核電廠安全級低壓開關柜抗震鑒定試驗的研究

紀桂強

（廣東正超電氣有限公司，廣東汕頭 515041）

0 引言

我國的第一座核電廠秦山核電廠建造于20世紀80年代初期，從秦山核電廠建造開始，為保證核電站所使用設備的安全可靠性，國家核安全局就已經提出了對于所有核安全級設備必須完成設備鑒定。抗震鑒定是核安全級電氣設備鑒定的一個重要的環節。地震是最常見、危害最大的自然災害，它可能導致核電廠各物項同時失效（即共因故障），因此，需對在地震期間及之后執行其預期功能的物項進行抗震鑒定[1]。安全級低壓開關柜安裝于核電廠核島廠房內，負責對核電廠安全系統供電；若安全級低壓開關柜在發生地震時失效，可能對核安全造成無法估量的影響。安全級低壓開關柜須按相關標準進行抗震試驗考核，本文闡述了核電廠安全級低壓開關柜的抗震鑒定試驗目的、方法、樣機選擇和試驗過程。

1 抗震鑒定的目的

核安全級電氣設備的設備鑒定目的是證明該設備在其壽命期內（如40年），在各種預期的運行和事故工況下，都能可靠的動作和運行，履行其規定的安全功能。地震事件作為核電廠和緩環境下唯一設計基準事件，抗地震性能對于安全級低壓開關柜來說是重點的考核項目。安全級低壓開關柜只有通過抗震鑒定試驗，驗證開關柜在核電廠地震事故狀態下，設備仍能執行其預期的功能，保證核電廠安全系統供電，才能應用于核電廠。

進行抗震鑒定試驗的目的在于測定設備的自振頻率，考核設備結構及其部件的剛度、強度，驗證設備在地震時和地震后能否正常動作，保持其結構完整性，以執行相關的安全功能。

2 抗震鑒定的方法

抗震鑒定可通過試驗、分析或分析與試驗相結合的方法進行。HAF-J0053規定：一般來說，對于能動（即通過機械運動實現其安全功能）的機械設備和1E級電氣設備，在原型樣機第一次抗震鑒定時，宜采用試驗方法[2]。安全級低壓開關柜屬于IE級電氣設備，因此，對于安全級低壓開關柜的樣機的第一次抗震鑒定時，采用試驗方法。

安全級低壓開關柜抗震試驗是質量鑒定的一個重要環節。質量鑒定的次序應按老化試驗、抗震試驗、LOCA環境試驗的順序在同一套試驗樣機上進行。對需要進行功能評價的樣品，應監測其在試驗前、試驗中和試驗后的性能[3]。

按照HAF J0053和RCC-E等相關標準的要求，樣機進行抗震試驗采用三軸時程試驗法，并考慮10%的裕度，在試驗前，先對設備進行動態特性檢測，然后進行5次OBE運行基準地震試驗和1次SSE安全停堆地震試驗，強信號區段至少持續時間為10 s，信號總持續時間最少為30 s；阻尼比5%；OBE水平方向包絡頻譜如表1所示，OBE垂直方向包絡頻譜如表2所示，SSE反應譜按照OBE反應譜的2倍選取。進行每次OBE和SSE試驗過程中，設備通電并對各二次回路進行至少1次分合閘操作，并監視下列器件狀態：

（1）一次回路導體應能承受操作電壓和瞬間過電壓；

（2）斷路器應能閉合、承載、斷開最嚴酷應用條件下所規定的負載電流；

（3）斷路器應能閉合、承載、斷開最嚴酷應用條件下所規定的短路電流；

（4）斷路器只能在得到指令時操作，進行分斷、閉合一次或二次回路；

（5）保護元器件、控制和輔助系統應能支持一次回路的功能性要求。

表1 OBE水平方向反應譜

表2 OBE垂直方向反應譜

3 抗震鑒定試驗樣機的選擇

安全級低壓開關柜抗震試驗樣機（下簡稱：樣機）應是經老化試驗的樣機。抗地震鑒定試驗一般采用1∶1模型，即以原型設備進行試驗[6]。鑒定試驗樣機的結構、元器件選擇應具有代表性，以保證樣機性能足以代表1E級低壓抽屜式成套開關設備的典型特性。

樣機的結構必須有足夠的機械強度，具有較強的抗地震性能，樣機結構機械強度是影響設備抗地震性能的關鍵因素。可從殼體材料、制造工藝、特殊加強結構來提升樣機的機械強度，使樣機結構具備足夠的機械強度，是設備抗地震性能的基本保障。此外，特別指出的是，由于樣機上各抽屜單元采用接插連接結構，其抗震動能力最差，需要采取特殊的機構對抽屜單元進行鎖定，防止抽屜單元在震動過程中發生位移或脫離現象。設備結構有足夠的機械強度和抽屜單元的可靠鎖定是開關柜具有較強抗地震性能的重要因素。

樣機回路隔室的布置對設備的抗地震性能也有關鍵影響，樣機應按照試驗最不利的因素考慮各回路隔室的位置，為實際安裝應用提供最大的自由度。樣機設計時，應將質量最大和對振動最敏感的單元盡可能靠近設備頂部，將重心位置升高，以提高試驗嚴酷性；但在產品實際使用時，則必須盡量將質量最大和對振動最敏感的單元盡可能靠近設備底部，設備重心降低，減小地震事件對設備帶來的不利影響。

4 抗震鑒定試驗過程

應針對抗震試驗樣機編制相應的抗震試驗質量計劃和鑒定大綱，制訂鑒定的方法和程序，對樣機進行抗震鑒定試驗。

（1）抗震試驗前樣機老化處理

抗震試驗前必須對樣機進行老化處理。在安全級低壓開關柜實際運行中，存在一些因素會引起設備產生老化，明顯影響設備的抗震性能。因此，在抗震試驗前，需要對樣機進行熱老化、輻照老化、振動老化和濕熱交變老化等一系列老化處理。

（2）抗震試驗前樣機檢查

樣機進行抗震試驗前，需要進行功能檢查，主要檢查樣機的結構緊固件和導線是否擰緊，電氣插接是否可靠，保護電路采取措施保證良好接觸，可活動的機械零部件是否動作靈活，各功能回路的狀態指示是否正確等。

（3）樣機的安裝要求和測點布置

樣機的安裝方式與其在核電廠的實際安裝條件一致，用螺栓將樣機安裝在鋼制支架上。支架必須有足夠剛度，以減少因支架對鑒定結果的影響[5]。設備與試驗臺之間的安裝固定方法和加速度傳感器的位置應根據實際的情況來確定[4]。樣機安裝時，模擬現場的安裝狀態，用M16的螺栓按照規定的擰緊力矩將樣機安裝在鋼制基座上，柜間采用M10的螺栓并柜連接，最后將鋼制基座和振動試驗臺臺面進行剛性連接。選擇對樣機有功能影響的典型部位，布置足夠的加速度、位移、應力、應變傳感器，每個測點均含有X、Y、Z三個方向，以監測抗震試驗中設備輸入運動和設備典型部位的響應。

（4）抗震試驗前探測試驗

進行動態特性探測試驗，查明試驗樣機的自振頻率和阻尼比，了解樣機的固有動態特性。輸入幅值不大于0.2g的正弦波連續掃描在0.5～50 Hz范圍內，作探測試驗，掃描速度不超過2倍頻程/min。通過試驗樣機對輸入運動在不同頻率處的放大來探測試驗樣機結構的自振頻率和阻尼比。

（5）抗震試驗考核

抗震試驗過程依次經過5次OBE和1次SSE地震考核試驗。試驗中試驗樣機輸入的試驗反應譜應包絡設備安裝所在位置的樓層反應譜。

按阻尼比為0.05的樓層反應譜設計人工地震波，分X、Y、Z三個方向，用SSE考核試驗的振動臺面輸入波形，如圖1所示。人工地震波互為獨立，其相關系數如圖2所示，OBE試驗為SSE試驗的1/2。在OBE、SSE考核試驗時，對X、Y、Z三個方向輸入的人工地震波進行適當放大，以保證實驗時的人工地震波的反應譜TRS能包絡樣機要求的試驗反應譜RRS。人工地震波總持續時間為30 s，其中強震部分20 s。

（6）狀態監測

樣機在試驗期間是否通電取決于技術規格書中對待鑒定設備安全功能的規定[7]。試驗期間，對樣機上每個回路進行最少一次分合閘操作，并分別監視一、二次回路的動作情況。由于一次回路處于通電狀態，因此主回路的狀態監測通過元器件的輔助接點進行，同時，電壓監測回路輸出信號也必須進行狀態監測。

（7）試驗后功能檢驗

圖8 輸送線三維總體設計圖

圖9 輸送線使用現場

樣機在抗震試驗前后均進行功能試驗，根據功能試驗結果，對樣機的抗震性能作出評價。力資源，生產節拍提高到每道工序只需要3 s，不受人為因素影響，生產效率更高。減少了企業用工成本開支，保證了高質量產品的穩定生產，受到企業的歡迎，已經形成示范性，帶動了本地區電飯煲企業的升級換代。