数字化棒控电源柜可靠性设计与分析

何佳佶，郑 杲，何正熙，黄可东，李国勇，许明周，李梦书，刘依依，张 芸

(中国核动力研究设计院反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610213)

0 引言

棒控棒位系统用于提升、插入和保持控制棒束，并监视每一束控制棒束的位置，主要包括棒控逻辑柜、棒控电源柜(简称电源柜)、棒位处理柜、棒位测量柜等设备，是核电厂的重要专用仪控系统。其中，电源柜是直接驱动反应堆内唯一运动部件——控制棒的控制设备。反应堆自动运行时，电源柜作为功率调节系统的执行机构，根据接收的升、降信号及棒速信号，控制棒束按一定速度提升、下插；在启、停堆或需要手动运行时，根据操纵员的指令控制驱动机构运行。因此，电源柜的稳定、可靠运行对核电厂的经济、高效运行起着至关重要的作用。

早期电源柜采用的是模拟技术，调试以及日常维护十分不便。随着分布式控制系统(distributed control system,DCS)(又称数字化控制系统)的广泛应用，新设计的电源柜也都逐渐采用数字化技术。已有文献对数字化的电源柜进行了设计分析，并应用于在役核电厂的改造以及新建核电厂中[1-3]。目前，仅有少量文献分析了核电厂仪控系统的可靠性。文献[4]采用动态流图法，分析了数字化仪控系统的可靠性。这种方法适用于多参数、多故障情况的DCS，对于专用仪控系统(特别是电源柜)不适用。文献[5]～文献[6]分别对棒控棒位系统和棒控系统电源的冗余功能进行了分析。但其只分析了系统连续运行12个月的可靠性，并未对电源柜整体功能的可靠性进行分析。

为提高经济性，三代核电“华龙一号”与AP 1000的换料周期均提高到18个月[7]，也对棒控棒位系统的可靠性提出了更高的要求。因此，本文根据棒控棒位系统对电源柜的功能需求，结合核电厂实际运行经验与元器件老化机理，对电源柜可靠性进行了详细分析。

1 电源柜功能分析

电源柜的功能包括：执行上游发出的命令，向控制棒驱动机构线圈提供时序电流，监测与反馈故障信号，实现停堆落棒等功能[3]。其中，主要的功能就是对提升(lift coil,LC)、传递(movement coil,MC)、保持(stay coil,SC)3种线圈通以一定时序的电流，完成控制棒的运动。通常，每个电源柜可控制4个棒束，每个棒束包含3个线圈。

棒控电源柜控制结构如图1所示。

图1 棒控电源柜控制结构示意图

对于文献[3]中设计的数字化棒控电源柜，通信与逻辑处理模块由PLC实现，控制驱动模块由DSP控制电路实现，主电路由基于绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的三相全波整流电路实现。

2 电源柜可靠性设计

电源柜内部有大量功率器件，具有强弱电结合的特点，在对电源柜进行可靠性设计时可依据以下原则。

①器件选型。

在器件选型时，尽可能选择已证实其可靠性的标准元器件。对于无明确可靠性指标的元器件，依据GJB/Z 299C-2006进行可靠性预计。采用降额使用的方式，元器件工作范围应低于额定值。

②冗余设计。

针对可靠性薄弱环节和关键性元器件进行冗余设计。如在控制电源设计中，在两路独立电源输入的同时，通过冗余的电源调理电路确保电源柜的电源可靠性；在故障信号冗余设计中，确保安全相关功能及时响应。

③模块化设计。

采用模块化设计理念，所有功能模块均使用插件式结构，相同功能的插件均可互换，以提升可维修性、有效减少机柜内接线。

④电磁兼容、抗干扰与热设计。

在印制电路板设计时，充分考虑电源柜强电、接线、电磁传导等可能产生的电磁干扰，接地设计阻容电路消除共模干扰，功率器件的分布与风道设计结合等。

⑤双保持设计。

电源柜设计了双保持功能。当监测到系统发生严重故障时，可在保持和传递线圈的同时输出恒定大小的电流，防止由于电源或电源柜本身故障导致意外落棒情况的发生。同时，该设计能保持和传递线圈通过不同的电源模块进行供电，确保了双保持功能的有效性。

3 可靠性分析与建模

在核电厂非正常工况时，电源柜掉电使控制棒通过重力落入堆芯，不参与安全相关功能。因此，电源柜的可靠性只考虑核电厂正常运行工况。根据可靠性设计要求，电源柜采用相互独立的两套电源系统进行供电。因此，图1下方虚线区域内的单线圈电流控制电路可靠性模型如图2所示。

图2 单线圈电流控制电路可靠性模型

在核电厂正常运行期间，电源柜可能处于三种状态。

①运动状态。此时电源柜接收到运动控制信号，LC、MC、SC按一定时序通断，实现控制棒的运动。

②单保持状态。此时电源柜无运动控制命令，SC线圈持续输出电流，确保控制棒停留在当前位置。

③双保持状态。当电源柜触发紧急故障时，使MC、SC同时输出电流，确保控制棒不落入堆芯。处于该状态时，应尽快分析故障原因并进行维护。

3.1 完全功能可靠性建模

电源柜在前两种状态时的可靠性，称为完全功能可靠性。此时，对于任意一个控制棒驱动机构，三个线圈回路必须同时正常工作。而LC、MC、SC控制电路由相互独立的三套控制驱动模块和主电路组成，且共用一套冗余控制电源和通信与逻辑处理模块。因此，可以得到满足完全功能的电源柜可靠性模型，如图3所示。

图3 满足完全功能的电源柜可靠性模型

图3中，虚线框内表示单个电源柜控制4束棒。为确保4束棒均满足功能要求，采用串联方式计算可靠性。

假设电源柜所有元器件都处于偶然失效期，其寿命分布服从以失效率λm为常数的指数分布。所有模块可靠度可表示为：

R(t)=e-λmt

(1)

核电厂控制棒通常包含停堆棒组、功率棒组和温度棒组，分别实现停堆、功率控制以及温度控制功能。在反应堆实际运行时，停堆棒组时刻保持在最高位置，仅在启停堆时运动；功率棒组和温度棒组日均动棒不超过100步。LC和MC主电路的实际运行时间极短，分析影响仪控设备可靠性的因素[8]，可对LC和MC主电路的可靠度进行修正。修正后LC和MC主电路的可靠度为：

RLC/MC(t)=e-kλmt

(2)

式中：k为利用率系数。

对于百万千瓦级核电厂的棒组分组情况，通常取LC和MC主电路利用系数平均值为k=0.001，失效率不受利用率影响，依然为常数λm。

根据冗余系统可靠性计算方法[9-10]，计算得到电源柜完全功能可靠性模型的可靠度RF(t)与失效率λF(t)分别为：

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分别为控制电源、通信与逻辑处理模块、控制驱动模块、LC线圈主电路和MC/SC线圈主电路的失效率。

3.2 后备功能可靠性建模

电源柜在第三种状态时的可靠性，称为后备功能可靠性。此时，MC和SC只要有一路正常工作就能满足可靠性要求，实现功能的互为冗余。同理，可得满足后备功能的电源柜可靠性模型，如图4所示。

图4 满足后备功能的电源柜可靠性模型

为确保4束棒均满足功能要求，图4中虚线部分的可靠性采用串联方式计算。

电源柜后备功能可靠性模型的可靠度RB(t)与失效率λB(t)分别为：

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 分析计算与验证

根据已有可靠性参数以及可靠性预计方法，建立了设备/元器件的可靠性参数库。本文所涉及的电源柜功能模块可靠性数据如表1所示。

表1 电源柜功能模块可靠性数据

4.1 正常运行工况下的可靠性算法性能对比分析

为验证电源柜可靠性算法的有效性，令k分别为1和0.001，代表传统的可靠性算法和加入利用率系数的修正算法。假设电源柜按正常工况下长期连续运行，将k分别代入式(3)～式(6)，得到电源柜可靠性算法对比，如图5所示。

图5 电源柜可靠性算法对比图

从图5中可以看出，若采用原可靠性算法，仅在3年(2个换料周期)连续不间断运行后，计算得到电源柜的完全功能可靠性已低于0.5。电源柜在长期连续运行条件下的可靠性下降与设备实际运行情况出现较大偏差。本文加入利用率系数修正后，根据电路实际老化情况对算法进行了补偿，使计算结果更符合设备在实际运行中的可靠性下降规律。

采用修正算法后可知，在连续运行6年后，电源柜的完全功能可靠性接近0.5。由此可见，对于电源柜这类强弱电结合、可靠性模型复杂的设备，需要结合日常维护等措施，确保系统可靠性满足要求。

4.2 电源柜功能可靠性计算与分析

为验证电源柜后备功能的可靠性，令k=0.001，分别计算电源柜长期连续运行条件下的完全功能和后备功能的失效率。失效率曲线对比如图6所示。

图6 失效率曲线对比图

从图6可以计算得到，电源柜后备功能的平均失效率仅为完全功能的6.81%。在出现紧急故障情况

下，电源柜能够有效触发双保持功能，确保电源柜后备功能的可靠性。此外，电源柜两种功能的失效率均呈增长趋势，冗余程度更高的后备功能的失效率增长更快。这是由于长期运行后冗余器件老化程度增加导致的整体电路故障趋势加快。但在核电厂的设计寿命期限内，其不影响电源柜后备功能的有效性。

5 结束语

为提高棒控棒位系统的可靠性，本文提出了基于数字化棒控电源柜的可靠性设计与分析方法。在设备研制过程中充分考虑棒控棒位系统对电源柜的功能需求，将电源柜可靠性划分为完全功能可靠性和后备功能可靠性两类。通过理论分析，提出了电源柜的可靠性模型，并结合实际运行经验，加入利用率系数，对可靠性模型进行了修正。通过计算与分析，验证了改进可靠性模型的有效性，确保了电源柜具有极高的后备功能可靠性，从而有效避免由电源柜引起的意外落棒事件。最后，结合电源柜可靠性计算结果，通过日常维护与系统可靠性设计相结合的方式，能够保障电源柜满足三代核电运行要求。