一種核電廠安全級電源翻新維修方法

劉新東 周運恒 季濤 曹才 陳臻

【摘 要】早期核電站的電子卡件在線運行超過一定年限后板件上的一些元器件開始進入壽命末期，為了保證核電站后續(xù)的安全穩(wěn)定運行，需要識別出這些影響板件壽命的元器件，并在合適的時間點對其進行翻新維修。文章介紹了一種核電站反應(yīng)堆保護系統(tǒng)電源模塊UE板卡的基本工作原理，結(jié)合電解電容的基本結(jié)構(gòu)以及其壽命估算方法，確定了其翻新維修的時間點以及范圍，并介紹了翻新維修過程，對后續(xù)翻新維修工作的開展奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】核電站;電子卡件;壽命末期;UE板卡;電解電容;翻新維修

1 概述

眾所周知，電子產(chǎn)品的故障率如 Bath-tub Curve（圖1）所示，可以分為以下三個階段：

（1）故障率下降期（DFR;Decreasing Failure Rate）

產(chǎn)品投入使用初期，帶有缺陷的部分元器件會發(fā)生故障，但隨著時間的推移，剩下的都是穩(wěn)定的元器件，產(chǎn)品故障率亦會下降，這段時間稱為故障率下降期。

（2）故障率穩(wěn)定期（CFR;Constant Failure Rate）

在此階段，產(chǎn)品運行穩(wěn)定，故障率降至一定水平，發(fā)生的故障均為隨機性事件，稱為偶發(fā)性故障期。這段時期的穩(wěn)定度和平均故障時間（MTBF）呈指數(shù)式分布。

（3）故障率上升期（IFR;Increasing Failure Rate）

經(jīng)過長時間的使用后，產(chǎn)品故障率開始逐漸上升，發(fā)生故障的主要原因是產(chǎn)品部分元器件老化。這種類型的故障具有集中某處發(fā)生的特征，并且工作壽命相對較短的元器件一般會首先出現(xiàn)故障，從初期開始即呈正態(tài)分布。

因此，為了延長產(chǎn)品的穩(wěn)定運行時間，我們有必要對產(chǎn)品中壽命較短、容易出現(xiàn)故障的元器件進行翻新維修，以提高產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。

早期核電站的電子板件經(jīng)過二十年以上的運行，板件上的部分元器件老化現(xiàn)象日漸嚴(yán)重。作為核安全相關(guān)系統(tǒng)，電源板件參數(shù)要求嚴(yán)格，由于板件元器件老化，容易導(dǎo)致板件輸出參數(shù)不合格。在電站的運行維護過程中，若對參數(shù)不合格的卡件全部進行更換，則在電站運行后期將會出現(xiàn)卡件備件不足的現(xiàn)象，并且成本高昂，因此對卡件上短壽命元器件進行翻新維修顯得尤為必要。

2 UE電源原理介紹

UE板卡為某核電站反應(yīng)堆保護系統(tǒng)供電電源，根據(jù)功能結(jié)構(gòu)，可以將其分為穩(wěn)壓電壓、啟動振蕩電路、逆變輸出電路、反饋控制電路四個部分，如圖2所示。

2.1 穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路由晶體管T10、T11、T12和運放IC7組成，T12是輸出電壓調(diào)整管，由PNP管T10、T11驅(qū)動，基準(zhǔn)電壓由穩(wěn)壓二極管T20提供，該電壓與穩(wěn)壓電路的輸出電壓進行比較，比較結(jié)果作用于控制管T10，使穩(wěn)壓電路的輸出始終保持在47VDC。其中C110是電源輸入濾波電容，C113是穩(wěn)壓輸出濾波電容，如果這兩個濾波電容參數(shù)超標(biāo)，可能影響板件輸出的波形。

2.2 啟動振蕩電路

振蕩的啟動通過48VDC電壓向電容C117、118、119充電，充電完成后，當(dāng)按下“START”按鈕時，C117、C118分別向磁放大器供電;電容C119則經(jīng)電阻R96向推挽式振蕩電路的T13、T14供電，使電路起振，當(dāng)振蕩電路工作后，其供電方式由電容供電切換為由變壓器1經(jīng)二極管33、34整流電路供電。振蕩電路的頻率由供給線圈C3、C4和MSL的電壓來確定，并且可由電阻R94來調(diào)整。供給振蕩電路的電源也影響頻率，可由電阻R74來調(diào)整。振蕩電路的4000Hz振蕩信號通過輸出變壓器2給方波逆變電路提供信號。

振蕩的停止：按下“STOP”鈕，切斷控制線圈C1+、C1-，從而使MSL及T13、T14停振，切斷逆變部分振蕩電源，UE卡輸出被切斷。如果其中的電容C115發(fā)生故障，UE板件也會停止工作。

2.3 逆變輸出電路

逆變電路利用變壓器2從振蕩電路耦合過來的通、斷信號，控制T15、T18分別驅(qū)動T16、T17，使其工作在飽和或截止?fàn)顟B(tài)，通過輸出變壓器，輸出24V.AC 4000Hz的方波電源。輸入電路的可控硅8、9專門用于起動脈沖。

2.4 反饋控制電路

整流橋50、51、52、53、穩(wěn)壓二極管23和電阻R94、R92的電路負責(zé)控制輸出電壓和頻率的自動調(diào)整，如果頻率無法調(diào)整（輸出過壓或者過流），就會使電源跳閘。

UE板件在設(shè)計上使用了六個電解電容、四個金屬化聚酯薄膜電容，另外還有大量的其它電子元器件，如果這些易損耗的電子器件參數(shù)發(fā)生變化，則可能會導(dǎo)致UE板件的參數(shù)超標(biāo)、可靠性下降。下面對UE板件中出現(xiàn)故障概率較高的電解電容進行分析，從理論上確定UE板卡的翻新維修策略。

3 鋁電解電容介紹

3.1鋁電解電容的結(jié)構(gòu)

鋁電解電容器由正箔、負箔和電解紙卷成芯子，用引線引出正負極，含浸電解液后通過引腳引出，用鋁殼和膠粒封裝起來，如圖3所示。

3.2 電容器的基本原理

3.2.1 理想電容器

電容值定義：C=Q/U（Q為電荷量、U為電壓）

計算公式： ，其中電容單位為F;ε為相對介電常數(shù);ε0為真空介電常數(shù)，值為8.86×10-12 F/m;S為極板面積，單位為平方米;d為極板間距，單位為米。

3.2.1 實際電容器

在實際制造過程中，由于材料、工藝的限制，實際的電容器還存在電感、電阻、還有漏電流，為了分析上的方便，工程上常用等效電路來描述實際意義的電容，如圖5所示。

3.3 鋁電解電容器主要電參數(shù)

鋁電解電容器主要電參數(shù)包括額定電壓、串聯(lián)等效電阻、紋波電流、浪涌電壓、反向電壓、標(biāo)稱容量、損耗、漏電流、阻抗-頻率特性、額定壽命等，這些參數(shù)可以從電容廠家提供的技術(shù)手冊上獲取，參數(shù)的詳細定義請查閱參考文獻：。

3.4 電解電容壽命計算

鋁電解電容的工作狀態(tài)、工作環(huán)境是影響其壽命的主要因素，在眾多因素中，又以工作環(huán)境溫度和紋波電流對電容壽命影響最大。利用溫度函數(shù)、紋波電流函數(shù)、降額使用函數(shù)，通過對其基本壽命進行增減分析，可以推算出特定條件下電解電容的壽命，其計算公式如下：

在實際工作中，如紋波電流小于額定紋波電流值，電壓降額小于80%，則壽命計算可不考慮紋波電流和電壓的函數(shù)，即取 = ?=1，則電解電容壽命計算公式可以簡化為：

這里以UE板卡中的電容C110為例，根據(jù)該電容廠家提供的技術(shù)參數(shù)（Standard endurance test at UR：UR≤160V 10000h/85℃，UR>160V 5000h/85℃），利用上述公式估算其工作壽命。

該型號電容在85℃的環(huán)境下工作，額定電壓小于160V時的壽命是10000小時，UE板卡工作的環(huán)境溫度為45℃，供電電壓為48VDC，那么在該工作環(huán)境下電容壽命計算如下所示：

根據(jù)市面上一些電容生產(chǎn)廠家的壽命計算原則，電解電容的壽命一般小于15年，所以取L=15年。

UE板件上使用的電解電容包括：C110（電源輸入濾波）、C113（電源輸出濾波）、C114（整流輸出濾波）、C117（儲能）、C118（儲能）、C119（儲能），試驗已經(jīng)證明C110/C113故障將會導(dǎo)致UE板件輸出波形存在畸變，C117/C118/C119故障導(dǎo)致UE無法啟動，目前部分UE板件已經(jīng)運行超過15年，所以有必要對這部分電解電容進行翻新維修。

4 UE板卡翻新過程

由于UE板卡為反應(yīng)堆保護系統(tǒng)電源，屬于安全級設(shè)備，所以需要制定一套標(biāo)準(zhǔn)化的流程來指導(dǎo)板件翻新過程，經(jīng)過研究及討論，制定了一份指導(dǎo)性文件《RPR系統(tǒng)UE卡翻新程序》，它規(guī)定了UE板卡翻新的指導(dǎo)原則，明確了翻新過程的翻新原則、人員資質(zhì)、流程管理、質(zhì)量控制方法，以保證UE板卡翻新過程可控、翻新質(zhì)量穩(wěn)定可靠。根據(jù)上述指導(dǎo)性文件，制定了具體實施和再鑒定的質(zhì)量控制文件七份，羅列如下所示。

《UE卡翻新技術(shù)可行性分析報告》中對UE卡工作原理、元器件老化狀態(tài)、老化實驗數(shù)據(jù)進行了詳細分析，為翻新維修工作提供了理論支持;

《UE卡元器件更換/替代可行性分析報告》中規(guī)定了翻新維修工作中所使用元器件的要求，包括功能分析、翻新安全分析、翻新抗震分析等，確保元器件使用合法合規(guī)。

《UE卡翻新元器件篩選報告》中規(guī)定了翻新維修過程中所使用的元器件篩選方法及相應(yīng)數(shù)據(jù)報告;

《UE卡翻新實施及檢測程序》中規(guī)定了翻新維修的具體過程和要求;

《UE卡翻新再鑒定報告》中規(guī)定了翻新維修后備件的測試驗證內(nèi)容，包括電源穩(wěn)壓性能、電源的特性化參數(shù)檢查、輸入電壓階躍響應(yīng)實驗等;

《UE卡翻新跟蹤評價報告》中規(guī)定了翻新維修后的備件跟蹤評價措施;

《UE卡翻新質(zhì)量計劃》用于對整個翻新維修過程各個節(jié)點進行質(zhì)量控制。

通過對UE板卡元器件進行功能分析、翻新安全分析、翻新抗震分析，并制定一系列標(biāo)準(zhǔn)化的操作程序保證翻新維修質(zhì)量，說明翻新維修是可行的。

5 總結(jié)

UE板卡電源翻新維修為中國核電領(lǐng)域首個安全級電源的翻新項目，已經(jīng)成功應(yīng)用，事實證明該方法提高了現(xiàn)場設(shè)備可靠性，節(jié)約了備件成本，它建立了一套安全級電源翻新維修的標(biāo)準(zhǔn)程序，有利于翻新維修工作的標(biāo)準(zhǔn)化，其中包括人員資質(zhì)、實驗室要求、元器件替代要求、再鑒定方案、元件器篩選等內(nèi)容，為后續(xù)多基地核電站甚至國內(nèi)其他安全級設(shè)備的翻新提供了可借鑒的經(jīng)驗，在安全級備件翻新領(lǐng)域具有里程牌的意義。

參考文獻：

[1] 陳國光 曹婉真 專著[電解電容器].西安 西安交通大學(xué)出版社 1994年

（作者單位：廣東省深圳市中廣核核電運營有限公司）