CAP系列核電站1E級儀控設備的鑒定方法

袁冬英， 尚 恒

(上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240)

隨著溫室效應及大氣污染的日趨嚴重，各國都在積極發展清潔能源。核能作為一種清潔、高效的能源，至今已有幾十年的發展歷程，而保證核安全是核能發展和利用的前提。在核電設備國產化進程中，設備鑒定是質量證明的關鍵環節，是保障核電站安全運行的必要技術手段。

儀表和控制系統是核電站的中樞神經，為核電站的穩定運行和各類工況處理提供安全保障，其設備可靠性尤為重要。核電站中的儀控設備根據其用途和功能可劃分為安全級(1E級)和非安全級(NC級)兩大類。1E級儀控設備是指發生事故時和事故后會影響到核電站核安全的設備，這些設備主要包括用于反應堆緊急停堆、安全殼隔離、堆芯應急冷卻及其他主要用于防止放射性物質向環境過量釋放的系統設備等。1E級以外的用于保障核電站正常運行的其他儀控設備屬于NC級。筆者就CAP系列核電站1E級儀控設備鑒定方法進行探討，旨在為同行核級儀控系統的設備鑒定提供參考。

1 適用標準

目前，我國核電設備鑒定主要遵循法國RCC-E、歐洲IEC和美國IEEE標準體系。在鑒定方法方面，RCC-E—2005 《壓水堆核電廠核島電氣設備設計和建造規則》主要針對試驗法，IEEE 323—2003 《核電廠1E級設備的質量鑒定》和IEC 60780—1998 《核電站安全系統的電氣設備質量鑒定》均將設備鑒定方法分為型式試驗法、分析法和運行經驗法。IEEE 323—2003將環境條件分為和緩環境和嚴酷環境，RCC-E—2005將環境條件分為正常環境和事故環境，而IEC 60780—1998則未對環境條件進行區分。IEEE 323—2003、IEC 60780—1998和RCC-E—2005對鑒定試驗項目類型的規定沒有明顯區別。RCC-E—2005及其配套規范在我國各壓水堆核電站設備鑒定中已得到了廣泛應用。歐洲主要以IEC 60780—1998作為核電站1E級電氣設備質量鑒定的通用標準，RCC-E—2005 B卷也認可IEC 60780—1998中的相關要求。我國已將IEC 60780—1998轉換成我國電氣設備鑒定的主體標準GB/T 12727—2002 《核電廠安全級系統電氣設備質量鑒定》，該標準是目前我國電氣設備鑒定的頂層標準，而EJ/T 1197—2007 《核電廠安全級電氣設備質量鑒定試驗方法與環境條件》作為GB/T 12727—2002的配套標準，較詳細地給出了環境試驗相關要求。IEEE 323—2003具有先進的鑒定理論，是美國核電行業普遍遵守的1E級電氣設備環境鑒定標準，我國CAP系列是在消化吸收美國AP1000的基礎上，通過再創新形成的具有自主知識產權的核電堆型。因此，我國CAP系列核電站儀控設備鑒定以IEEE 323—2003作為主體標準。

CAP系列核電站安全相關電氣設備的鑒定主要由三部分組成：環境鑒定、抗震鑒定和電磁兼容(EMC)鑒定，一般采用型式試驗法、分析法或兩者相結合的方法進行。試驗或試驗與補充分析相結合的方法是在1E級電氣設備環境和抗震鑒定時優先選用的方法。

2 試驗項目

2.1 老化機理評估

核電站設備運行環境一般可以分為和緩環境和嚴酷環境，不同環境設備的鑒定要求不同。對于核電站1E級控制機柜類設備，其大多數安裝在具有通風和空調的和緩環境中，在這種環境下，安全停堆地震(SSE)是需要考慮的設計基準事件。根據IEEE 323—2003，位于和緩環境中且沒有顯著老化機理的設備不需要確定其鑒定壽命，不必進行抗震試驗前的加速熱老化試驗[1]。美國電力研究所(EPRI)對大量老化與未老化的電氣部件進行振動試驗比對[2-3]，結果表明核電站1E級控制機柜類設備用的許多儀控系統設備如電容器、板卡、電子報警器、斷路器、開關等，熱老化所產生的劣化不會明顯影響其在地震環境中的性能。因此，儀控系統設備不存在明顯熱老化機理，在地震試驗前不必進行加速熱老化試驗[4]。

兩個設備上不同參考地間的電位差或者遠距離設備連接電纜上的電位差會產生電磁干擾/射頻干擾。操作員接觸控制面板、機殼或機柜時會產生靜電放電干擾。對講機、手機、廣播、電臺和雷達站會產生電磁場輻射干擾。交流供電容易受到閃電和各種開關瞬態產生的浪涌干擾，因此，需要考慮進行EMC試驗。

在核電站和緩環境下運行的設備，其40～60 a累計輻照劑量(包括正常和事故輻照)非常低，如AP1000/CAP1400在60 a內累積輻照劑量不高于10 Gy，輻照為非明顯老化機理，可不考慮輻照老化。

機械老化對儀控系統設備(如微型斷路器、開關和繼電器等)壽命的影響主要源于機械疲勞和磨損。由于機械疲勞和磨損效應對部件承受地震的能力的影響是無法預見的，除非已有試驗數據證明，儀控系統設備在經受合格壽期內規定的操作次數并無明顯性能下降(即無明顯老化機理)，否則應在規定條件下進行規定次數的機械老化試驗。

儀控設備還需要考慮正常環境條件、異常環境條件、運輸存儲環境條件，以及設備在運行環境條件下所承受的地震以外的振動累積效應對其性能劣化的影響。

2.2 鑒定試驗序列

根據以上對核電站儀控設備顯著老化機理的分析以及IEEE 323—2003中對設備鑒定要求的規定，得出位于和緩環境中的1E級儀控設備鑒定試驗項目及試驗序列(見表1)，設備鑒定應按此順序在同一試驗樣機上進行。在鑒定試驗前，需要進行基準功能試驗，以驗證設備是否能在正常環境條件下運行并達到設計規格書所要求的全部性能要求。EMC試驗、環境試驗、振動試驗和抗震試驗根據具體要求還需要進行試驗過程中和試驗后的功能試驗。

表1 鑒定試驗序列

根據IEEE 323—2003，EMC試驗可結合鑒定試驗執行時的實際執行情況調整到抗震試驗之后執行。

3 試驗方法

3.1 基準功能試驗

根據設備類型和所需要執行的安全功能，在實施鑒定試驗前需測定設備的基準功能特性，用以確定設備在正常環境條件下運行并達到設計要求所規定的全部性能和各項特性參數，并作為設備在后續各鑒定試驗中功能試驗比對、判斷的基準。主要包括外觀和結構檢查、基本電氣性能試驗和特定功能特性測試等。

3.2 EMC試驗

根據美國核管會發布的RG1.180—2003 《安全級儀表和控制系統電磁和射頻干擾評估導則》，安全有關設備的EMC鑒定包括發射試驗和抗擾度試驗，其目的是驗證設備對所在環境產生的電磁干擾滿足標準要求，同時對所在環境存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度能力。EMC鑒定一般按照下列順序[5]執行：

(1) 發射試驗。

(2) 破壞性小的抗擾度試驗。

(3) 破壞性大的抗擾度試驗。

EMC試驗參考MIL-STD-461E—1999 《子系統和設備的電磁干擾特性的控制要求》[6]和IEC 61000-4系列標準。具體試驗方法和條件見表2，發射試驗的試驗發射值應低于發射限值。

表2 EMC試驗方法和條件

抗擾度試驗根據系統功能重要性不同，性能判據分為A、B、C三個等級。等級A為在試驗過程中和試驗后，設備能按預定要求工作；等級B為在試驗后，設備能按預定要求工作；等級C為允許設備暫時的功能喪失，但要求設備能夠自己恢復功能或可以通過控制來恢復功能。

3.3 機械老化試驗

微型斷路器、手動操作開關等儀控設備應根據IEEE 649—2006 《核電廠1E級電動機控制中心質量鑒定》的要求，對其進行與運行老化機理相對應的操作循環試驗，以驗證其在設計壽命末期仍能保持相應的安全功能。設備運行老化次數應根據標準增加相應的裕量。

3.4 環境試驗

環境試驗用以考核設備在壽期內存儲、正常環境條件、異常環境條件的耐受能力。環境試驗參數的選擇可參照標準EJ/T 1197—2007執行，考慮滿足三代核電應用需求，應增加TR-107330—1996 《核電廠安全相關應用的商用PLC通用需求規格》中的溫濕綜合環境試驗，針對含有板卡的電子設備，需要進行長期運行試驗。具體的環境試驗方法及條件見表3。

表3 環境試驗方法和條件

在進行交變濕熱試驗時設備一般不通電，此時設備表面有結露，易造成儀控系統設備損壞，其他試驗項目可根據需要決定是否通電。進行低溫試驗、溫濕綜合環境試驗時也應避免設備結露影響。

3.5 振動試驗

振動試驗用于模擬設備在運行環境條件下所承受的地震以外的振動累積效應對其性能劣化的影響。振動試驗方法參考GB/T 2423.10—2008 《電工電子產品環境試驗 第 2部分：試驗方法 試驗Fc：振動(正弦)》。

振動試驗采用連續正弦波信號在三個正交軸方向分別進行單軸振動激勵試驗，按照1 min掃描1倍頻程的速率在10～150 Hz進行掃頻耐久性試驗，交越頻率為57 Hz。低于交越頻率的位移幅值為0.075 mm，高于交越頻率的加速度幅值為1g(g為重力加速度)，循環掃頻次數為10次。

3.6 抗震試驗

抗震試驗是為了驗證設備在設計基準地震事件期間及之后，能夠保持其結構完整性并能執行其安全功能?？拐鹪囼炘讵毩⒌娜S試驗臺進行，采用同步隨機、多頻率加速度的時程輸入。

根據IEEE 344—2004 《核電站1E級設備防震鑒定的推薦實施規范》要求，抗震試驗應包括 5 次運行基準地震(OBE)試驗和至少 1 次SSE試驗，試驗前還需要進行共振頻率搜索試驗。試驗按下列順序及方法進行：

(1) 共振頻率搜索試驗。

共振頻率搜索試驗可通過正弦掃頻或隨機掃頻兩種方式進行：正弦掃頻的頻率為1～100 Hz，采用三個正交軸線分別進行，應控制振幅不小于0.2g(峰值)，1 min掃描2倍頻程；隨機掃頻的頻率為1～100 Hz，隨機搜索的振幅至少為0.3g，試驗至少持續180 s。

(2) 低水平地震試驗。

根據IEEE 344—2004要求，低水平地震試驗相關的低循環疲勞效應可能在SSE之前出現，使用5次可接受的重復50%的SSE試驗作為OBE的輸入等級進行試驗。

(3) SSE試驗。

設備進行至少1次SSE的輸入等級試驗。試驗要求響應譜按照設備在核電站所在的廠房樓面譜進行，并考慮10%的裕量。

4 結語

隨著儀控系統向著數字化和集成化方向發展，并在我國新建核電站中廣泛應用，使得1E級儀控設備的質量鑒定有了更高的要求。通過對CAP系列核電站儀控設備運行環境及顯著老化機理分析，結合國內外法規及相關標準規范，得出CAP系列核電站1E級儀控設備的鑒定方法，并對EMC試驗、環境試驗、振動試驗和抗震試驗等試驗常用方法標準及試驗參數給出了具體建議，為三代核電儀控設備的國產化及設備鑒定提供質量保障。