CN105319962A - 一种双冗余供电保险系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双冗余供电保险系统，包括并联的主保险回路和备份保险回路，所述主保险回路和备份保险回路包含结构相同、功能相同的电子元件及连接方式，所述备份保险回路还包含一个与上述电子元件串联的二极管。正常运行状态时，主保险回路接通，主保险回路两端压降小于二极管的正向导通压降，二极管截止，负荷电流由主保险回路提供，备份保险回路截止。当主保险回路断开失效或接触不良，主保险回路两端压降增大并超过二极管顺方向导通压降，二极管接通，负荷电流由备份保险提供，同时测回路发光二极管Ⅲ亮，进行实时监测。通过双冗余供电保险端子设计，实现了不间断实时供电。

Description

一种双冗余供电保险系统

技术领域

本发明专利涉及核电站可靠供电领域，具体涉及一种双冗余供电保险系统。

背景技术

由于核电站的特殊要求，核电供电系统都要求为冗余双保险系统，但常规的冗余系统的切换通常采用比较复杂的实时监控或控制系统进行，系统复杂，并且成本很高。

例如，在核电站供电系统中，保险是必备的，如果保险和配套的保险端子出现接触不良或老化问题，将会引起供电保险烧毁或断路，导致机组瞬态甚至跳机跳堆。2009年7月，大亚湾核电站给D1KRG141AR机架A+28V供电的保险端子插头夹片松动，保险与保险底座接触不良，导致该机柜机架A+28V供电电源出现过短时失电，造成主控室多处报警闪发。因此开发简单的双冗余供电保险系统是势在必行的。

发明内容

为实现安全供电，本发明提供一种双冗余供电保险系统，该系统利用了二极管单向通电的特性，实现了双冗余供电，即在主电路出现问题不能供电时，备份电路能够实时的替代主电路进行供电，保证供电不中断。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种双冗余供电保险系统，包括并联的主保险回路和备份保险回路，所述主保险回路和和备份保险回路包含结构相同、功能相同的电子元件及连接方式，所述备份保险回路还包含一个与上述电子元件串联的二极管I。

所述主保险回路正常接通时，主保险回路两端压降小于二极管的正向导通压降，当主保险回路断开失效或接触不良，主保险回路两端压降增大并超过二极管顺方向导通压降，二极管接通。

优选的，一种双冗余供电保险系统，包括并联的主保险回路和备份保险回路，所述主保险回路由一个主保险端子和一个主保险丝串联，所述备份保险回路由一个备份保险端子、一个备份保险丝和一个二极管Ⅱ串联组成。

所述主保险端子包含两种接点：端子接点、弹簧触点接点。

所述备份保险端子包含三种接点：端子接点、弹簧触点接点、手工焊接接点。

所述二极管Ⅱ采用工作电压/额定电压≤30％的二极管。

优选的，所述备份保险回路并联有监测回路，所述监测回路由一个电阻和一个发光二极管串联组成。

本发明的工作原理为：正常运行状态时，主保险回路接通，主保险回路两端压降小于二极管的正向导通压降，二极管截止，负荷电流由主保险回路提供，备份保险回路截止。当主保险回路断开失效或接触不良，主保险回路两端压降增大并超过二极管顺方向导通压降，二极管接通，负荷电流由备份保险电路提供，同时监测回路发光二极管亮，进行实时监测。

通常情况下保险丝或端子不采取并联操作，因为通常情况下，若将两个保险丝并联，一旦电流过大，两个保险丝并不能同时熔断，熔断时间会延长，最后熔断的那个防爆能力要求很高，并且在电流冲击的时候，电流大的电阻容易先烧坏，然后其他的陆续烧坏。本发明基于保险丝非常规操作，在备份保险端子的一端串联了二极管，利用了二极管只允许电流由单一方向通过的特性，巧妙的将两个保险丝进行并联，形成了备份电路，主电路正常工作时，备份电路是断开的，当主电路出现问题断开时，备份电路导通，不影响整个系统工作。另外运用失效模式及影响分析(FMEA)方法和连续Markov链对本发明分别进行定性和定量分析，结果表明采用双冗余供电保险端子使得系统的失效率比单一保险可降低97％，大大提高了供电系统的安全性。

同时，本发明系统可应用于其他需要设置双冗余的系统，备份系统的添加非常方便，只需要在备份系统中增加一个二极管即可，双冗余系统安装方便，成本低。

附图说明

图1为本发明实施例一；

图2为本发明实施例二；

图3为本发明实施例三；

图4为使用连续Markov链对本发明图1结构进行定量分析的模型图。

其中1、供电输入接线端，2、保险丝，3、供电输出接线端，4、限流电阻，5、二极管Ⅰ，6、第一电阻，7、光耦合器，8、主保险回路，9、备份保险回路，10、监测回路，11、主保险端子，12、主保险丝，13、备份保险端子，14、备份保险丝，15、二极管，16、发光二极管，17、电阻。

另外，●表示手工焊接点，表示端子节点，表示弹簧触点。

具体实施方式

为了详细说明，下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例一

如图1所示，本发明提供的一种双冗余供电保险系统，包括并联的主保险回路8和备份保险回路9，所述主保险回路8由一个主保险端子11和一个主保险丝12串联组成，所述备份保险回路9由一个备份保险端子13、一个备份保险丝14和一个二极管Ⅱ15串联组成。

所述主保险端子11包含两种接点：端子接点、弹簧触点接点。

所述备份保险端子13包含三种接点：端子接点、弹簧触点接点、手工焊接接点。

所述二极管Ⅱ15采用工作电压/额定电压≤30％的二极管。

为了降低失效率，所述主保险丝及保险端子底座与备份保险丝及保险端子底座选择不同品牌。

实施例二

如图2所示，图2是本发明采用的另一种结构方式。

实施例三

如图3所示，本发明还包括与备份保险回路8并联的监测回路10，所述监测回路10由一个电阻17和一个发光二极管16串联组成。

为了保证本发明系统的安全性，所述保险丝、保险端子、二极管、电阻、发光二极管的质量标准均采用美国军工级标准。

实施例四

为了保证本发明在实际生产过程中的安全使用，运用失效模式及影响分析(FMEA)方法和连续Markov链对本发明图1中的结构分别进行了定性和定量分析

首先采用失效模式及影响分析(FMEA)方法对其进行定性分析，得出以下结论：

-通过冗余保险电路的引入，主保险回路断路的失效对整个供电回路没有影响。

-主保险回路接触不良和时断时续接点的失效对整个供电回路没有影响。

-备份保险回路中二极管的短路失效，是不可检测到的危险失效。这个失效是可以在定期的测试检测到的。

-主保险回路发生断路失效或接触不良/时断时续失效，此时电流流经备份保险回路，LED指示灯亮。

-备份保险二极管发生短路失效时可通过LED指示灯检测，便于工作人员正确维修。

其次，采用连续Markov链对该设计的平均失效间隔时间(MTBF)进行定量计算。具体步骤如下：

1.计算组件失效率

根据MIL-HDBK-217F和MIL-HDBK-338B得：

(1)二极管

根据MIL-HDBK-217F，二极管的失效率λ_D＝λ_bπ_Tπ_Sπ_Cπ_Qπ_E＝0.0038*1.6*0.054*2.0*1.0＝0.00066Failures/10⁶h。

失效因子	比率
		λb二极管类型	0.0038Note*
πT温度因子	1.6
		πS电应力因子	0.054
πC接触结构因子	2.0
		πQ品质因子	1.0
πE环境因子	1.0

注意*：该二极管不是用于瞬态抑制器、电压调节器、基准电压或电流调节器。在运行模式下，二极管的施加电压接近零伏，因此π_S＝0.054。

根据MIL-HDBK-338B，二极管失效模式分布及相应的失效率如下：

失效模式	模式分布率	失效率(Failures/106h)
			短路	0.49	λD-Sh＝0.00032
参数偏移	0.15	λD-PC＝0.00010
			断路	0.36	λOp＝0.00024

(2)保险丝

根据MIL-HDBK-217F，保险丝的失效率λ_FU＝λ_bπ_E＝0.01Failures/10⁶h。

失效因子	比率
		λb基本失效率	0.010
πE环境因子	1.0

根据MIL-HDBK-338B，保险丝的失效模式分布及相应的失效率如下：

(3)端子接点

根据MIL-HDBK-217F，单个端子接点的失效率：λ_端子＝λ_bπ_E＝0.062Failures/10⁶h。

失效因子	比率
		λb基本失效率	0.062
πE环境因子	1.0

根据MIL-HDBK-338B，端子接点的失效模式分布及相应的失效率：

(4)弹簧触点接点

根据MIL-HDBK-217F，单个弹簧触点接点的失效率λ_SC＝λ_bπ_E＝0.17Failures/10⁶h。

失效因子	比率
		λb基本失效率	0.17
πE环境因子	1.0

根据MIL-HDBK-338B，弹簧触点接点的失效模式分布及相应的失效率如下：

(5)手工焊接接点

根据MIL-HDBK-217F，手工焊接接点的失效率λ_HS＝λ_bπ_E＝0.0013Failures/10⁶h。

失效因子	比率
		λb基本失效率	0.0013
πE环境因子	1.0

根据MIL-HDBK-338B,，手工焊接接点的失效模式分布及相应的失效率如下：

2.双冗余供电保险系统的转移率

(1)状态0到状态1由备份保险回路失效引起，可能的失效包括：二极管断开或参数漂移失效、备份保险丝整体失效、端子接点整体失效、弹簧触点接点整体失效、手工焊接接点整体失效。

备份保险回路失效率λ_sec-fail：

λ_sec-fail＝λ_FU+2*λ_端子+2*λ_HS+2*λ_SC+λ_D-Op+λ_D-PC＝0.01Failures/10⁶h+0.124Failures/10⁶h+0.0026Failures/10⁶h+0.34Failures/10⁶h+0.00024Failures/10⁶h+0.00010Failures/10⁶h＝0.4769Failures/10⁶h。

(2)状态1到状态3由主保险回路失效引起，可能失效包括：主保险丝整体失效、端子接点整体失效、弹簧触点接点整体失效。

主保险回路失效率λ_main-fail：

λ_main-fail＝λ_FU+2*λ_端子+2*λ_SC＝0.01Failures/10⁶h+0.124Failures/10⁶h+0.34Failures/10⁶h＝0.4740Failures/10⁶h.

(3)状态0到状态2由主保险回路开路失效引起，可能的失效包括：主保险丝断开失效、端子接点断路或接触不良失效、弹簧触点接点断路或接触不良失效。

主保险回路断开失效率λ_main-open：

λ_main-open＝λ_FU-PO+2*λ_端子-Op+2*λ_端子-PC/In+2*λ_SC-Op+2*λ_SC-PC/In＝0.0008Failures/10⁶h+0.09Failures/10⁶h+0.034Failures/10⁶h+0.2469Failures/10⁶h+0.0931Failures/10⁶h＝0.4648Failures/10⁶h.

(4)状态2到状态3由备份保险回路失效引起，可能的失效包括：备份保险丝整体失效、端子接点整体失效、手工焊接接点整体失效、弹簧触点接点整体失效、二极管整体失效。

备份保险回路失效率λ_sec-fail1：

λ_sec-fail1＝λ_FU+2*λ_端子+2*λ_HS+2*λ_SC+λ_D＝0.01Failures/10⁶h+0.124Failures/10⁶h+0.0026Failures/10⁶h+0.34Failures/10⁶h+0.00066Failures/10⁶h＝0.4773Failures/10⁶h。

(5)状态0到状态3由主保险回路短路和备份保险回路二极管短路失效引起。主保险回路短路包括主保险丝短路。

主保险回路短路失效率λ_main-short：

λ_main-short＝λ_FU-F-0+λ_FU-S-0＝0.0049Failures/10⁶h+0.0043Failures/10⁶h＝0.0092Failures/10⁶h.

备份保险回路二极管短路失效率λ_secD-fail：

λ_secD-fail＝λ_D-sh＝0.00032Failures/10⁶h.

(6)从状态1到状态0是备份保险回路平均修复率，即备份保险回路的平均修复率为μ₂。

(7)从状态2到状态0是主保险回路平均修复率，即主保险回路的平均修复率为μ₁。

3.整体失效Markov模型

状态	主保险回路	备份保险回路
			0	正常工作	正常工作
1	正常工作	失效(不包括二极管短路失效)
			2	失效(开路)	正常工作
3	失效(所有)	失效(所有)

失效模型见附图4。

Chapman-Kolmogorov(进化)方程为：

$\frac{dP\left(t\right)}{dt}=M\·P\left(t\right)$

其中，概率分布P(t)＝[P₀(t),P₁(t),P₂(t),P₃(t)]^T，由于该系统在任何时间点必须且只能处于一种状态，因此，P₀(t)+P₁(t)+P₂(t)+P₃(t)＝1。假定系统是完全运行在时间t＝0，即，P(0)＝{1,0,0,0}^T,或P₀(0)＝1。

整体失效率转移矩阵为：

$A=\left[\begin{array}{cccc}-\left({\mathrm{\λ}}_{\sec -fail}+{\mathrm{\λ}}_{main-open}+{\mathrm{\λ}}_{main-short}+{\mathrm{\λ}}_{\sec D-short}\right)& {\mathrm{\λ}}_{\sec -fail}& {\mathrm{\λ}}_{main-open}& {\mathrm{\λ}}_{main-short}+{\mathrm{\λ}}_{\sec D-short}\\ {\mathrm{\μ}}_2& -\left({\mathrm{\λ}}_{main-fail}+{\mathrm{\μ}}_2\right)& 0& {\mathrm{\λ}}_{main-fail}\\ {\mathrm{\μ}}_1& 0& -\left({\mathrm{\λ}}_{\sec -fail1}+{\mathrm{\μ}}_1\right)& {\mathrm{\λ}}_{\sec -fail1}\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$

$M=A^T=\left[\begin{array}{cccc}-\left({\mathrm{\λ}}_{\sec -fail}+{\mathrm{\λ}}_{main-open}+{\mathrm{\λ}}_{main-short}+{\mathrm{\λ}}_{\sec D-short}\right)& {\mathrm{\μ}}_2& {\mathrm{\μ}}_1& 0\\ {\mathrm{\λ}}_{\sec -fail}& -\left({\mathrm{\μ}}_2+{\mathrm{\λ}}_{main-fail}\right)& 0& 0\\ {\mathrm{\λ}}_{main-open}& 0& -\left({\mathrm{\λ}}_{\sec -fail1}+{\mathrm{\μ}}_1\right)& 0\\ {\mathrm{\λ}}_{main-short}+{\mathrm{\λ}}_{\sec D-short}& {\mathrm{\λ}}_{main-fail}& {\mathrm{\λ}}_{\sec -fail1}& 0\end{array}\right]$

通过拉普拉氏变换：

sP(s)-P(0)＝M·P(s)

得

P(s)＝[sI-M]^-1P(0).

通过拉式变换的积分形式，我们可以避免计算[sI-M]^-1转置矩阵的无穷小生成元的Bromwich积分进而在复数域计算平均无故障时间。

$MTTF={\∫}_0^{\mathrm{\∞}}R\left(t\right)dt={\∫}_0^{\mathrm{\∞}}(1-P_3\left(t\right))dt={\lim }_{s\→0}\left(\underset{\mathrm{\τ}\→\mathrm{\∞}}{\lim }{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}\right(H\left(t\right)e^{-st}-P_3\left(t\right)e^{-st}\left)dt\right)$ ${\lim }_{s\→0}(s^{-1}-P_3\left(s\right)),$ 其中 $H\left(t\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^t\mathrm{\δ}\left(x\right)dx$ 是Haeviside阶跃函数

其中[sI-M]^-1(4,1)＝P₃(s).

4.计算结果

修复率μ₁＝μ₂＝0时：

(1)原系统(单一保险)：

MTBF＝MTTF＝2.1097×10⁶h

失效率λ＝0.01Failures/10⁶h+0.34Failures/10⁶h+0.124Failures/10⁶h＝0.4740Failures/10⁶h；

(2)双冗余供电保险端子系统：

MTBF＝MTTF＝3.1327×10⁶h

失效率λ＝0.3192Failures/10⁶h。

修复率μ₁＝μ₂＝77.1605Failures/10⁶h

冗余供电保险端子系统的失效率：

MTBF＝MTTF+MTTR＝66.1843×10⁶h

λ＝0.0151Failure/10⁶h.

通过MTBF结果对比分析,如果采用双冗余供电保险端子使得系统的整体失效率比单一保险降低了大约33％。双冗余设计引入的不能检测的失效率很低，大约35万年发生一次。如果定期检查和维修(18个月一次)，采用双冗余供电保险端子使得系统的失效率比单一保险可降低97％。修复率对系统的不能检测失效率没有影响。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种双冗余供电保险系统，包括并联的主保险回路和备份保险回路，所述主保险回路和和备份保险回路包含相同的电子元件，其特征是，所述备份保险回路还包含一个与上述电子元件串联的二极管I。

2.根据权利要求1所述的双冗余供电保险系统，其特征是，所述主保险回路正常接通时，主保险回路两端压降小于二极管的正向导通压降，当主保险回路断开失效或接触不良，主保险回路两端压降增大并超过二极管顺方向导通压降，二极管接通。

3.根据权利要求2所述的双冗余供电保险系统，其特征是，所述主保险回路由一个主保险端子和一个主保险丝串联组成，所述备份保险回路由一个备份保险端子、一个备份保险丝和一个二极管Ⅱ串联组成。

4.根据权利要求1所述的双冗余供电保险系统，其特征是，所述主保险端子包含两种接点：端子接点、弹簧触点接点。

5.根据权利要求1所述的双冗余供电保险系统，其特征是，所述备份保险端子包含三种接点：端子接点、弹簧触点接点、手工焊接接点。

6.根据权利要求1所述的双冗余供电保险系统，其特征是，所述二极管Ⅱ采用工作电压/额定电压≤30％的二极管。

7.根据权利要求1所述的双冗余供电保险系统，其特征是，所述保险端子还包括与备份保险回路并联的监测回路。

8.根据权利要求7所述的双冗余供电保险系统，其特征是，所述监测回路由一个电阻和一个发光二极管Ⅲ串联组成。