核電廠安全級數字化儀控系統的設備鑒定

于宏偉，王江波，邱建文，張麗芹

（中科華核電技術研究院有限公司 北京分公司，北京 100086）

0 引言

核安全級數字化儀控系統已逐步應用于新建核電廠儀控系統或在役核電廠儀控系統的改造項目。由于技術復雜、要求苛刻，目前我國在運核電機組的核級數字化儀控系統大多數由國外供貨商提供，大大增加了工程造價。為了適應我國核電發展的需要，大力推進設備自主化、國產化已成為一個重大的戰略決策。由于核級設備的可靠性將直接影響到核電站的安全運行，因此核級數字化儀控系統在自主化過程中應按照相關法規和標準進行設備鑒定。目前國內對核級數字化儀控系統還沒有建立相關的鑒定標準體系，相關研究只對國外標準進行簡單的對比和引用，沒有針對試驗項目提出具體的試驗要求，可操作性不強。通過對國內外法規及相關標準、規范的深入分析，提出對核級數字化儀控系統進行設備鑒定的方法，為核級數字化儀控系統的自主化提供參考。

1 核安全級數字化儀控系統設備鑒定適用性標準

1.1 RCC-E、IEC 60780和IEEE標準比較

國內二代及二代改進型核電廠核安全級數字化儀控系統的設備鑒定主體標準選取和采用法國 《RCC-E 核島電氣設備設計和建造規則》（2005年12月版），同時也選用GB/T12727-2002《核電廠安全系統電氣物項質量鑒定》（等效IEC60780）作為主體標準。在鑒定試驗的具體執行和實施方面，優先考慮采用已被國內較普遍接受的適用標準作為特定標準，抗震試驗選取GB/T 13625-1992 《核電廠安全系統電氣設備抗震鑒定》（等效IEC 60980），環境試驗選取GB/T 2423(等效IEC 60068-2）系列標準，電磁兼容性試驗選取GB/T 17626 (等效IEC 61000-4）系列標準。

三代AP1000項目核安全級數字化儀控系統的設備鑒定的主體標準采用IEEE 323《核電廠安全級設備鑒定》，環境鑒定依據美國核管會（NRC）RG1.209《核電廠中基于計算機的安全相關儀表和控制系統的環境鑒定指導》。

IEC 60780（GB/T 12727）、RCC-E和IEEE 323主 體鑒定標準對安全級數字化儀控系統設備鑒定適用的試驗法規定方面的比較（表1）。

表1 IEC 60780、RCC-E和IEEE 323標準鑒定試驗項目比較Table 1 Compare of RCC-E、IEC 60780 and IEEE 323

1）從鑒定方法上，RCC-E的內容主要是針對試驗法。IEC 60780與IEEE 323均提出型式試驗、運行經驗、分析法、組合法質量鑒定4種鑒定方法；此外，IEC 60780提出了在役質量鑒定方法。對于安全級數字化儀控設備而言，采用數字化技術后，其相對模擬設備的技術發展和產品的更新換代速度更快，獲取某些儀控設備在實際運行條件下的實際運行經驗數據會比較困難，所以應按照IEC 60780的要求，優先采用型式試驗方法進行儀控設備的環境鑒定。

2）從鑒定試驗項目的規定來說，IEC 60780（GB/T 12727）與RCC-E是一致的。IEEE 323的鑒定試驗項目類型也是4類試驗，與IEC 60780/RCC-E的4類試驗沒有大的明顯的區別。

3）從環境條件上，IEEE 323按照和緩環境和嚴酷環境進行了區分，而IEC 60780（GB/T 12727）未進行環境條件的區分。RCC-E對環境條件分為正常環境條件和事故環境條件。核安全級數字化儀控系統(物理變量檢測設備以及執行機構除外)屬于安全殼外1E級設備，通常安裝在具有通風和空調的電氣設備間，運行條件為和緩環境。和緩環境下設備在設計基準事件(DBE)工況下失效的潛在共因為地震運動，對于事故和事故后環境條件，核安全級數字化儀控系統主要考慮地震的情況[1]。

4）在老化方面，IEEE 323和IEC 60780都指出溫度、輻射劑量、磨損和振動都是可能的老化機理，IEC 60780還包括了腐蝕。

5）三類標準都規定進行抗震鑒定，分別執行IEEE 344和IEC 70980（GB/T 13625），在抗震試驗的要求和方法方面，基本相同。

6）關于裕量，IEC 60780（GB/T 12727）與IEEE 323相比較，沒有規定溫度和地震裕量，其他參數的裕度值基本一致。

1.2 核安全級數字化儀控系統設備鑒定的主體標準

IEEE 323鑒定的原則和方法能夠適用于二代改進型和AP1000等三代壓水堆核安全級數字化儀控設備的鑒定活動，具備通用性，因此我國核安全級數字化儀控的設備鑒定可以采用IEEE 323作為主體標準。

2 核安全級數字化儀控系統設備鑒定試要求

2.1 設備鑒定要素

核安全級數字化儀控設備鑒定若執行IEEE 323為主體標準，根據IEEE 323中規定：設備鑒定的基本要素包括：包含安全功能說明的設備技術規格書；驗收準則；在役條件的說明，包括適用的設計基準事件及其持續時間；鑒定計劃；鑒定計劃的實施；鑒定所需的文件資料，包括保持鑒定所要求的維修活動。設備使用者負責明確設備的性能要求和驗證已滿足鑒定要求的文件[2]。

2.2 鑒定試驗項目

根據GB/T 12727—2002的5.4.2以及IEEE 323對于設備鑒定試驗項及試驗順序的要求，鑒定試驗一般按照正常環境條件下的基準功能試驗、極限環境條件下的試驗、老化處理、事故及事故后環境條件下的試驗4個部分進行。

鑒定試驗應至少在一套完整的試驗樣機上按順序完成下述4類試驗內容。

2.3 鑒定試驗要求

2.3.1 基準試驗

基準試驗用于檢驗設備在正常環境條件下的電氣及功能性能特性，以產生基準數據，作為后面試驗數據的基準，包括以下方面的試驗。

1）外觀和機械結構檢查

2）基本電氣性能試驗

包括介電強度、絕緣電阻、接地連續性試驗，可依據RCC-E中的相關要求進行。

3）設備功能特性的測定試驗

檢查系統的完整性或配置典型性，包括：

系統設計準則：單一故障原則、獨立性原則和冗余性原則。單一故障條件試驗按照IEC 61131-2-2007進行。在安全級數字化儀控設備中如果應用了隔離模塊，需要按照IEEE 384要求進行信號線短路和開路試驗及串模和共模電壓故障試驗；按照RCC-E D7620要求進行隔離電壓和絕緣電阻試驗。

性能和功能特性。

2.3.2 極限使用條件下的試驗

1）環境試驗

在環境試驗中，對于環境條件，國內M310堆型的核電廠應首先滿足RCC-E規范中的環境條件[3]；而AP1000堆型應首先滿足NUREG 0800認可的EPRI TR-107330中的環境條件[4]（表2）。

表2 環境條件比較Table 2 Comparison of Environmental Conditions

目前國內核電標準中還沒有統一的環境條件要求，因此可保守的認為核安全級數字化儀控設備鑒定應當同時滿足RCC-E和EPRI TR-107330中規定的環境條件，并滿足具體廠址的要求[1]。

從表2可知，RCC-E中的D2220“安全殼外設備正常環境條件”和D2221“極限運行條件下的環境條件”都比EPRI TR-107330中的相應條件范圍更大一些。因此，從保守的角度來說，核安全級數字化儀控設備鑒定可考慮采用RCC-E中規定的環境條件。

2）溫濕條件試驗

試驗方法和條件：按照EPRI TR-107330的4.3.6.3[4]。

3）電磁兼容性試驗

電磁兼容性試驗方法和條件按照NRC的RG1.180[5]（表3）。

2.3.3 老化處理

安全級數字化儀控系統設備位于和緩環境，不存在明顯老化機理，不需要明確其鑒定壽命，因此不需要進行老化試驗。若該區域的累積輻照劑量不高于100Gy，因此可判定輻照為非明顯老化機理，可不考慮輻照老化。

操作循環對部件（如斷路器、開關和繼電器等）壽命的影響主要源于機械疲勞和磨損。由于這種疲勞和磨損效應是無法預見的，因此，除非已有試驗數據證明，該部件在經受合格壽命內規定的操作次數而并無明顯性能下降，否則應在規定條件下進行規定次數的運行老化，因此運行老化是安全級數字化控制系統設備鑒定需要考慮的顯著老化機理。

表3 電磁兼容性試驗方法和條件Table 3 Test methods and conditions for EMC

1）運行老化試驗

試驗方法和條件：按照IEEE 649-2006中規定的方法對運動部件進行運行老化試驗。

2）長期運行試驗

長期運行試驗是RCC-E標準中的耐久性試驗項目，IEEE 323中沒有該試驗，從保守角度看，核安全級數字化儀控設備鑒定的老化處理試驗中可考慮采用該試驗。

試驗方法和條件：按照EJ/T 1197-2007中的5.4.4和5.5.e)。

3）振動老化試驗

試驗方法和條件：參考IEC 60068-2-6-2006中的規定進行試驗。

2.3.4 事故及事故后環境條件下的試驗

試驗方法和條件：按照IEEE 344的規定進行試驗。采用連續正弦波信號或白噪聲隨機波信號進行激勵，掃描頻率范圍為1Hz～100Hz～1Hz，掃描速率為1倍頻程/1min，進行共振頻率探查試驗。在雙軸地震試驗臺上或在三向地震試驗臺上進行5次運行基準地震（OBE）試驗，再進行1次安全停堆地震（SSE）試驗。

3 結論

通過對國內外法規及相關標準、規范的分析，提出了對核級數字化儀控系統進行設備鑒定的試驗方法和試驗條件。認為IEEE 323可作為我國核安全級數字化儀控設備鑒定的主體標準。同時在環境試驗條件方面，可結合我國電廠實際情況，綜合考慮RCC-E和EPRI TR-l07330。在老化機理分析中，認為運行老化是需要考慮的顯著老化機理，此外，按照RCC-E以及EJ/T 1197-2007，增加了長期運行試驗。還對單一故障條件試驗、隔離試驗、環境試驗、電磁兼容性試驗和抗震試驗等試驗要求提出了具體建議。

隨著數字技術設備的迅速發展和其在我國新建核電廠中的廣泛應用，在對此類設備進行鑒定時，應吸納先進核電國家在此方面進行的研究成果，增加適用的鑒定要求，以適應新技術發展的變化需求，從而保障核電廠安全可靠的運行。

[1]黃偉杰.核電廠數字化儀表控制系統設備鑒定方法研究[J].核動力工程, 2014, 35(6):111-114.

[2]H IS under license with IEEE.IEEE Std 323-2003 IEEE Standard for Qualifying Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations[S].New York, USA: The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, 2004.

[3]AFCEN.RCC-E Design and construction rules for electrical equipment of nuclear island[S].France: AFCEN, 2005.

[4]EPR I Working Group.EPR I TR-107330 Generic requirements specification for qualifying a commercially available PLC for safety-related applications in nuclear power plants[S].Pleasant H ill CA,U.S:EPR I,1996..

[5]U.S.Nuclear Regulatory Comm ission.REGULATORY GUIDE 1.180 Guidelines for evaluating electromagnetic andradi of equency interference in safety-related instrumentation and control systems[S].Washington D.C,U.S: U.S.Nuclear Regulatory Commission 2003.