一路，導致了非冗余。

Behlman SSCI-890電源模塊結構，如圖1所示。外部輸入首先經過控制單元的總開關，然后分流到兩個電源單元。每個電源單元中，輸入電流經過濾波由AC/DC模塊轉換為380 VDC，之后經過兩個并聯、冗余的DC/DC模塊M1、M2，將電流轉換為+5 VDC。兩個電源單元的+5 VDC并聯，一起向外輸出。同時，電源模塊還提供+12 VDC、-12 VDC的輸出。電源模塊運行過程中，由控制單元監控模塊輸入、電源單元輸出、風扇運行狀況和備用電池運行狀況等共同調節，確保兩個單元中的四個DC/DC模塊以相同的頻率切換，并均等地維持負載電流輸出。電源單元拆卸圖，如圖2所示。

通過電源模塊的設計，可了解其冗余設計思路，即每個電源模塊中有兩個互為冗余的電源模塊，同時每個電源單元中有兩個互為冗余的DC/DC模塊。雖然只有一個控制單元，但與電源模塊相比，控制單元運行功率小，對外無大電流輸出，可靠性更高。本次檢修結果驗證了這一設計思路：故障的兩組電源模塊中，四個電源單元存在故障，兩個控制單元正常。

圖1 Behlman SSCI-890電源模塊結構圖

圖2 電源單元拆卸結構圖

2 維修結果

根據電源模塊的使用與維護歷史數據分析故障現象[2-3]，確認模塊發生了硬件損壞。拆機檢測模塊，檢測過程如下。

（1）外觀檢查。檢查電路板外觀，觀察電路板是否出現人為損壞故障，元器件焊接是否正常，芯片是否出現鼓包、裂口、燒糊和發黑等情況，電源變壓器有無燒糊現象，電路板上保險絲、壓敏電阻、電容等元器件是否有發黑變糊。

（2）靜態對比測試。對比電源模塊的電路原理圖，針對故障情況，使用萬用表測試檢查關鍵元器件，查找故障原因。

（3）動態對比測試。初步分析電源模塊故障后，對電源模塊上電，測試關鍵元器件，并與正常模塊工作時的波形比較，如兩者輸入波形一致而輸出波形不一致，可判定為元器件故障。

四塊電源單元、兩塊控制單元的檢測結果如表1所示。其中，③號單元DC/DC模塊側面有鼓包，④號單元電路板銅箔被燒焦，分別如圖3、圖4所示。

表1 電源模塊維修紀要

圖3 ③號單元DC/DC模塊側面有鼓包

3 始發故障分析

實際使用中，電路失效一般是從單個元器件開始的，繼而引發其他元器件發生故障。拆機維修電源模塊后發現，盡管維修的模塊數量少（兩個控制單元，四個電源單元），模塊故障仍具有共性。

（1）故障的四個單元均為電源單元，兩個控制單元上電測試正常。推測兩個控制單元出現跳閘是因為與控制模塊相連接的電源單元發生了故障，引發控制單元跳閘。同時，該現象證明控制單元的可靠性比電源單元高。

（2）拆機檢測電源單元時，電路板上發現有線路顏色變深的現象，推測該處線路長期有大電流或散熱不足而導致線路老化。老化短時間內不會影響系統運行，但長時間運行條件下需要認真維護或更滑。本次維修中，④號電源單元的銅箔線路燒焦，其他電源單元發現有線路顏色變暗，如圖5方框中所示。

圖5 其他電源模塊的底部電路板

（3）每個電源單元中安裝兩個DC/DC模塊，設置在AC/DC模塊后（AC/DC模塊將輸入電流轉換為380 VDC，DC/DC模塊再將380 VDC轉換為+5 VDC）。拆機維修中發現，①號和③號電源單元的損壞具有一定的相似性。考慮到本電源模塊應用情景特殊，輸入端、輸出端功率產生突變的偶然性較大，同時這兩個電源單元內故障的元器件很少，因此推測失效原因為AC/DC模塊老化。失效過程為：①號電源單元內，DC/DC模塊老化→輸入端過電流→DC/DC模塊輸入端保險絲燒毀→AC/DC輸入端短路→電源模塊跳閘；②號電源單元內，DC/DC模塊老化→DC/DC模塊輸入端短路過電流→DC/DC前保險絲燒毀→另一個DC/DC承擔輸出且輸出正常→控制單元DCOK燈不亮。

（4）電源單元內設有三個風扇進行散熱，其中前置面板處設有兩個風扇，后置面板處設有一個風扇，設計可能考慮到前置面板處進風更順暢。但是，拆機維修中發現，后置面板的風扇比起前置面板的風扇扇葉小，且不被控制單元監控。考慮實際安裝運行中電源單元的尾部向內插入機箱外殼，意味著電源單元的后端比前端更容易積累熱量。文中提到的④號電源，燒焦的電路板銅箔位置就在電源單元的尾部，且不是正對后置面板的風扇。

4 技術改進

分析電源模塊的故障形式發現，電源模塊設計中存在一定的改進空間，且改進是為了提高電源模塊的可靠性[4-8]。

4.1 控制單元

第一，降低控制單元的功耗、電流，如把控制單元的功能分置到電源模塊中；第二，外置為電池充電模塊，提高系統可靠性。

4.2 電源單元

第一，當電源單元中DC/DC模塊一個出現故障、一個工作時，由于電源單元DCOK指示燈采樣點和控制單元DCOK采樣點位置不同，會出現電源單元的DCOK指示燈不亮、控制單元的DCOK指示燈亮的現象（電源單元輸出正常，控制單元顯示正常）。針對這種情況，可加一個指示燈，方便維護人員發現故障。第二，電源單元的后端安裝兩個風扇，同時在兩個前置風扇、兩個后置風扇中設置兩個指示燈，提高電源模塊的散熱效率和系統的可行性。

5 結 論

本電源模塊（電源單元）設計中，DC/DC模塊輸入輸出功率高、電流大，容易發生老化。當負載變動產生電壓沖擊時，DC/DC模塊可能會發生故障。失效模式為輸入端短路時，會過流熔斷保險絲，甚至導致前端的AC/DC模塊故障，電源單元停止運行。

本次維修過程中，DC/DC模塊老化影響了電源模塊的正常供電。盡管電源單元采用冗余配置預防了嚴重后果的產生，但電源單元輸入短路時會連同控制單元跳閘，導致DCC系統掉電，同時增加了DCC系統的維護成本，而電源單元的更換、維修增加了維護人員的負擔。因此，應根據電源模塊的故障形式進行一定的技術改造，提高模塊的可靠性。