电站控制计算机系统机架电源国产化

2021-11-29李秀兰王京

仪器仪表用户 2021年11期

李秀兰，王京

（中核核电运行管理有限公司，浙江海盐 314300）

0 引言

某核电厂电站控制计算机系统负责对电站所有工艺系统包括核岛和常规岛系统进行集中闭环控制，并提供良好的人机界面以及报警功能，其运行状况直接影响着核电站的安全、稳定运行，而机架电源是决定电站控制计算机系统能稳定运行的关键电子设备。近年来，随着机组运行时间的增长，电站控制计算机系统机架电源已经多次发生故障，给机组稳定运行带来了一定的挑战。

1 电站控制计算机系统机架电源现状

电站控制计算机系统机架电源采用美国公司20世纪80年代设计的线性电源模块，这些机架电源负责将厂用120V交流电转换成相应的高品质直流稳压电源，供给系统各个机架内的板卡，以保障板卡上的芯片和电路的正常工作。

自2008年以来，电站控制计算机系统机架电源频繁发生故障，其中以48V电源故障最为频繁，共发生9次故障。造成机架电源频繁故障的原因如下：

1）无备件采购。原型号线性电源早年已经停产，而目前国内市场上线性电源的纹波系数、调整率及稳定性等参数均不能满足电站控制计算机系统机架电源的要求。因此，无备件可供采购，无法对电站控制计算机机架电源进行预维更换。

2）现有机架电源维修策略。由于备件不足，一直采用Run to Fail（故障维修）的维修策略。随着运行时间增长，电源故障频率增加，现有维修策略已无法满足实际需要。

3）48V电源设计缺陷。在使用48V电源数字量输入机架（以下简称DI机架）中，由于单个电源容量不够，采用两个48V电源模块直接并联输出。此种设计的缺陷在于，当一个电源失效时，反而会成为另一个电源的负荷，加剧电源恶化。

因此，电站控制计算机系统机架电源故障高发，而无备件可供采购，已经威胁系统的稳定运行。为了解决这种窘境，机架电源国产化研发被迫提上日程。在参照原电源技术要求基础上，针对原设计存在的缺陷并结合机架电源的运行与维护经验，对机架电源进行设计改进，使国产化机架电源性能等同或优于原电源。

2 电站控制计算机系统机架电源国产化改造研发方案

2.1 电源技术选择

目前国内外市场上的电源主要分为线性电源和开关电源，两种电源技术均已非常成熟。本研发项目选择何种技术，需要综合线性电源与开关电源的特点，在参照电站控制计算机系统原机架电源的技术指标基础上来考量。

1）两种电源的失效模式比较

开关电源因其功率器件工作在开关状态，电源故障时输出电压波形呈断崖式，如图1所示。触点扫描仪系统机架电源（开关电源）故障，电源瞬时掉电，机架内所有输点失效，直接造成触点扫描仪功能故障。而对比线性电源，其功率器件工作在线性状态，当电源性能下降时，电源输出是呈缓慢下降趋势的，图2为电站控制计算机系统DI机架48V电源故障波形图。该48V电源在30 h内由48V缓慢降至35V左右（通常30V以上DI能够正常翻转），给维修人员争取了检修准备时间。从电源的失效模式上分析，相较而言，线性电源对电站控制计算机系统冲击更小，可靠性和安全性更高。

图1 触点扫描仪系统VME机架电源故障波形（开关电源）Fig.1 Contact scanner system VME rack power failure waveform(switching power supply)

图2 电站控制计算机系统DI机架48V电源故障波形（线性电源）Fig.2 Power plant control computer system DI rack 48V power failure waveform (linear power supply)

2）性能指标分析

以48V电源为例，电源技术参数见表1。该系列电源在输出精度、稳定性和安全性上指标都很高，对比线性电源和开关电源[1]，线性电源具有调整率好、输出稳定性高、纹波小、对外干扰小等优势，更符合设计需求。

表1 48V电源技术参数Table 1 Technical parameters of 48V power supply

综上，电站控制计算机系统机架电源国产化研发技术仍然采用线性电源。

2.2 设计思路

国产化电站控制计算机系统机架电源的系统控制原理，采用输出电压作为反馈控制参数，使功率管工作在线性区，实现稳压电源的功率可调。其中，功率管的控制由线性驱动电路独立控制，这样将信号处理电路与功率管分开安置，功率管就不会对控制信号电路产生影响。电源组成结构如图3所示，主要包括温控保护模块、工频降压模块、整流模块、滤波模块、集成稳压模块、功率稳压模块、线性驱动电路模块、输出滤波模块、过压保护模块等。该种电源控制形式原理成熟、稳定性好、纹波抑制比高，使国产电源研发的时间、成本可控。

图3 国产化电站控制计算机系统机架电源原理框图Fig.3 Block diagram of the power supply principle of the domestically produced power station control computer system

2.3 国产化机架电源电路设计

根据第2.2小节国产电源设计原理的论述，电路设计为120VAC输入，经过交流滤波，变压器进行工频降压为主、辅两路电压。主路电压经过主整流滤波电路，由交流变为直流，再经功率稳压模块、输出滤波电路形成输出电压；辅路电压经辅整流滤波电路变为直流电，为大功率线性控制模块供电。大功率线性控制模块为功率稳压提供基极输入，对功率稳压模块进行驱动。同时，大功率线性控制模块的电流感应端子与取样电阻模块连接，进一步控制功率稳压模块。电源输出端有过压保护模块OVP和输出滤波模块。此外，电路中在变压器的前端还设有温控保护模块，防止温度过高造成元器件的损坏。

2.3.1 大功率线性控制电路设计

与一般线性控制电源相比，本电路设计采用折回式过流保护。由于电源功率一定，当电源电流变大时，电源电压降低，驱动器反馈电压升高。通过选择器作用于阈值选择电路，比较器的反相输入端将得到不同的电压作为保护阈值，以此将过流保护电流降为更低值。

这种电路设计的优势在于：一是在电路启动时，防止电流过大对电源和设备造成损害；二是在动态负载变化时，保护阈值可调整，保护电源本身和后端设备，有效地提高了过电流保护性能。

2.3.2 48V电源双冗余设计

1）扩容设计。DI机架最大工作电流为2.56A，按照控制系统通常采用的25%～40%的裕量[2]，将电流设计成3.5A，这样即使一个电源失效，单个电源也能满足现场工作要求。扩电流可通过在功率稳压模块增加功率管来实现。功率稳压模块由功率管和绕线电阻组成，它的主要功能是控制输出电压，保证输出电压的稳定性。

2）防干扰设计。在48V电源输出端增加一个单向导通二极管，防止一个电源电压下降影响另一个电源。

双冗余设计使得单个48V电源就能满足现场工作要求，另一个电源作为热备用，且在电源出口增加了单向导通的二极管，两个电源互不干扰，大大提高了电源的可靠性。

2.3.3 故障保护功能设计

在过压保护电路中，传统的过压保护一般具有自动恢复输出电压功能，这种方式安全性能不高。本电路采用的过电压保护是不可自动恢复性方式，有效地提高了过压保护性能。如果输出电压恢复到正常值时，该电源功能不可恢复，不能工作，这样能有效避免有隐患电源继续工作，必须及时更换电源或者进行有效处理。过压保护电路是一个相对独立的电路，对电源的输出电压进行采样，在电源输出电压过高时，可控硅导通，拉低电源输出电压以保护下游板卡。

2.4 国产化机架电源外形设计

原电源模块采用了开板式网孔外壳，该种外壳的缺点为防护等级差、无电磁屏蔽效果。并且，由于线性电源的效率较低，电源散热方式十分重要。基于以上两方面的考虑，在保证与原电源外形和安装尺寸一致的基础上，对国产化电源模块在外形上进行改进，将壳体设计成表面拉丝的全封闭的铝合金结构，电源内部的所有功率器件均安装于壳体上，通过壳体进行散热，这样设计的优势在于：

1）提高电磁屏蔽效果，避免电源与现场设备相互影响。

2）具有较高的防护等级，防止扬尘、金属碎屑进入电源，造成电路板腐蚀和电源短路。

3）提高电源的散热性能。选用封闭式外壳设计，这是基于文献指出[3]，空气是不良热导体，在开放式模块中层状气流边缘层的热传导性能较差。与此相比，封闭式模块周围封装的热传导率大约是空气的10倍，从而有助于散热。因此，封闭式模块的金属壳起到了扩展热传导表面的作用。在通常机柜安装条件下，气体速度小于1m/s时，封闭式模块封装的热性能要优于网格式，更有助于散热。

3 国产机架电源性能评价

改造电站控制计算机机架电源样品进行了为期一年的长期性能测试，各型号电源模块输出总体稳定，对测试和安装调试过程中出现的问题合理整改，整改后的电源又经过了6个月的测试，确认整改方案的有效性。改造电站控制计算机机架电源满足设计要求，国产电源性能优于原设计，可作为电站控制计算机系统备件投用。以48V电源为例，与原电源进行参数对比，见表2。