任 潔

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

電子設(shè)備的運(yùn)行實(shí)踐表明，電子元件的故障發(fā)生率是隨工作溫度的提高而呈指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)的。研究資料也表明：?jiǎn)蝹€(gè)半導(dǎo)體元件的溫度升高10℃，系統(tǒng)的可靠性降低50%，這就是“l(fā)0℃法則”。因此，在機(jī)柜中如何控制內(nèi)部的溫度，給設(shè)備提供良好的運(yùn)行環(huán)境，成為機(jī)柜設(shè)計(jì)及系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

如何較好地解決儀控設(shè)備散熱是一個(gè)非常重要卻又常被忽視的問題。設(shè)備只能在一定的溫度范圍內(nèi)正常工作，當(dāng)把它們置于機(jī)柜中或是封閉環(huán)境內(nèi)工作時(shí)，溫度就可能成為一個(gè)大問題，一旦設(shè)備產(chǎn)生的熱量不能很好地散發(fā)，將會(huì)影響設(shè)備的工作性能、可靠性，導(dǎo)致故障發(fā)生。因此，研究有效的降溫方法有助于解決散熱問題。

本文提到的棒控棒位系統(tǒng)是核電站儀控系統(tǒng)的重要

組成部分，由控制棒控制系統(tǒng)和控制棒位置指示系統(tǒng)兩個(gè)系統(tǒng)組成，主要用于控制控制棒插入堆芯深度來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)堆的功率以及指示控制棒在堆芯的位置。棒控系統(tǒng)電源柜中的電流調(diào)節(jié)回路以及棒位系統(tǒng)的恒流源部分均是高產(chǎn)熱部件。如果散熱問題不能得到很好地解決，棒控棒位系統(tǒng)的性能將受到很大影響，這必然直接影響核電站安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，為了棒控棒位系統(tǒng)設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行，尋求一個(gè)良好的散熱解決方案尤為重要。

1 棒控棒位系統(tǒng)設(shè)備的散熱方式

目前，棒控棒位系統(tǒng)主要采取3種散熱方式：輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流[1]。

1.1 輻射

物體通過(guò)電磁波傳遞能量的過(guò)程稱為輻射，由于熱的原因，物體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為以電磁波的能量而進(jìn)行的輻射過(guò)程。棒控棒位系統(tǒng)所有元器件都要通過(guò)輻射，將自身熱量散發(fā)到空氣中，再由空氣將熱量帶走。

1.2 傳導(dǎo)

傳導(dǎo)是熱量通過(guò)物體內(nèi)部的溫差或兩個(gè)物體的直接接觸來(lái)傳遞，如：在生活中，傳導(dǎo)是散熱片從電腦CPU獲得熱量的最主要途徑；在工程上，棒控系統(tǒng)的主要發(fā)熱源——可控硅，就是靠裝在其后部的散熱片來(lái)傳導(dǎo)熱量的，棒位系統(tǒng)恒流源機(jī)箱內(nèi)的3個(gè)大功率電阻也是通過(guò)裝在散熱片上來(lái)傳遞熱量。

1.3 對(duì)流

對(duì)流是最常用的散熱方法，按散熱成本遞增排列，依次是自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。

自然對(duì)流：自然通風(fēng)散熱適用于大多數(shù)發(fā)熱量不大、機(jī)箱內(nèi)部風(fēng)路通暢的設(shè)備。該方法必須保證機(jī)箱的頂端和底部有足夠的通風(fēng)口，促使氣流形成煙筒效應(yīng)。因?yàn)榇嬖诖蟮陌l(fā)熱源，自然對(duì)流顯然無(wú)法滿足棒控棒位設(shè)備的散熱要求，所以統(tǒng)一在所有設(shè)備前下方和后上方的通風(fēng)口，安裝了風(fēng)扇以加強(qiáng)空氣流通，來(lái)達(dá)到更好的散熱效果。

強(qiáng)制對(duì)流：在自然通風(fēng)不足的情況下，可通過(guò)風(fēng)扇實(shí)施強(qiáng)制對(duì)流。與自然對(duì)流冷卻相比，強(qiáng)制空氣對(duì)流冷卻的換熱量比自然對(duì)流和輻射要大10倍左右。因此，能夠大大減小電子設(shè)備散熱的表面積。它具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、電子元器件易于更換維修等特點(diǎn)。比如，棒控系統(tǒng)的另一主要發(fā)熱源——PLC機(jī)架電源和接口電源就是通過(guò)裝在機(jī)柜前上方和后下方的風(fēng)扇來(lái)進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流的，加上周圍的空間相對(duì)開放，散熱效果良好；棒位系統(tǒng)的主要發(fā)熱源——恒流源機(jī)箱也是依靠此法，但因?yàn)榭臻g的限制，機(jī)箱與機(jī)箱之間，元件與元件之間的布置很緊湊，再加上器件發(fā)熱量大，于是原有的強(qiáng)制對(duì)流設(shè)計(jì)不能很好的完成散熱任務(wù)，需要進(jìn)一步考慮更為有效的散熱方法。

2 問題出現(xiàn)及原因分析

2.1 棒控電源柜機(jī)箱電源組件故障

2.1.1 故障現(xiàn)象描述

2008年3月14日，主控室出現(xiàn)棒控非緊急故障報(bào)警，并且復(fù)位成功。故障原因?yàn)門3.1保持機(jī)箱2號(hào)電源故障，后自動(dòng)消報(bào)，故障持續(xù)時(shí)間359ms。

2008年8月7日，15時(shí)12分，主控室出現(xiàn)棒控系統(tǒng)非緊急故障報(bào)警，并且無(wú)法復(fù)位，故障一直存在。故障原因?yàn)锳1.2的提升機(jī)箱1號(hào)電源24V失效，后自動(dòng)消報(bào)，故障持續(xù)時(shí)間33min。

2008年10月2日，17時(shí)34分，主控室出現(xiàn)棒控系統(tǒng)非緊急故障報(bào)警，并且無(wú)法復(fù)位，故障一直存在。故障原因?yàn)锳1.4的傳遞機(jī)箱2號(hào)電源24V失效。

圖1 電源模塊內(nèi)部元器件圖Fig.1 Internal component diagram of power module

2008年12月16日，04時(shí)44分，主控室出現(xiàn)棒控系統(tǒng)非緊急故障報(bào)警，并且無(wú)法復(fù)位，故障原因?yàn)锳2.4的保持機(jī)箱1號(hào)電源連續(xù)出現(xiàn)3次故障，后均自動(dòng)消報(bào)。第一次持續(xù)時(shí)間為18min15s953ms；第二次持續(xù)時(shí)間為203ms；第3次持續(xù)時(shí)間為156ms。

2.1.2 故障原因分析

以上4次故障基本相似，均為電源卡件故障，故障最快156ms，最慢33min自動(dòng)消報(bào)；且最終查證4次出現(xiàn)故障的都是卡件內(nèi)的“24V”DCDC電源模塊導(dǎo)致。

電源卡件內(nèi)的主要器件為DC/DC模塊，其主要作用是對(duì)橋堆整流后的直流電壓再次進(jìn)行整流、穩(wěn)壓。此模塊有溫度超范圍自保護(hù)的功能，當(dāng)其工作溫度超出正常工作溫度范圍時(shí)，會(huì)停止電壓輸出；當(dāng)溫度恢復(fù)至正常范圍后，電壓輸出自行恢復(fù)。另外，此模塊也具有過(guò)流保護(hù)功能。根據(jù)故障現(xiàn)象可以確定，電源卡件短時(shí)無(wú)輸出，且能自行恢復(fù)的故障原因很有可能是DC/DC模塊超溫或過(guò)流保護(hù)導(dǎo)致。由于更換新的電源卡件后此故障不再出現(xiàn)，因而可以排除負(fù)載短路造成電源模塊自我保護(hù)的可能性，只剩下超溫保護(hù)一種可能。在之前的設(shè)備維護(hù)過(guò)程中，已經(jīng)注意到了電源組件內(nèi)部的DC/DC模塊發(fā)熱量很大，如果散熱不及時(shí)，卡件內(nèi)部溫度不斷升高，將造成DC/DC模塊超溫保護(hù)。因此，模塊散熱問題是導(dǎo)致上述故障頻繁出現(xiàn)的根本原因。

如圖2所示，兩個(gè)緊挨放置的電源卡件，它們只有靠卡件框上的細(xì)小通風(fēng)孔和機(jī)箱上的通風(fēng)口來(lái)散熱，加上機(jī)箱的通風(fēng)口位置有限，無(wú)法對(duì)最右側(cè)的電源卡件形成有效的通風(fēng)通道，而且機(jī)箱在機(jī)柜中采用層疊放置，機(jī)箱之間上下間隙很小。因此，更不利于卡件內(nèi)部熱量排出。

圖2 棒控電源柜電源模塊示意圖Fig.2 Diagram of power module of rod control power supply cabinet

圖3 DC/DC模塊紅外線溫度示意圖Fig.3 Infrared temperature diagram of DC/DC module

另外，考慮到機(jī)柜通風(fēng)采用下進(jìn)上出的設(shè)計(jì)，卡件內(nèi)部熱空氣會(huì)往上流動(dòng)，所以會(huì)造成一塊卡件內(nèi)部的兩個(gè)DC/DC模塊中位于上方的模塊比其下方模塊偏熱的現(xiàn)象。為了驗(yàn)證推測(cè)的正確性，對(duì)運(yùn)行一段時(shí)間后的電源模塊進(jìn)行了紅外線溫度測(cè)量，如圖3所示，位于卡件上部的DC/DC模塊A1表面最高溫度達(dá)到58.6℃，位于卡件下部的DC/DC模塊A2表面最高溫度為53.8℃，且上部模塊的平均溫度要高于下部模塊的平均溫度。因此，如果同一卡件內(nèi)的兩個(gè)DC/DC模塊在不考慮其模塊本身性能差異的情況下，由于卡件散熱不及時(shí)，造成模塊溫度持續(xù)升高，必然是位于上部的模塊先出現(xiàn)超溫保護(hù)，這便可以解釋為什么同一卡件內(nèi)部總是位于上部的模塊先出現(xiàn)故障。

由以上分析，可以確定電源組件故障的直接原因是其內(nèi)部DC/DC模塊自我保護(hù)所致，其根本原因是卡件內(nèi)部散熱不暢，導(dǎo)致DC/DC模塊工作溫度超出其正常工作范圍而輸出保護(hù)。

2.2 棒位恒流源機(jī)柜散熱需改善

2.2.1 問題現(xiàn)象描述自從R10棒控棒位系統(tǒng)改造后，在日常棒位系統(tǒng)維護(hù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)恒流源機(jī)箱發(fā)熱量很大，在機(jī)柜自身的散熱方式下（采用與棒控系統(tǒng)相似的通風(fēng)設(shè)計(jì)，前下方進(jìn)風(fēng)，后上方出風(fēng)），機(jī)箱運(yùn)行期間的溫度一直維持在比較高的水平，雖然不影響設(shè)備的正常運(yùn)行，但考慮到長(zhǎng)期高溫會(huì)對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行及其壽命產(chǎn)生影響。因此，恒流源機(jī)柜的散熱問題必須得到改善。

2.2.2 問題原因分析

由于每個(gè)恒流源機(jī)箱有5套恒流源電路，如圖8（從上方拍攝）所示，每套恒流源電路中有3個(gè)大功率電阻（分別為2個(gè)50W和1個(gè)10W，這3個(gè)大功率電阻都裝在同一塊散熱片上），也就是說(shuō)一個(gè)機(jī)箱中有15個(gè)大功率電阻，其發(fā)熱量之大可想而知，也正是因?yàn)槿绱舜蟮陌l(fā)熱量才使得散熱片涂層揮發(fā)。

棒位機(jī)柜在最初的機(jī)柜設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到散熱問題，給發(fā)熱量大的3個(gè)電阻安裝了散熱片，機(jī)箱上、下均采用框架結(jié)構(gòu)，盡可能地增加通風(fēng)量，采取了機(jī)柜前下部進(jìn)風(fēng)，后上部出風(fēng)的通風(fēng)模式，在機(jī)柜前下方和后上方安裝了風(fēng)扇，可是因?yàn)榭臻g的限制，機(jī)箱與機(jī)箱之間，元件與元件之間的布置很緊湊，再加上器件發(fā)熱量大，于是原有的通風(fēng)設(shè)計(jì)不能很好地完成散熱任務(wù)，另外，棒位機(jī)柜后方安裝有兩臺(tái)大功率空調(diào)（用于廠房溫度控制），其風(fēng)口正對(duì)著棒位機(jī)柜的出風(fēng)口，這也在一定程度上導(dǎo)致了風(fēng)路不通暢，影響了熱量排出。

散熱是影響電力電子設(shè)備可靠性的一個(gè)重要因素[2]，一般電子元器件的工作溫度都有一定限制，功率耗散會(huì)造成器件內(nèi)部芯片溫度上升, 超過(guò)允許溫度時(shí)，器件性能將顯著下降, 不能穩(wěn)定工作。器件的失效率與溫度成指數(shù)關(guān)系,性能隨溫度升高而降低。研究表明：器件工作溫度每升高10℃, 失效率增加1倍。尤其是對(duì)于大功率器件, 其功率密度高, 發(fā)熱量大, 必須采用更為有效的散熱措施。以上棒控系統(tǒng)由于散熱問題導(dǎo)致的電源組件故障和棒位系統(tǒng)恒流源機(jī)柜散熱效果不理想的問題急需進(jìn)行解決。

3 散熱問題改善和解決

3.1 棒控電源組件散熱問題解決方案

對(duì)于目前電源卡件由于散熱問題導(dǎo)致電源輸出故障的現(xiàn)象，其主要原因還是在于卡件位置過(guò)于緊湊，不能形成有效的風(fēng)道所致。如果采用機(jī)柜加裝風(fēng)扇的方法，盡管增加了機(jī)柜的通風(fēng)量，但因?yàn)闄C(jī)箱卡件內(nèi)部的風(fēng)道不暢，依然無(wú)法從根本上解決卡件內(nèi)部散熱效果差的問題，此方法效果非常有限。另外，機(jī)柜頂部有380V電源銅牌，底部是電纜通道，也沒有安裝風(fēng)扇的位置。因此，要想在不動(dòng)機(jī)柜整體結(jié)構(gòu)的情況下，只有將DC/DC模塊的熱量從卡件內(nèi)部導(dǎo)出，才能從根本上解決散熱問題。

圖4 恒流源柜CP5073風(fēng)路示意圖Fig.4 Schematic diagram of CP5073 wind Road of constant current source cabinet

對(duì)于如何才能把DC/DC模塊的熱量有效地傳遞出來(lái)的問題，相關(guān)人員進(jìn)行了大量的調(diào)研、借鑒和設(shè)計(jì)，但都因?yàn)榭C(jī)柜自身空間小無(wú)法有效實(shí)施。最終在綜合了實(shí)施空間有限、機(jī)柜和卡件結(jié)構(gòu)不宜過(guò)多改動(dòng)和改造后不影響系統(tǒng)原有安全、穩(wěn)定等因素后，制定出了一套合理的改進(jìn)方案：給DC/DC模塊加裝散熱片，并將其與卡件框架相連，一方面增加模塊的散熱面積；另一方面，可以通過(guò)散熱片把模塊的熱量傳遞到卡件金屬框上，而卡件安裝在機(jī)箱內(nèi)，其框架又與機(jī)箱框架相連，機(jī)箱金屬外殼處在相對(duì)開放的空間，空氣流動(dòng)相對(duì)順暢。因此，便實(shí)現(xiàn)了模塊熱量由內(nèi)而外的傳遞，相當(dāng)于把卡件和機(jī)箱外殼作為了“散熱片”。

因?yàn)榭?nèi)部空間有限，無(wú)法使用目前市面上的成品的散熱片，需要自行設(shè)計(jì)加工。散熱片的安裝，須盡可能少的對(duì)卡件原有框架進(jìn)行改造，安裝方式盡可能簡(jiǎn)單。因?yàn)橐坏┕ば驈?fù)雜，一方面很難在大修這么短的時(shí)間內(nèi)完成250多塊電源組件的施工（包括備件）；另一方面工序的繁多會(huì)增加對(duì)卡件原有電子器件造成損害的可能性。散熱片材料的選擇，最終確定用鋁片來(lái)作為散熱片，因?yàn)樗鄬?duì)銅和其他合金材料，導(dǎo)熱性能較好，價(jià)格低廉，而且具有良好的金屬切削性，非常適合做散熱片用。

3.2 棒位系統(tǒng)散熱問題解決方案

3.2.1 恒流源機(jī)柜頂部加裝軸流風(fēng)扇

對(duì)于目前棒位系統(tǒng)出現(xiàn)的散熱問題，一開始采取了打開機(jī)柜門增強(qiáng)散熱的措施，但是效果不大理想，且不利于系統(tǒng)運(yùn)行安全，所以必須找到更為可行的方法。

恒流源機(jī)柜從出廠設(shè)計(jì)，每層機(jī)箱的布置就比較緊湊，機(jī)柜內(nèi)組件布局緊湊，CP5073、CP5074僅在機(jī)箱間各安裝了一層（兩臺(tái)）風(fēng)扇，無(wú)法再在機(jī)箱之間安裝風(fēng)扇（如圖4所示）。恒流源柜采取的是較為普遍的前下部進(jìn)風(fēng)，后上部出風(fēng)的對(duì)流模式，由于機(jī)柜尺寸的限制，機(jī)柜中的最上層機(jī)箱緊挨著柜頂，無(wú)法與機(jī)柜后部的出風(fēng)風(fēng)扇形成良好風(fēng)道，大部分的冷風(fēng)進(jìn)入柜內(nèi)后，都從機(jī)柜后側(cè)的開放空間直接向上排出出風(fēng)口，由于最上層機(jī)箱離柜頂較近的緣故，機(jī)箱內(nèi)的風(fēng)道不是很通暢。因此，為了增大機(jī)柜機(jī)箱內(nèi)部風(fēng)道的通風(fēng)量，決定在兩個(gè)恒流源柜頂部（機(jī)箱正上方），安裝風(fēng)扇增加通風(fēng)量。

2010年7月，R12大修過(guò)程中，先實(shí)施了臨時(shí)變更：在每個(gè)恒流源柜頂部（恒流源機(jī)箱上方）臨時(shí)增加兩臺(tái)風(fēng)扇，分別對(duì)恒流源通電2h，4h，24h，32.5h，49.5h后的溫度進(jìn)行了測(cè)量，通過(guò)溫度測(cè)量，發(fā)現(xiàn)機(jī)柜頂部增加風(fēng)扇后降溫效果明顯。

為了達(dá)到更好的通風(fēng)效果及便于以后運(yùn)行期間拆卸維護(hù)，特申請(qǐng)了永久變更，重新設(shè)計(jì)了柜頂風(fēng)扇的安裝方式，并將風(fēng)扇數(shù)量增加到每個(gè)柜子4臺(tái)。方案實(shí)施完成后，又進(jìn)行了溫度測(cè)量，加裝4臺(tái)風(fēng)扇后對(duì)機(jī)柜的降溫效果最多達(dá)到22.7℃。由此可見，在恒流源柜頂加裝風(fēng)扇可有效改善機(jī)柜散熱問題。

3.2.2 降低恒流源電流

由于棒位恒流源柜發(fā)熱量大的根源是恒流源電流輸出回路中的大功率電阻，其發(fā)熱量與其自身的電阻值成正比關(guān)系，與輸出電流的大小成平方正比關(guān)系。要從根本上解決恒流源發(fā)熱量大的問題，只能降低電阻值和輸出電流值，但是回路中大功率電阻值的改變將直接影響到整個(gè)回路電流輸出值的調(diào)節(jié)范圍。因此，通過(guò)降低大功率電阻的電阻值來(lái)降低其發(fā)熱量的方法不可取，只能考慮合理地降低其輸出電流的大小，來(lái)降低其發(fā)熱量。

如圖5可以看到：R1=10Ω，R2=33Ω，R3=33Ω，電位器RP1的可調(diào)范圍為5Ω～15Ω。冷態(tài)時(shí)，恒流源的負(fù)載阻值R大約10Ω左右（棒位探測(cè)器初級(jí)線圈的阻值為6.3Ω左右，再加上約3.4Ω線阻）；熱態(tài)時(shí)，根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，負(fù)載阻值約在13Ω左右，因此：

如果變壓器接在“70V”檔位，則理論上，恒流源的輸出電流調(diào)節(jié)范圍在673mA～745mA。據(jù)此，R10棒控棒位改造后，將恒流源供棒位探測(cè)器初級(jí)線圈的電流設(shè)定為700mA。

圖5 恒流源電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of constant current source circuit

表1 降低恒流源電流前后溫度對(duì)照表Table 1 Temperature comparison table before and after reducing constant current source

但是正常運(yùn)行期間，由于電路中的大功率電阻和負(fù)載（棒位探測(cè)器初級(jí)線圈）的溫度升高，其電阻值也會(huì)增大。因此，實(shí)際測(cè)量的恒流源機(jī)箱輸出電流調(diào)節(jié)范圍在630mA～730mA，如果將恒流源輸出電流從700mA降到650mA，根據(jù)熱量計(jì)算公式：

恒流源電流從700mA降到650mA，恒流源機(jī)箱的發(fā)熱量可減小13.8%。于是做了試驗(yàn)對(duì)比，電流降低前后溫度變化見表1。

從表1可以看出，降低恒流源電流后，恒流源機(jī)箱表面溫度最多降低了7.9℃，效果還是比較明顯的。

圖6 降低電流前后次級(jí)線圈感應(yīng)信號(hào)波形圖Fig.6 Waveform diagram of secondary coil inductive signal before and after reducing current

由于恒流源供棒位探測(cè)器初級(jí)線圈電流大小，直接關(guān)系到次級(jí)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)強(qiáng)弱以及后續(xù)棒位信號(hào)處理的可判定性，如果初級(jí)線圈電流太小，將導(dǎo)致次級(jí)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)微弱，抗干擾能力下降，無(wú)法正確進(jìn)行后續(xù)信號(hào)高、低電平判斷，影響棒位指示的準(zhǔn)確性?？紤]到上述恒流源輸出電流減小的影響，對(duì)電流變化前后，控制棒從0步到280步的行程中棒位探測(cè)器次級(jí)線圈的感應(yīng)信號(hào)，用8841數(shù)字記錄儀進(jìn)行了記錄比較，整形后波形圖如圖6所示。

從以上比較可以看出，降低棒位探測(cè)器初級(jí)線圈電流后，次級(jí)線圈的感應(yīng)信號(hào)只是在電壓幅值上有略微減?。ū热纾珹位在700mA時(shí)測(cè)得峰峰值為1.25V，650mA時(shí)測(cè)得電壓峰峰值為1.15V，即初級(jí)線圈降低電流前后，次級(jí)線圈A位感應(yīng)信號(hào)降低了0.1V），高低電平之間的轉(zhuǎn)換還是比較清晰的，理論上對(duì)最終的棒位指示性能影響不大。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證減小恒流源電路的可實(shí)施性，在恒流源電流減小至650mA后，特意將其中一束棒的格雷碼整定值重新進(jìn)行了設(shè)定，經(jīng)過(guò)多次棒全行程的行走試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)棒位顯示正常，滿足設(shè)備性能要求。最終，在R13大修中將所有恒流源的輸出電流從700mA減小至650mA，投入運(yùn)行后至今設(shè)備運(yùn)行良好。