數(shù)字化棒控電源柜可靠性設(shè)計與分析

何佳佶，鄭 杲，何正熙，黃可東，李國勇，許明周，李夢書，劉依依，張 蕓

(中國核動力研究設(shè)計院反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610213)

0 引言

棒控棒位系統(tǒng)用于提升、插入和保持控制棒束，并監(jiān)視每一束控制棒束的位置，主要包括棒控邏輯柜、棒控電源柜(簡稱電源柜)、棒位處理柜、棒位測量柜等設(shè)備，是核電廠的重要專用儀控系統(tǒng)。其中，電源柜是直接驅(qū)動反應(yīng)堆內(nèi)唯一運動部件——控制棒的控制設(shè)備。反應(yīng)堆自動運行時，電源柜作為功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，根據(jù)接收的升、降信號及棒速信號，控制棒束按一定速度提升、下插；在啟、停堆或需要手動運行時，根據(jù)操縱員的指令控制驅(qū)動機構(gòu)運行。因此，電源柜的穩(wěn)定、可靠運行對核電廠的經(jīng)濟、高效運行起著至關(guān)重要的作用。

早期電源柜采用的是模擬技術(shù)，調(diào)試以及日常維護十分不便。隨著分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)(又稱數(shù)字化控制系統(tǒng))的廣泛應(yīng)用，新設(shè)計的電源柜也都逐漸采用數(shù)字化技術(shù)。已有文獻對數(shù)字化的電源柜進行了設(shè)計分析，并應(yīng)用于在役核電廠的改造以及新建核電廠中[1-3]。目前，僅有少量文獻分析了核電廠儀控系統(tǒng)的可靠性。文獻[4]采用動態(tài)流圖法，分析了數(shù)字化儀控系統(tǒng)的可靠性。這種方法適用于多參數(shù)、多故障情況的DCS，對于專用儀控系統(tǒng)(特別是電源柜)不適用。文獻[5]～文獻[6]分別對棒控棒位系統(tǒng)和棒控系統(tǒng)電源的冗余功能進行了分析。但其只分析了系統(tǒng)連續(xù)運行12個月的可靠性，并未對電源柜整體功能的可靠性進行分析。

為提高經(jīng)濟性，三代核電“華龍一號”與AP 1000的換料周期均提高到18個月[7]，也對棒控棒位系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。因此，本文根據(jù)棒控棒位系統(tǒng)對電源柜的功能需求，結(jié)合核電廠實際運行經(jīng)驗與元器件老化機理，對電源柜可靠性進行了詳細分析。

1 電源柜功能分析

電源柜的功能包括：執(zhí)行上游發(fā)出的命令，向控制棒驅(qū)動機構(gòu)線圈提供時序電流，監(jiān)測與反饋故障信號，實現(xiàn)停堆落棒等功能[3]。其中，主要的功能就是對提升(lift coil,LC)、傳遞(movement coil,MC)、保持(stay coil,SC)3種線圈通以一定時序的電流，完成控制棒的運動。通常，每個電源柜可控制4個棒束，每個棒束包含3個線圈。

棒控電源柜控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 棒控電源柜控制結(jié)構(gòu)示意圖

對于文獻[3]中設(shè)計的數(shù)字化棒控電源柜，通信與邏輯處理模塊由PLC實現(xiàn)，控制驅(qū)動模塊由DSP控制電路實現(xiàn)，主電路由基于絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的三相全波整流電路實現(xiàn)。

2 電源柜可靠性設(shè)計

電源柜內(nèi)部有大量功率器件，具有強弱電結(jié)合的特點，在對電源柜進行可靠性設(shè)計時可依據(jù)以下原則。

①器件選型。

在器件選型時，盡可能選擇已證實其可靠性的標(biāo)準(zhǔn)元器件。對于無明確可靠性指標(biāo)的元器件，依據(jù)GJB/Z 299C-2006進行可靠性預(yù)計。采用降額使用的方式，元器件工作范圍應(yīng)低于額定值。

②冗余設(shè)計。

針對可靠性薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵性元器件進行冗余設(shè)計。如在控制電源設(shè)計中，在兩路獨立電源輸入的同時，通過冗余的電源調(diào)理電路確保電源柜的電源可靠性；在故障信號冗余設(shè)計中，確保安全相關(guān)功能及時響應(yīng)。

③模塊化設(shè)計。

采用模塊化設(shè)計理念，所有功能模塊均使用插件式結(jié)構(gòu)，相同功能的插件均可互換，以提升可維修性、有效減少機柜內(nèi)接線。

④電磁兼容、抗干擾與熱設(shè)計。

在印制電路板設(shè)計時，充分考慮電源柜強電、接線、電磁傳導(dǎo)等可能產(chǎn)生的電磁干擾，接地設(shè)計阻容電路消除共模干擾，功率器件的分布與風(fēng)道設(shè)計結(jié)合等。

⑤雙保持設(shè)計。

電源柜設(shè)計了雙保持功能。當(dāng)監(jiān)測到系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障時，可在保持和傳遞線圈的同時輸出恒定大小的電流，防止由于電源或電源柜本身故障導(dǎo)致意外落棒情況的發(fā)生。同時，該設(shè)計能保持和傳遞線圈通過不同的電源模塊進行供電，確保了雙保持功能的有效性。

3 可靠性分析與建模

在核電廠非正常工況時，電源柜掉電使控制棒通過重力落入堆芯，不參與安全相關(guān)功能。因此，電源柜的可靠性只考慮核電廠正常運行工況。根據(jù)可靠性設(shè)計要求，電源柜采用相互獨立的兩套電源系統(tǒng)進行供電。因此，圖1下方虛線區(qū)域內(nèi)的單線圈電流控制電路可靠性模型如圖2所示。

圖2 單線圈電流控制電路可靠性模型

在核電廠正常運行期間，電源柜可能處于三種狀態(tài)。

①運動狀態(tài)。此時電源柜接收到運動控制信號，LC、MC、SC按一定時序通斷，實現(xiàn)控制棒的運動。

②單保持狀態(tài)。此時電源柜無運動控制命令，SC線圈持續(xù)輸出電流，確?？刂瓢敉Ａ粼诋?dāng)前位置。

③雙保持狀態(tài)。當(dāng)電源柜觸發(fā)緊急故障時，使MC、SC同時輸出電流，確?？刂瓢舨宦淙攵研尽Ｌ幱谠摖顟B(tài)時，應(yīng)盡快分析故障原因并進行維護。

3.1 完全功能可靠性建模

電源柜在前兩種狀態(tài)時的可靠性，稱為完全功能可靠性。此時，對于任意一個控制棒驅(qū)動機構(gòu)，三個線圈回路必須同時正常工作。而LC、MC、SC控制電路由相互獨立的三套控制驅(qū)動模塊和主電路組成，且共用一套冗余控制電源和通信與邏輯處理模塊。因此，可以得到滿足完全功能的電源柜可靠性模型，如圖3所示。

圖3 滿足完全功能的電源柜可靠性模型

圖3中，虛線框內(nèi)表示單個電源柜控制4束棒。為確保4束棒均滿足功能要求，采用串聯(lián)方式計算可靠性。

假設(shè)電源柜所有元器件都處于偶然失效期，其壽命分布服從以失效率λm為常數(shù)的指數(shù)分布。所有模塊可靠度可表示為：

R(t)=e-λmt

(1)

核電廠控制棒通常包含停堆棒組、功率棒組和溫度棒組，分別實現(xiàn)停堆、功率控制以及溫度控制功能。在反應(yīng)堆實際運行時，停堆棒組時刻保持在最高位置，僅在啟停堆時運動；功率棒組和溫度棒組日均動棒不超過100步。LC和MC主電路的實際運行時間極短，分析影響儀控設(shè)備可靠性的因素[8]，可對LC和MC主電路的可靠度進行修正。修正后LC和MC主電路的可靠度為：

RLC/MC(t)=e-kλmt

(2)

式中：k為利用率系數(shù)。

對于百萬千瓦級核電廠的棒組分組情況，通常取LC和MC主電路利用系數(shù)平均值為k=0.001，失效率不受利用率影響，依然為常數(shù)λm。

根據(jù)冗余系統(tǒng)可靠性計算方法[9-10]，計算得到電源柜完全功能可靠性模型的可靠度RF(t)與失效率λF(t)分別為：

RF(t)=e-[λ1+λ2+12λ3+4kλ4+4(k+1)λ5]t-e-[2λ1+λ2+

12λ3+4kλ4+(k+1)λ5]t

(3)

(4)

式中：λ1～λ5分別為控制電源、通信與邏輯處理模塊、控制驅(qū)動模塊、LC線圈主電路和MC/SC線圈主電路的失效率。

3.2 后備功能可靠性建模

電源柜在第三種狀態(tài)時的可靠性，稱為后備功能可靠性。此時，MC和SC只要有一路正常工作就能滿足可靠性要求，實現(xiàn)功能的互為冗余。同理，可得滿足后備功能的電源柜可靠性模型，如圖4所示。

圖4 滿足后備功能的電源柜可靠性模型

為確保4束棒均滿足功能要求，圖4中虛線部分的可靠性采用串聯(lián)方式計算。

電源柜后備功能可靠性模型的可靠度RB(t)與失效率λB(t)分別為：

RB(t)=2e-λ1t-e-2λ1te-λ2t(e-(λ3+kλ5)t+e-(λ3+λ3)t

-e-2λ3+(k+1)λ5)t)4

(5)

(6)

4 分析計算與驗證

根據(jù)已有可靠性參數(shù)以及可靠性預(yù)計方法，建立了設(shè)備/元器件的可靠性參數(shù)庫。本文所涉及的電源柜功能模塊可靠性數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電源柜功能模塊可靠性數(shù)據(jù)

4.1 正常運行工況下的可靠性算法性能對比分析

為驗證電源柜可靠性算法的有效性，令k分別為1和0.001，代表傳統(tǒng)的可靠性算法和加入利用率系數(shù)的修正算法。假設(shè)電源柜按正常工況下長期連續(xù)運行，將k分別代入式(3)～式(6)，得到電源柜可靠性算法對比，如圖5所示。

圖5 電源柜可靠性算法對比圖

從圖5中可以看出，若采用原可靠性算法，僅在3年(2個換料周期)連續(xù)不間斷運行后，計算得到電源柜的完全功能可靠性已低于0.5。電源柜在長期連續(xù)運行條件下的可靠性下降與設(shè)備實際運行情況出現(xiàn)較大偏差。本文加入利用率系數(shù)修正后，根據(jù)電路實際老化情況對算法進行了補償，使計算結(jié)果更符合設(shè)備在實際運行中的可靠性下降規(guī)律。

采用修正算法后可知，在連續(xù)運行6年后，電源柜的完全功能可靠性接近0.5。由此可見，對于電源柜這類強弱電結(jié)合、可靠性模型復(fù)雜的設(shè)備，需要結(jié)合日常維護等措施，確保系統(tǒng)可靠性滿足要求。

4.2 電源柜功能可靠性計算與分析

為驗證電源柜后備功能的可靠性，令k=0.001，分別計算電源柜長期連續(xù)運行條件下的完全功能和后備功能的失效率。失效率曲線對比如圖6所示。

圖6 失效率曲線對比圖

從圖6可以計算得到，電源柜后備功能的平均失效率僅為完全功能的6.81%。在出現(xiàn)緊急故障情況

下，電源柜能夠有效觸發(fā)雙保持功能，確保電源柜后備功能的可靠性。此外，電源柜兩種功能的失效率均呈增長趨勢，冗余程度更高的后備功能的失效率增長更快。這是由于長期運行后冗余器件老化程度增加導(dǎo)致的整體電路故障趨勢加快。但在核電廠的設(shè)計壽命期限內(nèi)，其不影響電源柜后備功能的有效性。

5 結(jié)束語

為提高棒控棒位系統(tǒng)的可靠性，本文提出了基于數(shù)字化棒控電源柜的可靠性設(shè)計與分析方法。在設(shè)備研制過程中充分考慮棒控棒位系統(tǒng)對電源柜的功能需求，將電源柜可靠性劃分為完全功能可靠性和后備功能可靠性兩類。通過理論分析，提出了電源柜的可靠性模型，并結(jié)合實際運行經(jīng)驗，加入利用率系數(shù)，對可靠性模型進行了修正。通過計算與分析，驗證了改進可靠性模型的有效性，確保了電源柜具有極高的后備功能可靠性，從而有效避免由電源柜引起的意外落棒事件。最后，結(jié)合電源柜可靠性計算結(jié)果，通過日常維護與系統(tǒng)可靠性設(shè)計相結(jié)合的方式，能夠保障電源柜滿足三代核電運行要求。