核安全級(jí)隔離放大器的抗震設(shè)計(jì)

楊文龍 王 凱 俞亦軍 熊偉華

(浙江中控自動(dòng)化儀表有限公司1，浙江 杭州 310053;秦山第三核電有限公司2，浙江 海鹽 314300)

0 引言

秦山三期核電站是我國(guó)首座商用重水堆核電站，是我國(guó)“九五”重點(diǎn)工程之一。電站采用成熟的加拿大CANDU-6重水堆核電技術(shù)，建有2臺(tái)700 MW級(jí)核電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組都設(shè)有2個(gè)完全獨(dú)立的停堆系統(tǒng)［1］。停堆系統(tǒng)即安全停閉反應(yīng)堆的系統(tǒng)，它既是防止反應(yīng)堆狀態(tài)參數(shù)超出安全限值、減輕事故后果、最終停閉反應(yīng)堆的系統(tǒng)，又是保證核電站可以可靠進(jìn)入安全狀態(tài)的核心系統(tǒng)。

中控集團(tuán)研制的SBN3000系列隔離放大器(以下簡(jiǎn)稱隔離放大器)用于秦山三期核電站停堆系統(tǒng)，它的功能是隔離現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和控制室信號(hào)，屬于核安全級(jí)抗震I類設(shè)備。為保證核電站停堆系統(tǒng)的安全運(yùn)行，隔離放大器在地震荷載作用期間和作用后均需保持正常工作，抗震設(shè)計(jì)指標(biāo)需達(dá)到核安全級(jí)抗震I類設(shè)備(DBE-B)抗震等級(jí)。本文主要關(guān)注其抗震的設(shè)計(jì)方法和抗震試驗(yàn)等級(jí)的評(píng)估。

1 產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)

隔離放大器由電源模塊、功能模塊、底座和金屬蓋組成，其結(jié)構(gòu)以及功能模塊結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示。

電源模塊與功能模塊安裝于底座上，金屬蓋將電源模塊和功能模塊壓緊于底座上，并與底座固定在一起，組成一個(gè)隔離放大器。

電源模塊和功能模塊以玻纖外殼作為結(jié)構(gòu)體，將主機(jī)板安裝于玻纖外殼內(nèi)，再灌封導(dǎo)熱硅膠，最后使用黏結(jié)劑將外殼和底板黏結(jié)成一體。

2 抗震設(shè)計(jì)要求

隔離放大器的抗震設(shè)計(jì)要求產(chǎn)品在承受若干個(gè)運(yùn)行基準(zhǔn)地震作用后，再承受一個(gè)安全停堆地震，在地震力的作用期間和作用后，產(chǎn)品仍保持其完整性和可運(yùn)行性，可以履行要求的隔離控制功能。同時(shí)，由于SBN3000系列隔離放大器用于加拿大研制的CANDU-6系統(tǒng)，因此，其抗震設(shè)計(jì)要求滿足DBE-B抗震等級(jí)。

DBE-B抗震等級(jí)為加拿大儀器儀表抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)，指運(yùn)行設(shè)備在運(yùn)行壽期內(nèi)，在發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震時(shí)設(shè)備仍然能夠維持其功能。

3 抗震設(shè)計(jì)原理

抗震關(guān)系到產(chǎn)品精度和壽命特性等指標(biāo)，是核安全級(jí)產(chǎn)品必須考慮的主要問(wèn)題之一。為保證隔離放大器與系統(tǒng)具有良好的兼容性，隔離放大器的底座和金屬外殼均不用重新設(shè)計(jì)。下面主要探討電源模塊和功能模塊的抗震設(shè)計(jì)。

3.1 結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品采用剛性結(jié)構(gòu)的玻纖外殼，其熱變形溫度大于140℃，抗拉強(qiáng)度大于20 MPa，抗彎強(qiáng)度大于15 MPa，肖氏硬度為80～85。該玻纖外殼獨(dú)特的設(shè)計(jì)是在其內(nèi)部安裝四道卡槽，用于固定裝入的主機(jī)板，以減弱震動(dòng)引起的主機(jī)板搖動(dòng)。與柔性固定方式相比，這不僅提高了產(chǎn)品的抗震性能，且有效地阻止了主機(jī)板與玻纖外殼共振現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 調(diào)整配重

為保證產(chǎn)品重量小于設(shè)定值，在選用器件和結(jié)構(gòu)材料時(shí)，需從器件的封裝、重量等指標(biāo)嚴(yán)格選擇重量輕且引腳多的器件。如在設(shè)計(jì)工頻變壓器時(shí)，在效率和溫升滿足要求的情況下，優(yōu)先選用小型號(hào)的骨架，以及優(yōu)先選用厚度為0.35 mm的硅鋼片。

3.3 延性減震設(shè)計(jì)

電源模塊和功能模塊內(nèi)部均使用雙組份導(dǎo)熱硅膠進(jìn)行灌封。硅膠固化后為黏彈性體:一方面可以有效地避免主機(jī)板與外殼間發(fā)生共振現(xiàn)象;另一方面，利用其延性減少震動(dòng)能量，可以有效地提高隔離放大器的抗震能力。

3.4 阻尼器減震設(shè)計(jì)

電源模塊和功能模塊底板使用基于Multilam(多點(diǎn)接觸)設(shè)計(jì)原理的、帶有彈性的香蕉插頭作為連接器。由于香蕉插頭彈性部分與底座接觸面積最大，因此在模塊與底座之間起到阻尼器的作用。震動(dòng)時(shí)其可以把外來(lái)震動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為震動(dòng)內(nèi)能，達(dá)到消減震動(dòng)能量的目的，從而有效地提高隔離放大器的抗震能力。

4 抗震評(píng)估方法

目前，在國(guó)內(nèi)評(píng)價(jià)核設(shè)備抗震能力的方法有抗震分析和抗震鑒定試驗(yàn)兩種?？拐鸱治鲋荒軐?duì)產(chǎn)品的物理結(jié)構(gòu)加以評(píng)估，無(wú)法對(duì)產(chǎn)品的電氣特性進(jìn)行分析，為了全方位評(píng)估停堆系統(tǒng)隔離放大器的抗震性能，本產(chǎn)品采用抗震鑒定試驗(yàn)。

在SBN3000系列隔離放大器的抗震鑒定試驗(yàn)中，需要測(cè)定自振頻率，評(píng)估放大器本身及其部件的剛度和強(qiáng)度，驗(yàn)證放大器在地震荷載作用時(shí)和作用后能否正常工作并保持其完整性和可運(yùn)行性，履行其隔離控制功能［2］。

抗震鑒定試驗(yàn)的具體做法是將經(jīng)過(guò)熱老化試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行溫度50℃、壽期達(dá)到40 a的試驗(yàn)樣品［3］，分別安裝于控制柜的上部、中部和底部，再將控制柜置于力學(xué)測(cè)試與模擬(mechanical testing＆simulation，MTS)地震動(dòng)臺(tái)上;在試驗(yàn)樣品滿負(fù)載運(yùn)行的情況下，完成整個(gè)試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)包絡(luò)要求反應(yīng)譜的試驗(yàn)反應(yīng)譜并超出10%，阻尼比為0.2，確認(rèn)試驗(yàn)樣品在地震作用過(guò)程中和地震作用后的電氣性能穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)完整性。

4.1 初始檢測(cè)

以符合停堆系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況的安裝方式，將經(jīng)過(guò)熱老化試驗(yàn)(試驗(yàn)溫度為110℃、活化因子取0.95、加速老化時(shí)間為1680 h)的樣品放入機(jī)柜后，通電檢測(cè)工作特性(即在最大負(fù)載時(shí)測(cè)試試驗(yàn)樣品的精度指標(biāo))并記錄數(shù)據(jù)。

4.2 中間檢驗(yàn)

試驗(yàn)樣品通電檢測(cè)，使用無(wú)紙記錄儀記錄試驗(yàn)樣品的數(shù)據(jù)，通過(guò)震動(dòng)臺(tái)監(jiān)測(cè)儀表觀察并記錄設(shè)備震動(dòng)過(guò)程中和震動(dòng)后的工作狀況，評(píng)價(jià)其功能特性和參數(shù)的變化以及是否在允許誤差范圍內(nèi)，并檢測(cè)試驗(yàn)樣品的工作特性。具體試驗(yàn)內(nèi)容和要求如下:① 驗(yàn)證隔離放大器在地震作用過(guò)程中及其之后的結(jié)構(gòu)完整性;②測(cè)定隔離放大器的自振頻率;③對(duì)隔離放大器進(jìn)行5次運(yùn)行基準(zhǔn)地震S1 Earthquake(operational basical earthquake，OBE)考核試驗(yàn)，持續(xù)時(shí)間均為30 s;④ 對(duì)隔離放大器進(jìn)行1次安全停堆地震S2 Earthquake(safety shutdown earthquake，SSE)考核試驗(yàn)，持續(xù)時(shí)間為30 s［4］。

4.3 最終檢驗(yàn)和合格判定

試驗(yàn)樣機(jī)在完成抗震性能試驗(yàn)后，對(duì)設(shè)備的外形、結(jié)構(gòu)和基準(zhǔn)性能進(jìn)行檢查和測(cè)試，并與試驗(yàn)前的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比較，以證明樣機(jī)設(shè)備在地震試驗(yàn)后的完整性、功能性和可運(yùn)行性。

4.4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，中控集團(tuán)研制的SBN3000系列隔離放大器在完成了上述抗震試驗(yàn)后，結(jié)構(gòu)保持完好，工作性能沒(méi)有發(fā)生變化，滿足抗震設(shè)計(jì)要求［5］。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了核安全級(jí)抗震I類設(shè)備隔離放大器的抗震設(shè)計(jì)方案，包括設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)原理和抗震評(píng)估方法。通過(guò)采用結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)、調(diào)整配重、延性減震設(shè)計(jì)和加阻尼器等技術(shù)措施，從多個(gè)方面提高了產(chǎn)品的抗震能力。產(chǎn)品抗震效果和可靠性通過(guò)了土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的鑒定試驗(yàn)，滿足DBE-B抗震等級(jí)要求，符合核安全級(jí)產(chǎn)品要求。

［1］顧樹(shù)川，張國(guó)茗.秦山三期CANDU6型重水堆核電站［J］.能源研究與信息，1996(4):43－48.

［2］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 12727-2002核電廠安全系統(tǒng)電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

［3］上海市電機(jī)技術(shù)研究所.SBN3000系列隔離放大器熱老化模擬試驗(yàn)［R］.上海市電氣絕緣及熱老化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，2009.

［4］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 13625-92核電廠安全系統(tǒng)電氣設(shè)備抗震鑒定［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993.

［5］同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)室.SBN3000系列隔離放大器抗震試驗(yàn)報(bào)告［R］.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)室，上海，2009.