核电站继电保护控制电路卡的检测和维修技术

向绍斌

（广西防城港核电有限公司，广西防城港538000）

核电站继电保护控制电路卡的检测和维修技术

向绍斌

（广西防城港核电有限公司，广西防城港538000）

介绍了一种新型继电保护控制卡件（以下简称卡件）的检测技术--老化状态检测法:通过对电路图原理分析，确定各个电路节点的基准工作电压（设计电压）、维持正常工作的极限工作电压（上、下限），以及状态转换的时间，再根据具体的电路卡件来设计一个状态检测装置，对卡件进行非破坏性的检测和试验，即可知道被检测的卡件是否还能正常工作；如果检测时输入卡件的序列号，形成每个卡件专有的历史性能数据，就可根据各个节点的电压或者状态转换时间的趋势变化，评估卡件上某些元器件的老化状态，这样就可以在卡件失效前发现问题，避免卡件故障影响核电站的正常运行；对卡件进行恢复性维修，延长卡件的寿命。通过对LG_A325E过流保护卡件和LG_A326E过负荷保护卡件的检测和维修，取得了预期的检测结果，并意外地发现了卡件设计上的缺陷，提出相应的解决措施。

电路卡件；老化失效；通用电路仿真分析软件；节点电压；参数趋势分析

0 引言

某核电站已经运行20多年，在多年的运行中，发生过继电保护控制电路卡件失效或故障的案例。随着电站机组投运时间的增长，卡件失效的问题会越来越多。

卡件在电力线路的控制和保护中具有重要的作用，它持续地监测线路的状态，并且在监测到不正常状态时启动保护动作，把故障部分线路或设备从系统中隔离开，以便让系统其余部分继续运行，限制故障设备的损坏程度，防止起火，防止相邻的设备受到损坏，最大限度地减少人身伤害。由此可见继电保护控制电路卡件的可靠性关系到电厂乃至整个电力网络的安全、稳定地运行[1]，若卡件出现故障或误动作就会影响电力的正常供应，严重时会造成设备损环，甚至引起停机、停堆事故。由于核电站的产值高，所以停堆造成的损失是巨大的[2]。

通过对在运和库存卡件进行检测，可以在卡件失效前发现问题，避免卡件故障影响电站的正常运行；对卡件进行恢复性维修，可以延长卡件的寿命。目前有些备件国外原厂商已经停产，即使能买到，几个月的订货周期，动辄数十万元的报价，在供货时间和价格上让运营方头疼不已。所以，对一些重要卡件和数量较多的卡件，配备状态检测装置是必要的，经济上也是合理的[3]。

1 卡件老化失效机理分析

1.1 主要的失效模式及其分布

电子元器件的种类很多，相应的失效模式和失效机理也很多，总体来说，电子元器件的失效主要是在产品的制造、试验、运输、储存和使用等过程中发生的，与原材料、设计、制造和使用密切相关。图1为一些电子元器件现场使用失效模式及其分布的数据统计结果[3]。

1.2 主要的失效机理及其定义

失效机理是指引起电子元器件失效的实质原因，即引起电子元器件失效的物理或化学过程，通常是指由于设计上的弱点（容易变化和劣化的材料的组合）或制造工艺中形成的潜在缺陷，在某种应力作用下发生的失效及其机理。

1.3 集成电路的失效模式及失效机理

集成电路是电子产品的核心部件，随着集成电路规模的增大、集成度的提高和电流密度的增加，以及电场增强、功耗增大，集成电路的可靠性问题日益突出，集成电路的失效往往会造成整个系统的失效，甚至瘫痪。

（a）分立器件的失效模式及其分布

（b）集成电路的失效模式及其分布

（c）电阻器的失效模式及其分布

集成电路的失效分为致命失效、性能退化和间歇失效。集成电路在工艺规范、结构规范和物理分析等方面具有共同的特点，而且从其失效的原因来看，主要有过电应力（EOS）/静电放电（ESD）、工艺缺陷、结构缺陷及材料缺陷引起的失效，因此通过失效分析，可以提出一些提高集成电路可靠性的共性方法。

（d）电容器的失效模式及其分布

（e）继电器的失效模式及其分布

图1 电子元器件现场失效模式及其分布的数据统计

1.4 分立器件的失效分析

半导体分立器件门类繁多，其原理、设计和工艺技术既有共同之处，又各有特点。由于大多数的半导体硅器件采用半导体平面工艺，许多失效机理是相同和相类似的，但因结构和功能不同，其失效模式和机理又有各自的特点。随着半导体技术的发展，芯片加工工艺技术的成熟，以及生产线工艺控制能力的增强，半导体器件的失效总体表现为芯片本身失效减少，而器件封装结构和半导体器件后工序导致的失效成为主要失效。

1.5 阻容元件的失效分析

1.5.1 电阻器的失效模式和失效机理

电阻器的种类繁多，常见的固定电阻器有金属膜电阻器、金属氧化膜电阻器、碳膜电阻器、线绕电阻器和玻璃釉电阻器等。其失效可分为两大类，即致命失效和参数漂移失效。从现场使用失效统计表明，85%～90%的电阻失效属于致命性失效，失效模式主要表现为开路；只有10%左右是阻值漂移，短路的失效模式在电阻器中很少见到。

1.5.2 电容器的失效分析

相对电阻器而言，由于不同电容器的制作工艺和结构的差异较大，电容器的失效机理要复杂得多，常见的失效模式主要有以下几种:击穿、开路、电参数退化（包括电容量退化、损耗和绝缘电阻或者漏电流退化等）、漏液和开裂等。漏液是铝电解电容器和液体钽电容器最常见的一种失效模式，瓷介电容器最常见的失效模式是开裂。

1.6 继电器和连接器的失效分析

继电器、连接器都属于机电元件，是用机械的压力使导体与导体之间彼此接触，并具有导通电流的能力，也被称为接触元件。继电器、连接器等接触元件属于可靠性较差的电子元器件，特别是其中的电磁继电器，由于具有电磁及机械可动系统，影响可靠性的因素较多，因而，问题显得更加突出。例如:1971年日本发射的第一号科学卫星，共用了1 400个电子元器件，其中继电器仅占0.9%，但其失效数却占电子元器件总失效数的4.7%。

国内电磁继电器在普通地面移动环境下，在“九五”期间的使用失效率约为1.47×10-6/h；恒温开关在地面良好环境下，在“九五”期间的使用失效率约为2.55×10-5/h，可靠性水平较低。

1.7板级电路的失效分析

板级电路（PCBA）失效一般可分成两类:1）板级电路上的元器件失效，包括元器件本身存在不能满足工艺条件而产生的失效，以及使用后产生的失效；2）互连失效，包括焊点失效与PCB内部缺陷导致的失效。这两种类型的失效可以通过功能测试与电性能测试进行失效定位而得到区分。由于元器件的失效情况前面已经有充分的论述，因此，本文主要讨论焊点与PCB的互连失效问题。

PCB互连失效的模式简单，失效机理复杂，并且导致失效的原因很多。因而要通过失效分析快速地判定失效的原因并不容易，往往需要综合地运用各种技术手段，甚至需要进行工艺调查才能确诊。

焊点与PCB的结构特点决定了其主要的失效模式，由于焊点或PCB的金属化孔都是由两种以上的材质构成，其材质间结合的紧密程度，以及材料的热膨胀系数之间的匹配性对焊点或PCB的强度和可靠性影响非常大。使用环境的温度变化情况（温度应力）与机械应力的影响会加速存在隐含缺陷的焊点早期失效，特别是那些虚焊的焊点，以及金属间化合物厚薄不理想的焊点容易开路失效。因此，焊点的主要失效模式有破裂开路、虚焊；而PCB互连失效往往除了互连（通孔）开路外，还包括级间漏电（或绝缘电阻下降）、电迁移，以及枝晶生长等失效。

这些失效模式可以采用外观检查、显微镜分析、金相切片、SEM分析、EDS分析、红外显微镜、染色渗透技术、X射线透视和可焊性验证等手段确认，再结合制造过程进行综合分析，最终获得导致失效的原因。

2 国内相关检测技术[4]

虽然各种电路板千差万别，但是每种电路板都是由各种集成块、电阻和电容，以及其他器件构成的，所以电路板损坏90%以上是其中某个或某些个器件损坏造成的。检测占据了很重要的位置，对电路板上的每一个器件进行验测，直到将坏件找到，下面总结一些维修的策略和技巧。

a）观察法

拿到一块待维修的电路板时，首先对它的外观进行仔细的观察。如果电路板被烧过，那么在给电路板通电前，一定要仔细检查电源电路是否正常，在确保不会引起二次损伤后再通电。

b）静态测量法

有少部分的电路板因为一些特殊的原因发生物理变形，通过前面的观察，能够较轻易地找出故障原因，而大部分发生故障的电路板，还是需要借助万用表，对电路板上的一些主要元器件、关键点进行有序的测量，发现问题，解决问题。

c）在线测量法

在线测量法主要解决两个方面的问题:1）将上述两个步骤中发现的问题细分，最终锁定到出现问题的元器件；2）通过上面两步检查的问题并没有得到解决的，需通过在线测量来找出故障原因。

3 卡件老化状态检测技术原理

卡件电路失效一般可分成两类:1）卡件电路上的元器件失效，包括元器件本身存在不能满足工艺条件而产生的失效，以及使用后产生的失效；2）互连失效，包括焊点失效与PCB内部缺陷导致的失效。这两种类型的失效最终都会体现在电路节点的电压或者状态转换时间上，可以通过检测电路的节点电压来确定。

使用针床或人工使用探针对卡件施加激励信号并探测电路内部节点的电压信号，再通过计算机对这些节点电压随时间的变化进行处理，可以得到卡件的工作状态，定位卡件故障点，实现卡件的检测和维修。

如果检测时输入卡件的序列号，形成每个卡件专有的历史性能数据，就可以根据各个节点电压或者状态转换时间的趋势变化，评估卡件上某些元器件的老化状态，由此可以在卡件失效前发现问题，避免卡件故障影响核电站的正常运行；对卡件进行恢复性维修，延长卡件的寿命。

图2为通过卡件某个参数的趋势变化评估卡件老化状态的原理图，图中的老化敏感参数是卡件上某一元器件的某个参数值，可以是电解电容值，也可以是三极管的CE击穿电压值，或者其他的某个参数。曲线上的每个点都是一次检测的值，把历史上的检测值连接起来就形成一条曲线。当这个值变化到某个位置，电路就无法正常工作了。根据这个曲线变化规律，可以大概估计这个元器件的剩余寿命。

图2 通过卡件某个参数的趋势变化评估卡件老化状态的原理图

4 工程实例

选取LG_A325E过流保护卡件和LG_A326E过负荷保护卡件，通过对它们的电路原理分析（如图3所示），确定了需要检测的节点；再根据这些数据，设计了一套老化敏感元器件状态检测装置。用电路仿真软件PSPICE对电路板工作状态进行分析，取得电路基准参数。用这套装置对在运的和库房备用卡件进行检测；通过与电路基准参数的比较，可以了解被测卡件是否还能正常工作。输入卡件序列号，保存检测结果，通过与其本身的历史数据对比，可以得到这些参数随时间变化的曲线。如图4所示。

通过曲线是否超出电路正常工作可接受的范围，就可以判定这个卡件是否该报废，或者需要进行恢复性的维修。根据曲线的趋势，还可以进行电路寿命评估。

5 取得的成果

检测装置检测一块卡件只需1～2 min，在电站大修时可以很方便地对大量的同类卡件进行快速的检测筛选，节省了时间。

实际上，利用检测装置检测卡件取得了预期的效果:正常状态下各个节点的电压；过流发生门槛值；发生过流状态转换后各节点的电压；延时输出时间；过流恢复门槛；恢复后各个节点的电压均被正常检测到。

图3 LG_A325E过流保护卡件电路原理图

图4 检测装置和被测卡件

图5 卡件上的VT 1和VT 3局部图，可看到VT 1的保护二极管VD 11

在检测中还意外地发现VT 3被击穿了，3个样品卡件有两个VT 3被击穿。VT 3为小功率NPN通用三极管，在正常工作条件下，寿命是非常长的。卡件上同样型号的VT 1和VT 4却完好。

分析电路原理图可以发现，VT 1上有个保护二极管VD 11，紧挨着集电极，而VT 3没有（如图5所示），VT 4的负载是个LED，不是感性负载，关断时不会引起瞬态高。而VT 1，VT 3的负载均是继电器，在卡件外面，从三极管到负载之间有一定距离的连线。

图6 关断时VT 1和VT 3的集电极和基极的电压波形

同时用示波器观察了关断时VT 1和VT 3的集电极和基极的电压波形（如图6所示），VT 1由于有二极管保护，其集电极上的电压被限制在电源电压上。VT 3因为已经被击穿，无法完全关断，集电极上的电压没有瞬态高压，只是慢慢地上升到某个比电源电压低的值就稳定下来。可以想象得到，在VT 3被击穿之前，它上面的集电极电压曾经经历了图6中的红色波形，瞬态高压超出了它能承受的C-E间击穿电压，形成了永久性击穿损坏。

根据以上分析，维修时除了更换已经损坏的VT 3，还可以参考VT 1的设计，给VT 3加上一个保护二极管，就能让VT 3不再损坏，让卡件更加可靠地工作。加一个成本极低的二极管，就可以让上万块钱的卡件更加可靠地工作，这是非常有价值的事情。

6 结束语

卡件老化状态检测装置的使用非常简单，电站运行维护人员经过几分钟的简单培训即可熟练地操作[5-6]。检测速度快，一个卡件在1～2 min内即可检测完毕，适合在电厂大修、对时间有严格要求的情况下下使用。

通过对在运和库存的卡件进行检测，可以在卡件失效前发现问题，避免卡件故障影响电站的正常运行；对卡件进行恢复性维修，可以延长其寿命。目前有些备件国外原厂商已经停产，即使能买到，几个月的订货周期，以及动辄几万几十万元的报价，也让运营方头疼不已。所以对一些重要卡件和用量较大的卡件，配备检测装置是非常必要的，经济上也是十分合理的。

[1]李林川.电力系统基础[M].北京:科学出版社，2009.

[2]施莉，赵东成，杨明玉.关于继电保护系统中隐形故障的探讨[J].继电器，2004，32（5）:66-69.

[3]吉田弘之.电子元器件的故障原因及其对策[M].北京:中国标准出版社，2004.

[4]史慧.武器装备电路板维修测试与诊断技术综述[C]//第十六届全国测试与故障诊断技术研讨会论文集.2007.

[5]文伯瑜.状态检修和寿命评估在电力系统中的应用[J].水电厂自动化，2001（3）:7-10.

[6]李景禄，李青山.电力系统状态检修[M].北京:中国水利水电出版社，2011.

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

XIANG Shao-bin
（Guangxi Fangchenggang Nuclear Power Co.，Ltd.，Fangchenggang 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

向绍斌（1976-），男，湖北汉川人，广西防城港核电有限公司工程师，从事电力系统继电保护及自动控制检修工作。