HFETRC棒控系統故障處理與分析

江易蔚，王 雷，蔣 波，何佳謙，張先萌

（中國核動力研究設計院 第一研究所，成都 610213）

目前，在建某試驗堆計劃在高通量工程試驗堆臨界裝置（HFETRC）上開展堆芯臨界物理試驗。針對臨界物理試驗的內容及要求，必須對HFETRC 棒控系統進行控制棒組件、堆芯孔道布置、安全棒數量以及掉棒時間測量方式等進行改造。

本文針對棒控系統改造后頻繁調試中出現的故障進行排查、處理，對故障原因進行分析并提出預防措施。

1 HFETRC棒控系統組成及原理

HFETRC 棒控系統用于對安全棒、手動棒的升降控制。系統由低壓電源、X 環節、安全聯鎖、控制條件、棒控邏輯、電機驅動等插件組成。其組成框如圖1 所示。

圖1 HFETRC棒控系統組成框圖Fig.1 Composition diagram of HFETRC rod control system

HFETRC 棒控系統是帶有反饋環節的閉環控制系統，輸入信號經過放大、移相和選通電路，給出上升或下降信號來控制可控硅的導通角，以此來控制電機的方向和轉速。測速反饋環節將速度負反饋信號和輸入信號進行比較，根據誤差信號的大小來控制電機的速度，使電機的速度趨于定值。

2 棒控系統故障現象與處理

本次棒控系統經過改造后，控制棒重量長度、堆芯布置以及安全棒數量與以往不同，頻繁通斷電調試后系統出現的故障或問題現象分為以下幾類：

2.1 邏輯插件頂部燈/底部燈故障

故障分析：由棒控邏輯電路圖可知，邏輯插件到頂/底部燈分別由頂部行程開關和底部行程開關信號，通過光耦轉換為電平信號，然后經過邏輯芯片進行邏輯運算后再通過達林頓管驅動。由于故障不影響提升下降信號，所以故障點應該為邏輯芯片和達林頓管。

檢查方法：排查故障原因只需要測量芯片輸入輸出角的電壓是否符合邏輯關系，就能發現故障芯片進行維修更換。

2.2 無法正常手動提升（下降 ）/自動提升

故障分析：由圖1 可知，棒控系統是由控制臺開關控制，邏輯電路進行邏輯運算與放大，調速電路進行移相選通（移相電路也在邏輯插件中），最后得到的上升或下降信號控制驅動電路的可控硅導通角，由此控制電機的轉動方向和轉速。因此，無法提升下降或者自動提升可能的故障點是棒控邏輯電路、棒控調速電路、驅動電路3 個電路中。

檢查方法：

1）在測試機柜上，發送提升下降信號，使用萬用表測量邏輯電路提升下降測點，判斷邏輯運算電路輸出是否正常，就能發現故障芯片進行維修更換。

2）若提升下降測點輸出正常，需進一步測試棒控邏輯的調速電路，調速電路由速度控制電壓電路，檢查過程中，使用示波器測量調速電路的輸出波形，如未測得輸出脈沖，就可判定出器件損壞，更換既可排除故障。

表1 HFETRC棒控系統故障列表Table 1 Fault list of HFETRC rod control system

3）如果在驅動電路測點未測得脈沖信號，由電路分析可判斷是脈沖變壓器或MOS 管損壞。測量脈沖變壓器或MOS 管損壞的離線電阻既可判斷元器件是否故障。

2.3 掉棒時間自動計數

故障分析：由棒控邏輯電路圖可知，控制棒頂部底部行程開關都是常閉開關，當觸發停堆保護信號時控制棒離頂邏輯插件送出高電平信號，控制棒到底時高電平信號被拉低。掉棒時間測量自動計數并且計數不停止，說明在棒控邏輯插件插入時，掉棒時間這個輸出點產生了從低電平到高電平的上升沿。

檢查方法：排查故障應從掉棒時間這一條邏輯通路上測試邏輯芯片工作是否正常。

3 故障原因分析及風險預防措施

電子元器件可靠性壽命周期的典型失效分布符合浴盆曲線規律可劃分為三期：早期失效期、隨機（偶然）失效期、損耗失效期。經分析，符合HFETRC 棒控系統電子元器件失效的原因有以下幾點：

3.1 損耗失效

1）老化失效

由于HFETRC 棒控系統已停用多年，所在地區濕度溫度也較高。高溫高濕度的同時作用，會加速金屬件的腐蝕和絕緣材料的老化。對半導體器件，如果水汽滲透進管芯，還會引起電參數的變化[3]。棒控系統中損壞的二極管、邏輯芯片與功率器件都有可能是該原因造成。

2）使用損耗

圖2 電機驅動開關緩沖吸收電路Fig.2 Buffer absorption circuit of motor driven switch

圖3 HFETRC控制棒落棒時間測量原理圖Fig.3 Principle diagram of hfetrc control rod drop time measurement

因變壓器只能是在原邊開關管導通期間儲存能量，當它截止時才向負載釋放能量，故高頻變壓器在開關管在開關工作過程中，既起變壓隔離作用，又是電感儲能元件。在多次的開關過程中，變壓器和MOS 管的性能逐漸降低。當開關管導通時，能量存儲在變壓器初級繞組的電感量Lp和漏感量Llk 中，當開關管關閉時，Lp 中的能量轉移到副邊輸出了[2]。但由于前端提升下降頻率為100KHz，漏感隨著頻率增大而增大，漏感Llk 中的大部分能量雖然在RCD緩沖回路的作用下轉移到RCD 箝位電路中，可仍對變壓器以及MOS 管有著一定的電應力沖擊損耗減少其使用壽命[2]如圖2 所示。HFETRC 棒控系統經過改造后需要對系統狀態進行全面的檢查，需要頻繁的提升下降試驗，頻繁的試驗加速了脈沖變壓器T1/T2 以及MOS 開關管的使用損耗，使得其損壞概率增大。

3.2 隨機失效

1）上電順序錯誤引起的失效

由于棒控系統的邏輯電路以及調速等電路中的邏輯門電路，在上電的瞬間狀態不確定輸出為X（0 或1），可能會導致觸發產生提升或下降信號，使得驅動電路中MOS 開關管導通，直流輸入電壓24VDC 加在了變壓器原邊與MOS開關管兩端如圖2 所示。正常情況下的提升或下降信號的觸發脈沖，其頻率為100KHz，脈寬5uS。上電瞬間觸發脈沖，這個脈沖持續時間較長通常為毫秒級，脈寬遠遠大于正常觸發脈沖寬度。當MOS 管較長時間內導通，MOS 管、變壓器工作，通過變壓器的電流較大，線圈發熱量持續上升降低了變壓器絕緣等性能，甚至將變壓器擊穿燒毀、短路，過流亦可能導致MOS 管的損壞。

該現象的預防方法為：棒控機柜上電時，上電順序應該為首先將棒控邏輯插件通電，使得邏輯門器件輸出穩定。然后將電機驅動插件上電，避免干擾脈沖輸入MOS 管。

2）ESD 現象

邏輯芯片ESD 現象是指芯片在制造、使用和運輸過程中，由于外部環境和內部結構的一些因素可能會積累大量靜電荷，當芯片與大地或其他一些低電位物體接觸時，這些積累的電荷會通過芯片的I/O 管腳瞬間釋放；或是帶有大量靜電荷的物體接觸已經接地的芯片時，通過芯片放電，發生電荷轉移，形成巨大的瞬態電流[1]。

在HFETRC 棒控系統運行維護中應做好靜電防護。靜電放電防護的基本原則主要有兩種：一是抑制靜電電荷的產生和積累；二是安全、迅速、有效的消除已產生的靜電電荷。目前在工程實踐中采取的靜電防護主要方法為：接地、中和、增濕、屏蔽等。

3）誤操作導致的過度電應力

由于HFETRC 的落棒時間測量裝置經過改造，新加入了一套時間測量行程開關與到底位置指示燈，后加入的行程開關在測量電路中的位置為如圖5 的LX2-1，目的是在掉棒緩沖段之前結束棒控邏輯插件發送來的掉棒時間高電平信號，測量出在緩沖段前的快速掉棒時間。改造后的時間測量后有4 個后加的觸點，作用分別為圖3 的abcd 所示。

由圖3 可以看到，開關LX2-2 的c 端是帶有15V 的電壓。由于HFETRC 系統改造后只有兩張測量插件而有4 根安全棒，測量不同的安全棒會有觸點接線插拔工作。在對后面觸點進行插拔操作時，如果拔插順序不當，先插入底部燈H1 上面觸點C 后，如果此時控制棒在底部LX2-2 閉合，會將+15V 電壓引入開關觸點的另一頭。如果此時接入觸點D，可能將15V 電壓引入機柜外殼或插件電路，導致15V 電源短路，或導致插件故障或燒毀。插件插入落棒時間自動計時的故障可能是該原因導致。

該現象的預防方法為：時間測量插件安裝和更換測點時，下限燈H1 兩個觸點安裝順序應為先安裝觸點D 再安裝觸點C，防止低壓電源短路。

同時，對新加入的限位開關電路供電處增加保護電路，串聯一個電流保險絲，防止15V 電源短路，引入過大的電流進入邏輯芯片電路，對電路造成沖擊。同時在邏輯插件芯片輸出端并聯一個壓敏電阻，利用壓敏電阻非線性的伏安特性，防止ESD 現象引入過高的電壓進電路，把竄入電路的瞬時過壓限制在系統電路能承受的范圍之內，保護耐壓能力較差的邏輯芯片等電路[4,5]。

4 結束語

本文針對HFETRC 的維修與改造情況介紹了HFETRC棒控系統調試過程中出現的故障現象，對此次故障現象進行了故障分析，找出故障點，提出了故障處理措施，并對棒控系統插件的故障的原因進行了分析，提出預防故障方法。

通過HFETRC 棒控系統調試過程中故障分析與處理，保障了某試驗堆堆芯臨界物理試驗在HFETRC 上順利完成，也為其它試驗堆儀控系統電子元器件失效引起的故障分析處理提供參考。