棒控系统电源柜PLC电源模块故障分析

秦洪超

【摘 要】本文针对核电站棒控系统电源柜PLC电源模块多次出现故障的问题，通过对故障电源模块检查诊断，查明了故障的直接原因。并对根本原因进行了深入剖析，最终提出了改进建议和解决方案，对其他电站在设备的选型和调试有重要的借鉴作用。

【关键词】棒控系统；电源模块；整流电路；二极管

中图分类号： TL351.5 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）05-0202-002

0 引言

棒控系统是控制反应堆堆芯反应性和中子注量率的重要方式，通过对控制棒的提升、插入和保持，并监视每一束棒束在堆芯的位置，实现反应堆的启停控制，使之稳定运行在某一功率水平下。

棒控系统控制设备主要包括逻辑柜和电源柜。逻辑柜完成总的管理和协调，经逻辑单元处理后发出指令使相应棒组动作；电源柜接收控制逻辑柜的运行指令，输出整流后，送往驱动机构磁轭线圈驱动控制棒动作。电源柜控制电源由220V两路供电，转化24V直流后供给PLC的电源模块。如果模块故障，则PLC机架将失电，该控制棒组无法动作，失去参与反应堆功率调节功能。

1 故障描述

电站1&2号机组棒控系统多次出现电源柜PLC电源模块故障，现场检查发现电源模块状态指示灯灭，无输出电压，多次故障现象一致。

单台机组棒控系统有16个电源柜，每个电源柜中安装有一个PLC电源模块，电源模块型号为施奈德TSXPSY5520M。1号机组从安装调试到机组商运，再到首次大修，期间共发生11例电源模块故障，占设备总量的68.75%；2号机组共发生7例电源模块故障，占设备总量的43.75%。

多次电源模块故障，严重影响了棒控系统的正常运行。由于该电源模块作为唯一的PLC机架电源，故障后会造成整个PLC机架失電，该机柜控制棒组无法动作。如果此故障发生在温度控制棒或功率控制棒组，则在此故障期间，该功能棒组将失去温度和功率控制功能。此时机组如需要进行瞬态功率调整，则很可能由于其他棒组或其他反应堆控制系统调节裕度不够，而造成意外停堆或其他事件。

2 故障定位

该型号PLC电源模块属于开关电源，电源模块TSXPSY5520有三个子电路板组装而成，具体如下：

输入母板，主要电路有输入整流和滤波、功率开关、控制器、逆变升压等。

输出子板，主要电路有变压器、输出整流和滤波。

接口子板，主要电路为24V/5V输出和通讯的接口。

经检查输出子板的桥式整流电路（如图1所示），发现输出整流桥的二极管VD1/2/3/4中，有一个或多个二极管被击穿，相当于变压器的二次侧短路，从而触发一次侧的电路过载保护，导致电源模块失效，输出为0。

因此，整流二极管受损就是产生电源模块故障的直接原因。经过多次检查确认，所有电源模块的故障原因一致。

3 原因分析

针对所有电源模块均由整流二极管被击穿而导致失效的故障现象进行如下分析。

3.1 自身因素

用示波器对整流桥的输入端电压进行测量，波形如图2所示，在输出空载时，整流桥两端的电压为59V。根据桥式整流电路原理，整流二极管所承受的最大反向电压URM等于交流输入电压的峰值电压，即URM=u=59V。

该电路采用开环控制，这就会导致整流桥两端电压易受负载电压变化的影响而改变，也就是说当24V输出带载时，整流桥两端的电压将会变大。另外，整流桥两端未设计RC阻容吸收回路，这也会导致对整流桥回路的保护不足，易受到尖峰浪涌的影响。

电路中采用的肖特基二极管用于高频整流，设计选型其最大反向击穿电压应保留一定裕量。对于一般普通负载，反向击穿电压应至少大于最高反向工作电压的2倍，对于感性负载选择应更大。此电源模块选用的二极管型号为SB5100，其参数如表1所示。

从表1可以看出SB5100最大反向击穿电压为100V，虽然满足了肖特基二极管的最小反向阻断设计要求，但小于经验选型值，实测值仅为1.7倍（带载时裕量更小）。由于设计裕量偏小，因此整流桥二极管在承受高频脉冲冲击时，容易造成损坏。

综上所述，该电源模块的24V输出电流电路采用开环控制，并未设计RC阻容吸收回路，其最大反向击穿电压设计裕量过小，故出现二极管损坏故障。

3.2 外部因素

虽然整流电路存在自身因素的不足，但满足设计要求，然而依旧造成多次电源模块故障，由此对电源模块的故障信息进行了统计分析。如表2所示：

从表2中可以看出，电源模块故障多发生在安装调试阶段。原因分析如下。

1）调试阶段厂房环境较差，温度、湿度、灰尘等很难达到相应的要求。在这样的环境下，对设备都会存在不同程度的损伤，尤其是电子元器件。

2）调试期间需要对电源模块进行多次绝缘测试，每次测试都会对设备元器件造成一定的损伤。此外，厂房内的其他设备也需要进行绝缘等测试，由于电源模块的地线与机壳的地相通，很容易从地线上引入干扰，进而对二极管产生损伤。

3）由于试验要求经常需要对机柜进行上电、断电操作，外部电源也会进行多次的通电、断电，这些瞬态工况会产生比较大的瞬态电压，容易造成元器件的过压损坏。

由此可见，调试阶段环境的复杂性、外界因素的干扰都会导致电源模块故障的发生，而且这些因素很多是无法避免的。这也就解释了为什么调试阶段故障率高，而正常运行阶段故障率低的现象。

4 改进措施

由于电源柜的电源模块并未采用冗余设计，只能通过提高电源模块自身可靠性来减少故障发生，方法如下。

1）重新对输出电路整流桥二极管进行换型。优点：花费小，方便实施。缺点：新购元器件的性能未经过现场实际应用考验，实施后的可靠性需要验证。

2）在对整流桥二极管重新选型的基础上，在输出电路整流桥两端增加阻容吸收回路，吸收尖峰电压，防止浪涌的影响。优点：提高电路稳定性。缺点：改造难度较大，实施困难，需要考虑模块内部构造和其他因素影响。

3）重新选取其他型号的电源模块进行换型。优点：产品前期经过质量验证，可靠性较高。缺点：花费大，新型号模块与现有机架的兼容性需要验证。

目前电站1&2号机组已经对该电源模块进行了重新选型，新型号为施耐德TSXPSY3610M。通过对新模块的兼容性和电气性能等测试，保证其能够正常稳定运行。于首次大修期间已对其进行更换，至今未再出现由二极管损坏而导致电源模块故障的发生。

5 结论

棒控系统电源柜PLC电源模块24V输出电路中的整流二极管被击穿，导致其回路触发过载保护，使得输出失效，是导致故障的直接原因。通过以上分析，可以看出设备在设计使用过程中元器件选型的重要性，尤其是重要系统中的一些关键部件，其性能的好坏直接影响着机组的安全稳定运行。另外，新电站安装调试阶段，应加强环境管理，优化测试内容，以免对设备造成不必要的损害。

【参考文献】

[1]《方家山RGL系统手册》中国核电工程公司.

[2]刘蕴陶.电工电子技术[M].北京：高等教育出版社，2014.

[3]毕满清.模拟电子技术[M].北京：电子工业出版社，2008.