電站控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)機(jī)架電源國(guó)產(chǎn)化

李秀蘭，王京

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

某核電廠電站控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)電站所有工藝系統(tǒng)包括核島和常規(guī)島系統(tǒng)進(jìn)行集中閉環(huán)控制，并提供良好的人機(jī)界面以及報(bào)警功能，其運(yùn)行狀況直接影響著核電站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，而機(jī)架電源是決定電站控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵電子設(shè)備。近年來(lái)，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，電站控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)機(jī)架電源已經(jīng)多次發(fā)生故障，給機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。

1 電站控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)機(jī)架電源現(xiàn)狀

電站控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)機(jī)架電源采用美國(guó)公司20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)的線性電源模塊，這些機(jī)架電源負(fù)責(zé)將廠用120V交流電轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的高品質(zhì)直流穩(wěn)壓電源，供給系統(tǒng)各個(gè)機(jī)架內(nèi)的板卡，以保障板卡上的芯片和電路的正常工作。

自2008年以來(lái)，電站控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)機(jī)架電源頻繁發(fā)生故障，其中以48V電源故障最為頻繁，共發(fā)生9次故障。造成機(jī)架電源頻繁故障的原因如下：

1）無(wú)備件采購(gòu)。原型號(hào)線性電源早年已經(jīng)停產(chǎn)，而目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上線性電源的紋波系數(shù)、調(diào)整率及穩(wěn)定性等參數(shù)均不能滿足電站控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)機(jī)架電源的要求。因此，無(wú)備件可供采購(gòu)，無(wú)法對(duì)電站控制計(jì)算機(jī)機(jī)架電源進(jìn)行預(yù)維更換。

2）現(xiàn)有機(jī)架電源維修策略。由于備件不足，一直采用Run to Fail（故障維修）的維修策略。隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，電源故障頻率增加，現(xiàn)有維修策略已無(wú)法滿足實(shí)際需要。

3）48V電源設(shè)計(jì)缺陷。在使用48V電源數(shù)字量輸入機(jī)架（以下簡(jiǎn)稱DI機(jī)架）中，由于單個(gè)電源容量不夠，采用兩個(gè)48V電源模塊直接并聯(lián)輸出。此種設(shè)計(jì)的缺陷在于，當(dāng)一個(gè)電源失效時(shí)，反而會(huì)成為另一個(gè)電源的負(fù)荷，加劇電源惡化。

因此，電站控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)機(jī)架電源故障高發(fā)，而無(wú)備件可供采購(gòu)，已經(jīng)威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為了解決這種窘境，機(jī)架電源國(guó)產(chǎn)化研發(fā)被迫提上日程。在參照原電源技術(shù)要求基礎(chǔ)上，針對(duì)原設(shè)計(jì)存在的缺陷并結(jié)合機(jī)架電源的運(yùn)行與維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)機(jī)架電源進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，使國(guó)產(chǎn)化機(jī)架電源性能等同或優(yōu)于原電源。

2 電站控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)機(jī)架電源國(guó)產(chǎn)化改造研發(fā)方案

2.1 電源技術(shù)選擇

目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的電源主要分為線性電源和開(kāi)關(guān)電源，兩種電源技術(shù)均已非常成熟。本研發(fā)項(xiàng)目選擇何種技術(shù)，需要綜合線性電源與開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)，在參照電站控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原機(jī)架電源的技術(shù)指標(biāo)基礎(chǔ)上來(lái)考量。

1）兩種電源的失效模式比較

開(kāi)關(guān)電源因其功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，電源故障時(shí)輸出電壓波形呈斷崖式，如圖1所示。觸點(diǎn)掃描儀系統(tǒng)機(jī)架電源（開(kāi)關(guān)電源）故障，電源瞬時(shí)掉電，機(jī)架內(nèi)所有輸點(diǎn)失效，直接造成觸點(diǎn)掃描儀功能故障。而對(duì)比線性電源，其功率器件工作在線性狀態(tài)，當(dāng)電源性能下降時(shí)，電源輸出是呈緩慢下降趨勢(shì)的，圖2為電站控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)DI機(jī)架48V電源故障波形圖。該48V電源在30 h內(nèi)由48V緩慢降至35V左右（通常30V以上DI能夠正常翻轉(zhuǎn)），給維修人員爭(zhēng)取了檢修準(zhǔn)備時(shí)間。從電源的失效模式上分析，相較而言，線性電源對(duì)電站控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)沖擊更小，可靠性和安全性更高。

圖1 觸點(diǎn)掃描儀系統(tǒng)VME機(jī)架電源故障波形（開(kāi)關(guān)電源）Fig.1 Contact scanner system VME rack power failure waveform(switching power supply)

圖2 電站控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)DI機(jī)架48V電源故障波形（線性電源）Fig.2 Power plant control computer system DI rack 48V power failure waveform (linear power supply)

2）性能指標(biāo)分析

以48V電源為例，電源技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。該系列電源在輸出精度、穩(wěn)定性和安全性上指標(biāo)都很高，對(duì)比線性電源和開(kāi)關(guān)電源[1]，線性電源具有調(diào)整率好、輸出穩(wěn)定性高、紋波小、對(duì)外干擾小等優(yōu)勢(shì)，更符合設(shè)計(jì)需求。

表1 48V電源技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of 48V power supply

綜上，電站控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)機(jī)架電源國(guó)產(chǎn)化研發(fā)技術(shù)仍然采用線性電源。

2.2 設(shè)計(jì)思路

國(guó)產(chǎn)化電站控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)機(jī)架電源的系統(tǒng)控制原理，采用輸出電壓作為反饋控制參數(shù)，使功率管工作在線性區(qū)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓電源的功率可調(diào)。其中，功率管的控制由線性驅(qū)動(dòng)電路獨(dú)立控制，這樣將信號(hào)處理電路與功率管分開(kāi)安置，功率管就不會(huì)對(duì)控制信號(hào)電路產(chǎn)生影響。電源組成結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括溫控保護(hù)模塊、工頻降壓模塊、整流模塊、濾波模塊、集成穩(wěn)壓模塊、功率穩(wěn)壓模塊、線性驅(qū)動(dòng)電路模塊、輸出濾波模塊、過(guò)壓保護(hù)模塊等。該種電源控制形式原理成熟、穩(wěn)定性好、紋波抑制比高，使國(guó)產(chǎn)電源研發(fā)的時(shí)間、成本可控。

圖3 國(guó)產(chǎn)化電站控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)機(jī)架電源原理框圖Fig.3 Block diagram of the power supply principle of the domestically produced power station control computer system

2.3 國(guó)產(chǎn)化機(jī)架電源電路設(shè)計(jì)

根據(jù)第2.2小節(jié)國(guó)產(chǎn)電源設(shè)計(jì)原理的論述，電路設(shè)計(jì)為120VAC輸入，經(jīng)過(guò)交流濾波，變壓器進(jìn)行工頻降壓為主、輔兩路電壓。主路電壓經(jīng)過(guò)主整流濾波電路，由交流變?yōu)橹绷?，再?jīng)功率穩(wěn)壓模塊、輸出濾波電路形成輸出電壓；輔路電壓經(jīng)輔整流濾波電路變?yōu)橹绷麟?，為大功率線性控制模塊供電。大功率線性控制模塊為功率穩(wěn)壓提供基極輸入，對(duì)功率穩(wěn)壓模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，大功率線性控制模塊的電流感應(yīng)端子與取樣電阻模塊連接，進(jìn)一步控制功率穩(wěn)壓模塊。電源輸出端有過(guò)壓保護(hù)模塊OVP和輸出濾波模塊。此外，電路中在變壓器的前端還設(shè)有溫控保護(hù)模塊，防止溫度過(guò)高造成元器件的損壞。

2.3.1 大功率線性控制電路設(shè)計(jì)

與一般線性控制電源相比，本電路設(shè)計(jì)采用折回式過(guò)流保護(hù)。由于電源功率一定，當(dāng)電源電流變大時(shí)，電源電壓降低，驅(qū)動(dòng)器反饋電壓升高。通過(guò)選擇器作用于閾值選擇電路，比較器的反相輸入端將得到不同的電壓作為保護(hù)閾值，以此將過(guò)流保護(hù)電流降為更低值。

這種電路設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于：一是在電路啟動(dòng)時(shí)，防止電流過(guò)大對(duì)電源和設(shè)備造成損害；二是在動(dòng)態(tài)負(fù)載變化時(shí)，保護(hù)閾值可調(diào)整，保護(hù)電源本身和后端設(shè)備，有效地提高了過(guò)電流保護(hù)性能。

2.3.2 48V電源雙冗余設(shè)計(jì)

1）擴(kuò)容設(shè)計(jì)。DI機(jī)架最大工作電流為2.56A，按照控制系統(tǒng)通常采用的25%～40%的裕量[2]，將電流設(shè)計(jì)成3.5A，這樣即使一個(gè)電源失效，單個(gè)電源也能滿足現(xiàn)場(chǎng)工作要求。擴(kuò)電流可通過(guò)在功率穩(wěn)壓模塊增加功率管來(lái)實(shí)現(xiàn)。功率穩(wěn)壓模塊由功率管和繞線電阻組成，它的主要功能是控制輸出電壓，保證輸出電壓的穩(wěn)定性。

2）防干擾設(shè)計(jì)。在48V電源輸出端增加一個(gè)單向?qū)ǘO管，防止一個(gè)電源電壓下降影響另一個(gè)電源。

雙冗余設(shè)計(jì)使得單個(gè)48V電源就能滿足現(xiàn)場(chǎng)工作要求，另一個(gè)電源作為熱備用，且在電源出口增加了單向?qū)ǖ亩O管，兩個(gè)電源互不干擾，大大提高了電源的可靠性。

2.3.3 故障保護(hù)功能設(shè)計(jì)

在過(guò)壓保護(hù)電路中，傳統(tǒng)的過(guò)壓保護(hù)一般具有自動(dòng)恢復(fù)輸出電壓功能，這種方式安全性能不高。本電路采用的過(guò)電壓保護(hù)是不可自動(dòng)恢復(fù)性方式，有效地提高了過(guò)壓保護(hù)性能。如果輸出電壓恢復(fù)到正常值時(shí)，該電源功能不可恢復(fù)，不能工作，這樣能有效避免有隱患電源繼續(xù)工作，必須及時(shí)更換電源或者進(jìn)行有效處理。過(guò)壓保護(hù)電路是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的電路，對(duì)電源的輸出電壓進(jìn)行采樣，在電源輸出電壓過(guò)高時(shí)，可控硅導(dǎo)通，拉低電源輸出電壓以保護(hù)下游板卡。

2.4 國(guó)產(chǎn)化機(jī)架電源外形設(shè)計(jì)

原電源模塊采用了開(kāi)板式網(wǎng)孔外殼，該種外殼的缺點(diǎn)為防護(hù)等級(jí)差、無(wú)電磁屏蔽效果。并且，由于線性電源的效率較低，電源散熱方式十分重要?；谝陨蟽煞矫娴目紤]，在保證與原電源外形和安裝尺寸一致的基礎(chǔ)上，對(duì)國(guó)產(chǎn)化電源模塊在外形上進(jìn)行改進(jìn)，將殼體設(shè)計(jì)成表面拉絲的全封閉的鋁合金結(jié)構(gòu)，電源內(nèi)部的所有功率器件均安裝于殼體上，通過(guò)殼體進(jìn)行散熱，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于：

1）提高電磁屏蔽效果，避免電源與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相互影響。

2）具有較高的防護(hù)等級(jí)，防止揚(yáng)塵、金屬碎屑進(jìn)入電源，造成電路板腐蝕和電源短路。

3）提高電源的散熱性能。選用封閉式外殼設(shè)計(jì)，這是基于文獻(xiàn)指出[3]，空氣是不良熱導(dǎo)體，在開(kāi)放式模塊中層狀氣流邊緣層的熱傳導(dǎo)性能較差。與此相比，封閉式模塊周圍封裝的熱傳導(dǎo)率大約是空氣的10倍，從而有助于散熱。因此，封閉式模塊的金屬殼起到了擴(kuò)展熱傳導(dǎo)表面的作用。在通常機(jī)柜安裝條件下，氣體速度小于1m/s時(shí)，封閉式模塊封裝的熱性能要優(yōu)于網(wǎng)格式，更有助于散熱。

3 國(guó)產(chǎn)機(jī)架電源性能評(píng)價(jià)

改造電站控制計(jì)算機(jī)機(jī)架電源樣品進(jìn)行了為期一年的長(zhǎng)期性能測(cè)試，各型號(hào)電源模塊輸出總體穩(wěn)定，對(duì)測(cè)試和安裝調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題合理整改，整改后的電源又經(jīng)過(guò)了6個(gè)月的測(cè)試，確認(rèn)整改方案的有效性。改造電站控制計(jì)算機(jī)機(jī)架電源滿足設(shè)計(jì)要求，國(guó)產(chǎn)電源性能優(yōu)于原設(shè)計(jì)，可作為電站控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)備件投用。以48V電源為例，與原電源進(jìn)行參數(shù)對(duì)比，見(jiàn)表2。

表2 48V電源參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of 48V power supply parameters

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)電站控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)機(jī)架電源進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化改造，徹底解決了機(jī)架電源備件供應(yīng)問(wèn)題，保障了電站控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在改造過(guò)程中，研發(fā)人員結(jié)合原機(jī)架電源的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)計(jì)上的不足，對(duì)改造方案進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，并按照等同于原系列電源的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)了性能測(cè)試，證明研發(fā)電源性能優(yōu)于原電源。