劉新東 周運(yùn)恒 季濤 曹才 陳臻

【摘 要】早期核電站的電子卡件在線運(yùn)行超過(guò)一定年限后板件上的一些元器件開(kāi)始進(jìn)入壽命末期，為了保證核電站后續(xù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要識(shí)別出這些影響板件壽命的元器件，并在合適的時(shí)間點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行翻新維修。文章介紹了一種核電站反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)電源模塊UE板卡的基本工作原理，結(jié)合電解電容的基本結(jié)構(gòu)以及其壽命估算方法，確定了其翻新維修的時(shí)間點(diǎn)以及范圍，并介紹了翻新維修過(guò)程，對(duì)后續(xù)翻新維修工作的開(kāi)展奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】核電站;電子卡件;壽命末期;UE板卡;電解電容;翻新維修

1 概述

眾所周知，電子產(chǎn)品的故障率如 Bath-tub Curve（圖1）所示，可以分為以下三個(gè)階段：

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

產(chǎn)品投入使用初期，帶有缺陷的部分元器件會(huì)發(fā)生故障，但隨著時(shí)間的推移，剩下的都是穩(wěn)定的元器件，產(chǎn)品故障率亦會(huì)下降，這段時(shí)間稱(chēng)為故障率下降期。

（2）故障率穩(wěn)定期（CFR;Constant Failure Rate）

在此階段，產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定，故障率降至一定水平，發(fā)生的故障均為隨機(jī)性事件，稱(chēng)為偶發(fā)性故障期。這段時(shí)期的穩(wěn)定度和平均故障時(shí)間（MTBF）呈指數(shù)式分布。

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

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用后，產(chǎn)品故障率開(kāi)始逐漸上升，發(fā)生故障的主要原因是產(chǎn)品部分元器件老化。這種類(lèi)型的故障具有集中某處發(fā)生的特征，并且工作壽命相對(duì)較短的元器件一般會(huì)首先出現(xiàn)故障，從初期開(kāi)始即呈正態(tài)分布。

因此，為了延長(zhǎng)產(chǎn)品的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間，我們有必要對(duì)產(chǎn)品中壽命較短、容易出現(xiàn)故障的元器件進(jìn)行翻新維修，以提高產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。

早期核電站的電子板件經(jīng)過(guò)二十年以上的運(yùn)行，板件上的部分元器件老化現(xiàn)象日漸嚴(yán)重。作為核安全相關(guān)系統(tǒng)，電源板件參數(shù)要求嚴(yán)格，由于板件元器件老化，容易導(dǎo)致板件輸出參數(shù)不合格。在電站的運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中，若對(duì)參數(shù)不合格的卡件全部進(jìn)行更換，則在電站運(yùn)行后期將會(huì)出現(xiàn)卡件備件不足的現(xiàn)象，并且成本高昂，因此對(duì)卡件上短壽命元器件進(jìn)行翻新維修顯得尤為必要。

2 UE電源原理介紹

UE板卡為某核電站反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)供電電源，根據(jù)功能結(jié)構(gòu)，可以將其分為穩(wěn)壓電壓、啟動(dòng)振蕩電路、逆變輸出電路、反饋控制電路四個(gè)部分，如圖2所示。

2.1 穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路由晶體管T10、T11、T12和運(yùn)放IC7組成，T12是輸出電壓調(diào)整管，由PNP管T10、T11驅(qū)動(dòng)，基準(zhǔn)電壓由穩(wěn)壓二極管T20提供，該電壓與穩(wěn)壓電路的輸出電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果作用于控制管T10，使穩(wěn)壓電路的輸出始終保持在47VDC。其中C110是電源輸入濾波電容，C113是穩(wěn)壓輸出濾波電容，如果這兩個(gè)濾波電容參數(shù)超標(biāo)，可能影響板件輸出的波形。

2.2 啟動(dòng)振蕩電路

振蕩的啟動(dòng)通過(guò)48VDC電壓向電容C117、118、119充電，充電完成后，當(dāng)按下“START”按鈕時(shí)，C117、C118分別向磁放大器供電;電容C119則經(jīng)電阻R96向推挽式振蕩電路的T13、T14供電，使電路起振，當(dāng)振蕩電路工作后，其供電方式由電容供電切換為由變壓器1經(jīng)二極管33、34整流電路供電。振蕩電路的頻率由供給線圈C3、C4和MSL的電壓來(lái)確定，并且可由電阻R94來(lái)調(diào)整。供給振蕩電路的電源也影響頻率，可由電阻R74來(lái)調(diào)整。振蕩電路的4000Hz振蕩信號(hào)通過(guò)輸出變壓器2給方波逆變電路提供信號(hào)。

振蕩的停止：按下“STOP”鈕，切斷控制線圈C1+、C1-，從而使MSL及T13、T14停振，切斷逆變部分振蕩電源，UE卡輸出被切斷。如果其中的電容C115發(fā)生故障，UE板件也會(huì)停止工作。

2.3 逆變輸出電路

逆變電路利用變壓器2從振蕩電路耦合過(guò)來(lái)的通、斷信號(hào)，控制T15、T18分別驅(qū)動(dòng)T16、T17，使其工作在飽和或截止?fàn)顟B(tài)，通過(guò)輸出變壓器，輸出24V.AC 4000Hz的方波電源。輸入電路的可控硅8、9專(zhuān)門(mén)用于起動(dòng)脈沖。

2.4 反饋控制電路

整流橋50、51、52、53、穩(wěn)壓二極管23和電阻R94、R92的電路負(fù)責(zé)控制輸出電壓和頻率的自動(dòng)調(diào)整，如果頻率無(wú)法調(diào)整（輸出過(guò)壓或者過(guò)流），就會(huì)使電源跳閘。

UE板件在設(shè)計(jì)上使用了六個(gè)電解電容、四個(gè)金屬化聚酯薄膜電容，另外還有大量的其它電子元器件，如果這些易損耗的電子器件參數(shù)發(fā)生變化，則可能會(huì)導(dǎo)致UE板件的參數(shù)超標(biāo)、可靠性下降。下面對(duì)UE板件中出現(xiàn)故障概率較高的電解電容進(jìn)行分析，從理論上確定UE板卡的翻新維修策略。

3 鋁電解電容介紹

3.1鋁電解電容的結(jié)構(gòu)

鋁電解電容器由正箔、負(fù)箔和電解紙卷成芯子，用引線引出正負(fù)極，含浸電解液后通過(guò)引腳引出，用鋁殼和膠粒封裝起來(lái)，如圖3所示。

3.2 電容器的基本原理

3.2.1 理想電容器

電容值定義：C=Q/U（Q為電荷量、U為電壓）

計(jì)算公式： ，其中電容單位為F;ε為相對(duì)介電常數(shù);ε0為真空介電常數(shù)，值為8.86×10-12 F/m;S為極板面積，單位為平方米;d為極板間距，單位為米。

3.2.1 實(shí)際電容器

在實(shí)際制造過(guò)程中，由于材料、工藝的限制，實(shí)際的電容器還存在電感、電阻、還有漏電流，為了分析上的方便，工程上常用等效電路來(lái)描述實(shí)際意義的電容，如圖5所示。

3.3 鋁電解電容器主要電參數(shù)

鋁電解電容器主要電參數(shù)包括額定電壓、串聯(lián)等效電阻、紋波電流、浪涌電壓、反向電壓、標(biāo)稱(chēng)容量、損耗、漏電流、阻抗-頻率特性、額定壽命等，這些參數(shù)可以從電容廠家提供的技術(shù)手冊(cè)上獲取，參數(shù)的詳細(xì)定義請(qǐng)查閱參考文獻(xiàn)：。

3.4 電解電容壽命計(jì)算

鋁電解電容的工作狀態(tài)、工作環(huán)境是影響其壽命的主要因素，在眾多因素中，又以工作環(huán)境溫度和紋波電流對(duì)電容壽命影響最大。利用溫度函數(shù)、紋波電流函數(shù)、降額使用函數(shù)，通過(guò)對(duì)其基本壽命進(jìn)行增減分析，可以推算出特定條件下電解電容的壽命，其計(jì)算公式如下：

在實(shí)際工作中，如紋波電流小于額定紋波電流值，電壓降額小于80%，則壽命計(jì)算可不考慮紋波電流和電壓的函數(shù)，即取 = ?=1，則電解電容壽命計(jì)算公式可以簡(jiǎn)化為：

這里以UE板卡中的電容C110為例，根據(jù)該電容廠家提供的技術(shù)參數(shù)（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。

該型號(hào)電容在85℃的環(huán)境下工作，額定電壓小于160V時(shí)的壽命是10000小時(shí)，UE板卡工作的環(huán)境溫度為45℃，供電電壓為48VDC，那么在該工作環(huán)境下電容壽命計(jì)算如下所示：

根據(jù)市面上一些電容生產(chǎn)廠家的壽命計(jì)算原則，電解電容的壽命一般小于15年，所以取L=15年。

UE板件上使用的電解電容包括：C110（電源輸入濾波）、C113（電源輸出濾波）、C114（整流輸出濾波）、C117（儲(chǔ)能）、C118（儲(chǔ)能）、C119（儲(chǔ)能），試驗(yàn)已經(jīng)證明C110/C113故障將會(huì)導(dǎo)致UE板件輸出波形存在畸變，C117/C118/C119故障導(dǎo)致UE無(wú)法啟動(dòng)，目前部分UE板件已經(jīng)運(yùn)行超過(guò)15年，所以有必要對(duì)這部分電解電容進(jìn)行翻新維修。

4 UE板卡翻新過(guò)程

由于UE板卡為反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)電源，屬于安全級(jí)設(shè)備，所以需要制定一套標(biāo)準(zhǔn)化的流程來(lái)指導(dǎo)板件翻新過(guò)程，經(jīng)過(guò)研究及討論，制定了一份指導(dǎo)性文件《RPR系統(tǒng)UE卡翻新程序》，它規(guī)定了UE板卡翻新的指導(dǎo)原則，明確了翻新過(guò)程的翻新原則、人員資質(zhì)、流程管理、質(zhì)量控制方法，以保證UE板卡翻新過(guò)程可控、翻新質(zhì)量穩(wěn)定可靠。根據(jù)上述指導(dǎo)性文件，制定了具體實(shí)施和再鑒定的質(zhì)量控制文件七份，羅列如下所示。

《UE卡翻新技術(shù)可行性分析報(bào)告》中對(duì)UE卡工作原理、元器件老化狀態(tài)、老化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，為翻新維修工作提供了理論支持;

《UE卡元器件更換/替代可行性分析報(bào)告》中規(guī)定了翻新維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，確保元器件使用合法合規(guī)。

《UE卡翻新元器件篩選報(bào)告》中規(guī)定了翻新維修過(guò)程中所使用的元器件篩選方法及相應(yīng)數(shù)據(jù)報(bào)告;

《UE卡翻新實(shí)施及檢測(cè)程序》中規(guī)定了翻新維修的具體過(guò)程和要求;

《UE卡翻新再鑒定報(bào)告》中規(guī)定了翻新維修后備件的測(cè)試驗(yàn)證內(nèi)容，包括電源穩(wěn)壓性能、電源的特性化參數(shù)檢查、輸入電壓階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)等;

《UE卡翻新跟蹤評(píng)價(jià)報(bào)告》中規(guī)定了翻新維修后的備件跟蹤評(píng)價(jià)措施;

《UE卡翻新質(zhì)量計(jì)劃》用于對(duì)整個(gè)翻新維修過(guò)程各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量控制。

通過(guò)對(duì)UE板卡元器件進(jìn)行功能分析、翻新安全分析、翻新抗震分析，并制定一系列標(biāo)準(zhǔn)化的操作程序保證翻新維修質(zhì)量，說(shuō)明翻新維修是可行的。

5 總結(jié)

UE板卡電源翻新維修為中國(guó)核電領(lǐng)域首個(gè)安全級(jí)電源的翻新項(xiàng)目，已經(jīng)成功應(yīng)用，事實(shí)證明該方法提高了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可靠性，節(jié)約了備件成本，它建立了一套安全級(jí)電源翻新維修的標(biāo)準(zhǔn)程序，有利于翻新維修工作的標(biāo)準(zhǔn)化，其中包括人員資質(zhì)、實(shí)驗(yàn)室要求、元器件替代要求、再鑒定方案、元件器篩選等內(nèi)容，為后續(xù)多基地核電站甚至國(guó)內(nèi)其他安全級(jí)設(shè)備的翻新提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，在安全級(jí)備件翻新領(lǐng)域具有里程牌的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳國(guó)光 曹婉真 專(zhuān)著[電解電容器].西安 西安交通大學(xué)出版社 1994年

（作者單位：廣東省深圳市中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司）