核電站繼電保護(hù)控制電路卡的檢測(cè)和維修技術(shù)

向紹斌

（廣西防城港核電有限公司，廣西防城港538000）

核電站繼電保護(hù)控制電路卡的檢測(cè)和維修技術(shù)

向紹斌

（廣西防城港核電有限公司，廣西防城港538000）

介紹了一種新型繼電保護(hù)控制卡件（以下簡(jiǎn)稱卡件）的檢測(cè)技術(shù)--老化狀態(tài)檢測(cè)法:通過(guò)對(duì)電路圖原理分析，確定各個(gè)電路節(jié)點(diǎn)的基準(zhǔn)工作電壓（設(shè)計(jì)電壓）、維持正常工作的極限工作電壓（上、下限），以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間，再根據(jù)具體的電路卡件來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)檢測(cè)裝置，對(duì)卡件進(jìn)行非破壞性的檢測(cè)和試驗(yàn)，即可知道被檢測(cè)的卡件是否還能正常工作；如果檢測(cè)時(shí)輸入卡件的序列號(hào)，形成每個(gè)卡件專有的歷史性能數(shù)據(jù)，就可根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓或者狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間的趨勢(shì)變化，評(píng)估卡件上某些元器件的老化狀態(tài)，這樣就可以在卡件失效前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免卡件故障影響核電站的正常運(yùn)行；對(duì)卡件進(jìn)行恢復(fù)性維修，延長(zhǎng)卡件的壽命。通過(guò)對(duì)LG_A325E過(guò)流保護(hù)卡件和LG_A326E過(guò)負(fù)荷保護(hù)卡件的檢測(cè)和維修，取得了預(yù)期的檢測(cè)結(jié)果，并意外地發(fā)現(xiàn)了卡件設(shè)計(jì)上的缺陷，提出相應(yīng)的解決措施。

電路卡件；老化失效；通用電路仿真分析軟件；節(jié)點(diǎn)電壓；參數(shù)趨勢(shì)分析

0 引言

某核電站已經(jīng)運(yùn)行20多年，在多年的運(yùn)行中，發(fā)生過(guò)繼電保護(hù)控制電路卡件失效或故障的案例。隨著電站機(jī)組投運(yùn)時(shí)間的增長(zhǎng)，卡件失效的問(wèn)題會(huì)越來(lái)越多。

卡件在電力線路的控制和保護(hù)中具有重要的作用，它持續(xù)地監(jiān)測(cè)線路的狀態(tài)，并且在監(jiān)測(cè)到不正常狀態(tài)時(shí)啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，把故障部分線路或設(shè)備從系統(tǒng)中隔離開(kāi)，以便讓系統(tǒng)其余部分繼續(xù)運(yùn)行，限制故障設(shè)備的損壞程度，防止起火，防止相鄰的設(shè)備受到損壞，最大限度地減少人身傷害。由此可見(jiàn)繼電保護(hù)控制電路卡件的可靠性關(guān)系到電廠乃至整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)的安全、穩(wěn)定地運(yùn)行[1]，若卡件出現(xiàn)故障或誤動(dòng)作就會(huì)影響電力的正常供應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備損環(huán)，甚至引起停機(jī)、停堆事故。由于核電站的產(chǎn)值高，所以停堆造成的損失是巨大的[2]。

通過(guò)對(duì)在運(yùn)和庫(kù)存卡件進(jìn)行檢測(cè)，可以在卡件失效前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免卡件故障影響電站的正常運(yùn)行；對(duì)卡件進(jìn)行恢復(fù)性維修，可以延長(zhǎng)卡件的壽命。目前有些備件國(guó)外原廠商已經(jīng)停產(chǎn)，即使能買(mǎi)到，幾個(gè)月的訂貨周期，動(dòng)輒數(shù)十萬(wàn)元的報(bào)價(jià)，在供貨時(shí)間和價(jià)格上讓運(yùn)營(yíng)方頭疼不已。所以，對(duì)一些重要卡件和數(shù)量較多的卡件，配備狀態(tài)檢測(cè)裝置是必要的，經(jīng)濟(jì)上也是合理的[3]。

1 卡件老化失效機(jī)理分析

1.1 主要的失效模式及其分布

電子元器件的種類很多，相應(yīng)的失效模式和失效機(jī)理也很多，總體來(lái)說(shuō)，電子元器件的失效主要是在產(chǎn)品的制造、試驗(yàn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用等過(guò)程中發(fā)生的，與原材料、設(shè)計(jì)、制造和使用密切相關(guān)。圖1為一些電子元器件現(xiàn)場(chǎng)使用失效模式及其分布的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果[3]。

1.2 主要的失效機(jī)理及其定義

失效機(jī)理是指引起電子元器件失效的實(shí)質(zhì)原因，即引起電子元器件失效的物理或化學(xué)過(guò)程，通常是指由于設(shè)計(jì)上的弱點(diǎn)（容易變化和劣化的材料的組合）或制造工藝中形成的潛在缺陷，在某種應(yīng)力作用下發(fā)生的失效及其機(jī)理。

1.3 集成電路的失效模式及失效機(jī)理

集成電路是電子產(chǎn)品的核心部件，隨著集成電路規(guī)模的增大、集成度的提高和電流密度的增加，以及電場(chǎng)增強(qiáng)、功耗增大，集成電路的可靠性問(wèn)題日益突出，集成電路的失效往往會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的失效，甚至癱瘓。

（a）分立器件的失效模式及其分布

（b）集成電路的失效模式及其分布

（c）電阻器的失效模式及其分布

集成電路的失效分為致命失效、性能退化和間歇失效。集成電路在工藝規(guī)范、結(jié)構(gòu)規(guī)范和物理分析等方面具有共同的特點(diǎn)，而且從其失效的原因來(lái)看，主要有過(guò)電應(yīng)力（EOS）/靜電放電（ESD）、工藝缺陷、結(jié)構(gòu)缺陷及材料缺陷引起的失效，因此通過(guò)失效分析，可以提出一些提高集成電路可靠性的共性方法。

（d）電容器的失效模式及其分布

（e）繼電器的失效模式及其分布

圖1 電子元器件現(xiàn)場(chǎng)失效模式及其分布的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

1.4 分立器件的失效分析

半導(dǎo)體分立器件門(mén)類繁多，其原理、設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)既有共同之處，又各有特點(diǎn)。由于大多數(shù)的半導(dǎo)體硅器件采用半導(dǎo)體平面工藝，許多失效機(jī)理是相同和相類似的，但因結(jié)構(gòu)和功能不同，其失效模式和機(jī)理又有各自的特點(diǎn)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，芯片加工工藝技術(shù)的成熟，以及生產(chǎn)線工藝控制能力的增強(qiáng)，半導(dǎo)體器件的失效總體表現(xiàn)為芯片本身失效減少，而器件封裝結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體器件后工序?qū)е碌氖С蔀橹饕А?/p>

1.5 阻容元件的失效分析

1.5.1 電阻器的失效模式和失效機(jī)理

電阻器的種類繁多，常見(jiàn)的固定電阻器有金屬膜電阻器、金屬氧化膜電阻器、碳膜電阻器、線繞電阻器和玻璃釉電阻器等。其失效可分為兩大類，即致命失效和參數(shù)漂移失效。從現(xiàn)場(chǎng)使用失效統(tǒng)計(jì)表明，85%～90%的電阻失效屬于致命性失效，失效模式主要表現(xiàn)為開(kāi)路；只有10%左右是阻值漂移，短路的失效模式在電阻器中很少見(jiàn)到。

1.5.2 電容器的失效分析

相對(duì)電阻器而言，由于不同電容器的制作工藝和結(jié)構(gòu)的差異較大，電容器的失效機(jī)理要復(fù)雜得多，常見(jiàn)的失效模式主要有以下幾種:擊穿、開(kāi)路、電參數(shù)退化（包括電容量退化、損耗和絕緣電阻或者漏電流退化等）、漏液和開(kāi)裂等。漏液是鋁電解電容器和液體鉭電容器最常見(jiàn)的一種失效模式，瓷介電容器最常見(jiàn)的失效模式是開(kāi)裂。

1.6 繼電器和連接器的失效分析

繼電器、連接器都屬于機(jī)電元件，是用機(jī)械的壓力使導(dǎo)體與導(dǎo)體之間彼此接觸，并具有導(dǎo)通電流的能力，也被稱為接觸元件。繼電器、連接器等接觸元件屬于可靠性較差的電子元器件，特別是其中的電磁繼電器，由于具有電磁及機(jī)械可動(dòng)系統(tǒng)，影響可靠性的因素較多，因而，問(wèn)題顯得更加突出。例如:1971年日本發(fā)射的第一號(hào)科學(xué)衛(wèi)星，共用了1 400個(gè)電子元器件，其中繼電器僅占0.9%，但其失效數(shù)卻占電子元器件總失效數(shù)的4.7%。

國(guó)內(nèi)電磁繼電器在普通地面移動(dòng)環(huán)境下，在“九五”期間的使用失效率約為1.47×10-6/h；恒溫開(kāi)關(guān)在地面良好環(huán)境下，在“九五”期間的使用失效率約為2.55×10-5/h，可靠性水平較低。

1.7板級(jí)電路的失效分析

板級(jí)電路（PCBA）失效一般可分成兩類:1）板級(jí)電路上的元器件失效，包括元器件本身存在不能滿足工藝條件而產(chǎn)生的失效，以及使用后產(chǎn)生的失效；2）互連失效，包括焊點(diǎn)失效與PCB內(nèi)部缺陷導(dǎo)致的失效。這兩種類型的失效可以通過(guò)功能測(cè)試與電性能測(cè)試進(jìn)行失效定位而得到區(qū)分。由于元器件的失效情況前面已經(jīng)有充分的論述，因此，本文主要討論焊點(diǎn)與PCB的互連失效問(wèn)題。

PCB互連失效的模式簡(jiǎn)單，失效機(jī)理復(fù)雜，并且導(dǎo)致失效的原因很多。因而要通過(guò)失效分析快速地判定失效的原因并不容易，往往需要綜合地運(yùn)用各種技術(shù)手段，甚至需要進(jìn)行工藝調(diào)查才能確診。

焊點(diǎn)與PCB的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其主要的失效模式，由于焊點(diǎn)或PCB的金屬化孔都是由兩種以上的材質(zhì)構(gòu)成，其材質(zhì)間結(jié)合的緊密程度，以及材料的熱膨脹系數(shù)之間的匹配性對(duì)焊點(diǎn)或PCB的強(qiáng)度和可靠性影響非常大。使用環(huán)境的溫度變化情況（溫度應(yīng)力）與機(jī)械應(yīng)力的影響會(huì)加速存在隱含缺陷的焊點(diǎn)早期失效，特別是那些虛焊的焊點(diǎn)，以及金屬間化合物厚薄不理想的焊點(diǎn)容易開(kāi)路失效。因此，焊點(diǎn)的主要失效模式有破裂開(kāi)路、虛焊；而PCB互連失效往往除了互連（通孔）開(kāi)路外，還包括級(jí)間漏電（或絕緣電阻下降）、電遷移，以及枝晶生長(zhǎng)等失效。

這些失效模式可以采用外觀檢查、顯微鏡分析、金相切片、SEM分析、EDS分析、紅外顯微鏡、染色滲透技術(shù)、X射線透視和可焊性驗(yàn)證等手段確認(rèn)，再結(jié)合制造過(guò)程進(jìn)行綜合分析，最終獲得導(dǎo)致失效的原因。

2 國(guó)內(nèi)相關(guān)檢測(cè)技術(shù)[4]

雖然各種電路板千差萬(wàn)別，但是每種電路板都是由各種集成塊、電阻和電容，以及其他器件構(gòu)成的，所以電路板損壞90%以上是其中某個(gè)或某些個(gè)器件損壞造成的。檢測(cè)占據(jù)了很重要的位置，對(duì)電路板上的每一個(gè)器件進(jìn)行驗(yàn)測(cè)，直到將壞件找到，下面總結(jié)一些維修的策略和技巧。

a）觀察法

拿到一塊待維修的電路板時(shí)，首先對(duì)它的外觀進(jìn)行仔細(xì)的觀察。如果電路板被燒過(guò)，那么在給電路板通電前，一定要仔細(xì)檢查電源電路是否正常，在確保不會(huì)引起二次損傷后再通電。

b）靜態(tài)測(cè)量法

有少部分的電路板因?yàn)橐恍┨厥獾脑虬l(fā)生物理變形，通過(guò)前面的觀察，能夠較輕易地找出故障原因，而大部分發(fā)生故障的電路板，還是需要借助萬(wàn)用表，對(duì)電路板上的一些主要元器件、關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行有序的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題。

c）在線測(cè)量法

在線測(cè)量法主要解決兩個(gè)方面的問(wèn)題:1）將上述兩個(gè)步驟中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題細(xì)分，最終鎖定到出現(xiàn)問(wèn)題的元器件；2）通過(guò)上面兩步檢查的問(wèn)題并沒(méi)有得到解決的，需通過(guò)在線測(cè)量來(lái)找出故障原因。

3 卡件老化狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)原理

卡件電路失效一般可分成兩類:1）卡件電路上的元器件失效，包括元器件本身存在不能滿足工藝條件而產(chǎn)生的失效，以及使用后產(chǎn)生的失效；2）互連失效，包括焊點(diǎn)失效與PCB內(nèi)部缺陷導(dǎo)致的失效。這兩種類型的失效最終都會(huì)體現(xiàn)在電路節(jié)點(diǎn)的電壓或者狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間上，可以通過(guò)檢測(cè)電路的節(jié)點(diǎn)電壓來(lái)確定。

使用針床或人工使用探針對(duì)卡件施加激勵(lì)信號(hào)并探測(cè)電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的電壓信號(hào)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)這些節(jié)點(diǎn)電壓隨時(shí)間的變化進(jìn)行處理，可以得到卡件的工作狀態(tài)，定位卡件故障點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)卡件的檢測(cè)和維修。

如果檢測(cè)時(shí)輸入卡件的序列號(hào)，形成每個(gè)卡件專有的歷史性能數(shù)據(jù)，就可以根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓或者狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間的趨勢(shì)變化，評(píng)估卡件上某些元器件的老化狀態(tài)，由此可以在卡件失效前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免卡件故障影響核電站的正常運(yùn)行；對(duì)卡件進(jìn)行恢復(fù)性維修，延長(zhǎng)卡件的壽命。

圖2為通過(guò)卡件某個(gè)參數(shù)的趨勢(shì)變化評(píng)估卡件老化狀態(tài)的原理圖，圖中的老化敏感參數(shù)是卡件上某一元器件的某個(gè)參數(shù)值，可以是電解電容值，也可以是三極管的CE擊穿電壓值，或者其他的某個(gè)參數(shù)。曲線上的每個(gè)點(diǎn)都是一次檢測(cè)的值，把歷史上的檢測(cè)值連接起來(lái)就形成一條曲線。當(dāng)這個(gè)值變化到某個(gè)位置，電路就無(wú)法正常工作了。根據(jù)這個(gè)曲線變化規(guī)律，可以大概估計(jì)這個(gè)元器件的剩余壽命。

圖2 通過(guò)卡件某個(gè)參數(shù)的趨勢(shì)變化評(píng)估卡件老化狀態(tài)的原理圖

4 工程實(shí)例

選取LG_A325E過(guò)流保護(hù)卡件和LG_A326E過(guò)負(fù)荷保護(hù)卡件，通過(guò)對(duì)它們的電路原理分析（如圖3所示），確定了需要檢測(cè)的節(jié)點(diǎn)；再根據(jù)這些數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一套老化敏感元器件狀態(tài)檢測(cè)裝置。用電路仿真軟件PSPICE對(duì)電路板工作狀態(tài)進(jìn)行分析，取得電路基準(zhǔn)參數(shù)。用這套裝置對(duì)在運(yùn)的和庫(kù)房備用卡件進(jìn)行檢測(cè)；通過(guò)與電路基準(zhǔn)參數(shù)的比較，可以了解被測(cè)卡件是否還能正常工作。輸入卡件序列號(hào)，保存檢測(cè)結(jié)果，通過(guò)與其本身的歷史數(shù)據(jù)對(duì)比，可以得到這些參數(shù)隨時(shí)間變化的曲線。如圖4所示。

通過(guò)曲線是否超出電路正常工作可接受的范圍，就可以判定這個(gè)卡件是否該報(bào)廢，或者需要進(jìn)行恢復(fù)性的維修。根據(jù)曲線的趨勢(shì)，還可以進(jìn)行電路壽命評(píng)估。

5 取得的成果

檢測(cè)裝置檢測(cè)一塊卡件只需1～2 min，在電站大修時(shí)可以很方便地對(duì)大量的同類卡件進(jìn)行快速的檢測(cè)篩選，節(jié)省了時(shí)間。

實(shí)際上，利用檢測(cè)裝置檢測(cè)卡件取得了預(yù)期的效果:正常狀態(tài)下各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓；過(guò)流發(fā)生門(mén)檻值；發(fā)生過(guò)流狀態(tài)轉(zhuǎn)換后各節(jié)點(diǎn)的電壓；延時(shí)輸出時(shí)間；過(guò)流恢復(fù)門(mén)檻；恢復(fù)后各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓均被正常檢測(cè)到。

圖3 LG_A325E過(guò)流保護(hù)卡件電路原理圖

圖4 檢測(cè)裝置和被測(cè)卡件

圖5 卡件上的VT 1和VT 3局部圖，可看到VT 1的保護(hù)二極管VD 11

在檢測(cè)中還意外地發(fā)現(xiàn)VT 3被擊穿了，3個(gè)樣品卡件有兩個(gè)VT 3被擊穿。VT 3為小功率NPN通用三極管，在正常工作條件下，壽命是非常長(zhǎng)的。卡件上同樣型號(hào)的VT 1和VT 4卻完好。

分析電路原理圖可以發(fā)現(xiàn)，VT 1上有個(gè)保護(hù)二極管VD 11，緊挨著集電極，而VT 3沒(méi)有（如圖5所示），VT 4的負(fù)載是個(gè)LED，不是感性負(fù)載，關(guān)斷時(shí)不會(huì)引起瞬態(tài)高。而VT 1，VT 3的負(fù)載均是繼電器，在卡件外面，從三極管到負(fù)載之間有一定距離的連線。

圖6 關(guān)斷時(shí)VT 1和VT 3的集電極和基極的電壓波形

同時(shí)用示波器觀察了關(guān)斷時(shí)VT 1和VT 3的集電極和基極的電壓波形（如圖6所示），VT 1由于有二極管保護(hù)，其集電極上的電壓被限制在電源電壓上。VT 3因?yàn)橐呀?jīng)被擊穿，無(wú)法完全關(guān)斷，集電極上的電壓沒(méi)有瞬態(tài)高壓，只是慢慢地上升到某個(gè)比電源電壓低的值就穩(wěn)定下來(lái)?？梢韵胂蟮玫?，在VT 3被擊穿之前，它上面的集電極電壓曾經(jīng)經(jīng)歷了圖6中的紅色波形，瞬態(tài)高壓超出了它能承受的C-E間擊穿電壓，形成了永久性擊穿損壞。

根據(jù)以上分析，維修時(shí)除了更換已經(jīng)損壞的VT 3，還可以參考VT 1的設(shè)計(jì)，給VT 3加上一個(gè)保護(hù)二極管，就能讓VT 3不再損壞，讓卡件更加可靠地工作。加一個(gè)成本極低的二極管，就可以讓上萬(wàn)塊錢(qián)的卡件更加可靠地工作，這是非常有價(jià)值的事情。

6 結(jié)束語(yǔ)

卡件老化狀態(tài)檢測(cè)裝置的使用非常簡(jiǎn)單，電站運(yùn)行維護(hù)人員經(jīng)過(guò)幾分鐘的簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可熟練地操作[5-6]。檢測(cè)速度快，一個(gè)卡件在1～2 min內(nèi)即可檢測(cè)完畢，適合在電廠大修、對(duì)時(shí)間有嚴(yán)格要求的情況下下使用。

通過(guò)對(duì)在運(yùn)和庫(kù)存的卡件進(jìn)行檢測(cè)，可以在卡件失效前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免卡件故障影響電站的正常運(yùn)行；對(duì)卡件進(jìn)行恢復(fù)性維修，可以延長(zhǎng)其壽命。目前有些備件國(guó)外原廠商已經(jīng)停產(chǎn)，即使能買(mǎi)到，幾個(gè)月的訂貨周期，以及動(dòng)輒幾萬(wàn)幾十萬(wàn)元的報(bào)價(jià)，也讓運(yùn)營(yíng)方頭疼不已。所以對(duì)一些重要卡件和用量較大的卡件，配備檢測(cè)裝置是非常必要的，經(jīng)濟(jì)上也是十分合理的。

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Testing and Repair of Protective Control Circuit Card
for Nuclear Power Plant

XIANG Shao-bin
（Guangxi Fangchenggang Nuclear Power Co.，Ltd.，F(xiàn)angchenggang 53800，China）

This paper describes a new type of detection technology for relay control card（hereinafter referred to as the card）-aging state detection method.By analyzing the principle of the circuit diagram，we can determine the referencevoltage（design voltage）and limit voltage（upper and lower limits）for maintaining normal work and the time required for state transitionof each circuit node.Then in accordance with specific circuit cards，a state detecting device could be designed to conduct non-destructive detection and test on the cards.Consequently，we can know whether the card which was detected can work properly or not.If we enter the serial number of the cards during the process of detection，it can form a proprietary historical performance data base of each card，thus we can evaluate the aging state of some components on the cards by analyzing each node voltage or trends of state transition time.In this way，we can find the problems before card failureand perform a recovery maintenance on the cards timely to prolong the life of the cards. By detecting A325E over current protection card in a power station，we obtainedthe expected detection result anddiscovered the design flaws of cards accidentally.

aging failure；PSPICE simulation analysis；nodevoltage；parameter trend analysis

TM 774

：A

：1672-5468（2014）04-0022-07

10.3969/j.issn.1672-5468.2014.04.006

2014-02-16

2014-06-16

向紹斌（1976-），男，湖北漢川人，廣西防城港核電有限公司工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動(dòng)控制檢修工作。