一种核电厂安全级电源翻新维修方法

刘新东 周运恒 季涛 曹才 陈臻

【摘 要】早期核电站的电子卡件在线运行超过一定年限后板件上的一些元器件开始进入寿命末期，为了保证核电站后续的安全稳定运行，需要识别出这些影响板件寿命的元器件，并在合适的时间点对其进行翻新维修。文章介绍了一种核电站反应堆保护系统电源模块UE板卡的基本工作原理，结合电解电容的基本结构以及其寿命估算方法，确定了其翻新维修的时间点以及范围，并介绍了翻新维修过程，对后续翻新维修工作的开展奠定了基础。

【关键词】核电站;电子卡件;寿命末期;UE板卡;电解电容;翻新维修

1 概述

众所周知，电子产品的故障率如 Bath-tub Curve（图1）所示，可以分为以下三个阶段：

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

产品投入使用初期，带有缺陷的部分元器件会发生故障，但随着时间的推移，剩下的都是稳定的元器件，产品故障率亦会下降，这段时间称为故障率下降期。

（2）故障率稳定期（CFR;Constant Failure Rate）

在此阶段，产品运行稳定，故障率降至一定水平，发生的故障均为随机性事件，称为偶发性故障期。这段时期的稳定度和平均故障时间（MTBF）呈指数式分布。

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

经过长时间的使用后，产品故障率开始逐渐上升，发生故障的主要原因是产品部分元器件老化。这种类型的故障具有集中某处发生的特征，并且工作寿命相对较短的元器件一般会首先出现故障，从初期开始即呈正态分布。

因此，为了延长产品的稳定运行时间，我们有必要对产品中寿命较短、容易出现故障的元器件进行翻新维修，以提高产品的可靠性和稳定性。

早期核电站的电子板件经过二十年以上的运行，板件上的部分元器件老化现象日渐严重。作为核安全相关系统，电源板件参数要求严格，由于板件元器件老化，容易导致板件输出参数不合格。在电站的运行维护过程中，若对参数不合格的卡件全部进行更换，则在电站运行后期将会出现卡件备件不足的现象，并且成本高昂，因此对卡件上短寿命元器件进行翻新维修显得尤为必要。

2 UE电源原理介绍

UE板卡为某核电站反应堆保护系统供电电源，根据功能结构，可以将其分为稳压电压、启动振荡电路、逆变输出电路、反馈控制电路四个部分，如图2所示。

2.1 稳压电路

稳压电路由晶体管T10、T11、T12和运放IC7组成，T12是输出电压调整管，由PNP管T10、T11驱动，基准电压由稳压二极管T20提供，该电压与稳压电路的输出电压进行比较，比较结果作用于控制管T10，使稳压电路的输出始终保持在47VDC。其中C110是电源输入滤波电容，C113是稳压输出滤波电容，如果这两个滤波电容参数超标，可能影响板件输出的波形。

2.2 启动振荡电路

振荡的启动通过48VDC电压向电容C117、118、119充电，充电完成后，当按下“START”按钮时，C117、C118分别向磁放大器供电;电容C119则经电阻R96向推挽式振荡电路的T13、T14供电，使电路起振，当振荡电路工作后，其供电方式由电容供电切换为由变压器1經二极管33、34整流电路供电。振荡电路的频率由供给线圈C3、C4和MSL的电压来确定，并且可由电阻R94来调整。供给振荡电路的电源也影响频率，可由电阻R74来调整。振荡电路的4000Hz振荡信号通过输出变压器2给方波逆变电路提供信号。

振荡的停止：按下“STOP”钮，切断控制线圈C1+、C1-，从而使MSL及T13、T14停振，切断逆变部分振荡电源，UE卡输出被切断。如果其中的电容C115发生故障，UE板件也会停止工作。

2.3 逆变输出电路

逆变电路利用变压器2从振荡电路耦合过来的通、断信号，控制T15、T18分别驱动T16、T17，使其工作在饱和或截止状态，通过输出变压器，输出24V.AC 4000Hz的方波电源。输入电路的可控硅8、9专门用于起动脉冲。

2.4 反馈控制电路

整流桥50、51、52、53、稳压二极管23和电阻R94、R92的电路负责控制输出电压和频率的自动调整，如果频率无法调整（输出过压或者过流），就会使电源跳闸。

UE板件在设计上使用了六个电解电容、四个金属化聚酯薄膜电容，另外还有大量的其它电子元器件，如果这些易损耗的电子器件参数发生变化，则可能会导致UE板件的参数超标、可靠性下降。下面对UE板件中出现故障概率较高的电解电容进行分析，从理论上确定UE板卡的翻新维修策略。

3 铝电解电容介绍

3.1铝电解电容的结构

铝电解电容器由正箔、负箔和电解纸卷成芯子，用引线引出正负极，含浸电解液后通过引脚引出，用铝壳和胶粒封装起来，如图3所示。

3.2 电容器的基本原理

3.2.1 理想电容器

电容值定义：C=Q/U（Q为电荷量、U为电压）

计算公式： ，其中电容单位为F;ε为相对介电常数;ε0为真空介电常数，值为8.86×10-12 F/m;S为极板面积，单位为平方米;d为极板间距，单位为米。

3.2.1 实际电容器

在实际制造过程中，由于材料、工艺的限制，实际的电容器还存在电感、电阻、还有漏电流，为了分析上的方便，工程上常用等效电路来描述实际意义的电容，如图5所示。

3.3 铝电解电容器主要电参数

铝电解电容器主要电参数包括额定电压、串联等效电阻、纹波电流、浪涌电压、反向电压、标称容量、损耗、漏电流、阻抗-频率特性、额定寿命等，这些参数可以从电容厂家提供的技术手册上获取，参数的详细定义请查阅参考文献：。

3.4 电解电容寿命计算

铝电解电容的工作状态、工作环境是影响其寿命的主要因素，在众多因素中，又以工作环境温度和纹波电流对电容寿命影响最大。利用温度函数、纹波电流函数、降额使用函数，通过对其基本寿命进行增减分析，可以推算出特定条件下电解电容的寿命，其计算公式如下：

在实际工作中，如纹波电流小于额定纹波电流值，电压降额小于80%，则寿命计算可不考虑纹波电流和电压的函数，即取 =  =1，则电解电容寿命计算公式可以简化为：

这里以UE板卡中的电容C110为例，根据该电容厂家提供的技术参数（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。

该型号电容在85℃的环境下工作，额定电压小于160V时的寿命是10000小时，UE板卡工作的环境温度为45℃，供电电压为48VDC，那么在该工作环境下电容寿命计算如下所示：

根据市面上一些电容生产厂家的寿命计算原则，电解电容的寿命一般小于15年，所以取L=15年。

UE板件上使用的电解电容包括：C110（电源输入滤波）、C113（电源输出滤波）、C114（整流输出滤波）、C117（储能）、C118（储能）、C119（储能），试验已经证明C110/C113故障将会导致UE板件输出波形存在畸变，C117/C118/C119故障导致UE无法启动，目前部分UE板件已经运行超过15年，所以有必要对这部分电解电容进行翻新维修。

4 UE板卡翻新过程

由于UE板卡为反应堆保护系统电源，属于安全级设备，所以需要制定一套标准化的流程来指导板件翻新过程，经过研究及讨论，制定了一份指导性文件《RPR系统UE卡翻新程序》，它规定了UE板卡翻新的指导原则，明确了翻新过程的翻新原则、人员资质、流程管理、质量控制方法，以保证UE板卡翻新过程可控、翻新质量稳定可靠。根据上述指导性文件，制定了具体实施和再鉴定的质量控制文件七份，罗列如下所示。

《UE卡翻新技术可行性分析报告》中对UE卡工作原理、元器件老化状态、老化实验数据进行了详细分析，为翻新维修工作提供了理论支持;

《UE卡元器件更换/替代可行性分析报告》中规定了翻新维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，确保元器件使用合法合规。

《UE卡翻新元器件筛选报告》中规定了翻新维修过程中所使用的元器件筛选方法及相应数据报告;

《UE卡翻新实施及检测程序》中规定了翻新维修的具体过程和要求;

《UE卡翻新再鉴定报告》中规定了翻新维修后备件的测试验证内容，包括电源稳压性能、电源的特性化参数检查、输入电压阶跃响应实验等;

《UE卡翻新跟踪评价报告》中规定了翻新维修后的备件跟踪评价措施;

《UE卡翻新质量计划》用于对整个翻新维修过程各个节点进行质量控制。

通过对UE板卡元器件进行功能分析、翻新安全分析、翻新抗震分析，并制定一系列标准化的操作程序保证翻新维修质量，说明翻新维修是可行的。

5 总结

UE板卡电源翻新维修为中国核电领域首个安全级电源的翻新项目，已经成功应用，事实证明该方法提高了现场设备可靠性，节约了备件成本，它建立了一套安全级电源翻新维修的标准程序，有利于翻新维修工作的标准化，其中包括人员资质、实验室要求、元器件替代要求、再鉴定方案、元件器筛选等内容，为后续多基地核电站甚至国内其他安全级设备的翻新提供了可借鉴的经验，在安全级备件翻新领域具有里程牌的意义。

参考文献：

[1] 陈国光 曹婉真 专著[电解电容器].西安 西安交通大学出版社 1994年

（作者单位：广东省深圳市中广核核电运营有限公司）