秦二廠棒控系統熔斷器篩選測試與壽命評估

黃 遠，李 捷，盧 建，朱鵬飛

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

秦山第二核電廠(簡稱“秦二廠”)1/2號機組是我國自主設計、自主建造、自主管理和自主運營的商用壓水堆核電廠，分別于2002年4月和2004年5月投入商業運行,至今已連續運行近二十年。棒控棒位系統是核反應堆中一個十分重要的系統，其任務是在確保反應堆安全的前提下通過控制棒的移動，控制堆芯反應性，以滿足反應堆長期運行的需要：通過最佳的提棒程序，使反應堆在運行過程中保持平坦的功率分布；補償由于溫度系數、疝毒效應等引起的反應性變化；負荷變化時,調節反應堆功率跟隨負荷變化；事故時,實現迅速停堆并保證適當的停堆裕度。

秦二廠1/2號機棒控棒位系統設備主要包括1個控制邏輯柜、9個電源柜、2個測量柜、1個處理柜。每個電源柜包含4組電源機箱，每組電源機箱，包括保持、傳遞和提升機箱各一個，控制一組控制棒驅動機構(CRDM)線圈，每組CRDM線圈根據不同通電指令實現控制棒的提升、下插或停止。每組電源機箱含有12個熔斷器，在260 V三相動力電源回路保護電源、機箱以及CRDM線圈。

近年來，隨著運行年限的增加，棒控系統設備老化現象逐漸凸顯，故障率逐漸升高，系統穩定性與可靠性不斷下降。棒控電源柜的熔斷器屬于易老化的設備之一，一旦非預期老化熔斷，將造成控制棒滑棒、落棒乃至反應堆停堆等嚴重后果，但核電廠維修與技術人員僅憑現場情況和使用經驗無法準確判斷熔斷器的實際老化情況，導致預防性維修行動的制定依據不足，本著專業化、精細化以及科學決策的原則，科學地針對熔斷器進行篩選測試與老化評估顯得尤為重要。

在核電廠目前的熔斷器管理中，出廠熔斷器依賴于廠家的質量保證，無法確認熔斷器在制造、存儲，以及運輸過程中帶來的質量缺陷；服役熔斷器采用外觀檢查，以及萬用表測量連接電阻，無法有效識別熔斷器老化狀態及剩余壽命。本文以秦二廠棒控棒位系統部分熔斷器為試驗對象，針對新熔斷器進行篩選測試，確保將服役于現場的熔斷器質量可靠；針對更換下來的熔斷器進行老化評估，為核電廠后續的管理行動措施制定提供參考。

1 評估對象篩選

熔斷器的老化程度取決于熔斷器所處的環境狀態以及運行模式，針對長期空載的熔斷器，老化應力主要為環境參數，如環境溫度、濕度等；針對頻繁動作的熔斷器，主要老化應力為電流沖擊；針對長期穩定載流的熔斷器，主要老化應力為歐姆熱溫升以及金屬電遷移等。為了使評估對象更具有覆蓋性，挑選的兩個電源柜的熔斷器，編號分別為I號電源柜與Ⅱ號電源柜，其中Ⅰ號電源柜熔斷器長期處于空載狀態，Ⅱ號電源柜處于頻繁動作或長期載流狀態。兩個機柜均安裝有以下4種熔斷器。

表1 待評估熔斷器信息

2 熔斷器篩選測試

熔斷器篩選測試的目的是確保即將用于現場的熔斷器質量可靠，分為無損測試和有損測試兩部分，其中有損測試抽樣進行，當抽樣結果合格率不滿足要求時，應要求重新采購熔斷器或更換選型。篩選測試內容如表2所示。

表2 熔斷器篩選測試內容

2.1 外觀檢查

外觀結構檢查能夠直觀得反映熔斷器制造和加工質量，合格的熔斷器應無變色、霧化、變形情況。連接端子準直、牢固，密封性能良好。

2.2 冷態電阻和電壓降

冷態電阻與電壓降能夠有效地反饋熔斷器熔體的加工質量，合格的一批熔斷器冷態電阻和電壓降在規定的范圍內，且測量數值集中分布。

冷態電阻在25 ℃實驗室環境進行，采用微歐表直接測量熔體兩端的電阻；電壓降測試通以額定電流，采用高精度萬用表迅速測量熔斷器兩端的電壓。篩選后的熔斷器測試均在出廠值偏差10%以內，結果合格。

2.3 時間—電流特性

時間—電流特性反應熔斷器的保護特性，熔斷器在規定電流下應在規定的時間熔斷，以保障對回路的安全。

時間—電流特性在實驗室環境下進行，從額定電流開始，依次給出IN、2IN、3IN，記錄熔斷器的熔斷時間。所有熔斷器IN下4 h不熔斷，2IN下1～120 s熔斷，3IN在0.1～3 s熔斷，結果合格。

2.4 熔斷器溫升特性

溫升能夠有效地表征熔斷器熔體的性能狀態，建立溫升特性基準曲線，日常運維巡檢值與基準曲線進行對比，以發現熔斷器的降質情況。熔斷器溫升測試從0.1 IN下開始，待溫度穩定后將電流增加0.1 IN直到熔斷器動作，在每個階段測試熔斷器的溫升。

該批次熔斷器溫升特性試驗表明：熔斷器實際服役電流在額定電流以下，歐姆熱溫升小，穩定速度快；超過額定電流，溫升明顯，穩定速度較慢；接近約定熔斷電流，熔斷器溫度持續上升，直至燒壞；溫升特性正常。

2.5 耐久試驗

耐久試驗用于驗證熔斷器在頻繁動作環境下的耐電流沖擊能力。耐久性試驗對熔斷器通過1.2倍額定電流1 h，然后切斷電流15 min，循環重復100次，然后通1.5倍額定電流1 h，最后在額定電流下測量電壓降，經過驗證，4種熔斷器均滿足驗收要求。

2.6 約定不熔斷電流

約定不熔斷電流用于驗證熔斷器在約定不熔斷器電流環境下，在規定的時間內不熔斷。

給熔斷器供給指定約定不熔斷電流1 h，熔斷器不熔斷，滿足驗收要求。

2.7 約定熔斷電流測試

約定熔斷電流用于驗證熔斷器在約定熔斷電流環境下，在規定的時間內熔斷。

給熔斷器供給指定約定熔斷電流，熔斷器熔斷，滿足驗收要求。

2.8 X光透視檢測

采用X射線儀觀測熔斷器的內部缺陷，尤其是熔體及連接、以及報警導線的缺陷。

X射線檢測結果顯示僅NT00 500 V 50 A編號為34的熔斷器有三顆石英砂微小雜質，已單獨取出進行篩選測試，熔斷器本身電氣性能良好，熔斷器熔體及報警導線連接良好，無斷損情況。

2.9 微區成分分析

微區成分分析用于識別熔斷器構成部件的材料組成，為熔體的失效理論分析提供依據。

微區成分組成采用XRF射線檢測儀或掃描電鏡識別，測試結果明確識別了主體元素及占比，各熔斷器均正常，與廠家出具的材料組成表相符。

3 熔斷器壽命評估

熔斷器使用一定時間后，其性能可能發生降質，因此需要在現場篩選熔斷器進行老化狀態檢測與壽命評估，并以此為依據科學地制定相應的預防性維護措施，保障系統可靠性。

3.1 熔斷器分類

根據待評估熔斷器運行工況的不同，對待評估熔斷器進行分類評估，將頻繁動作與非頻繁動作的機柜區分，將長帶電和非長帶電的熔斷器區分。

3.2 老化評估

現場熔斷器樣本難得，熔斷器的老化狀態檢測采用無損方式，測量熔斷器的敏感無損指標冷態電阻和電壓降，以評估熔斷器的老化狀態。評估結果表明，長期帶電或載流比較大的NT00 10 A熔斷器冷態電阻及電壓降增加較大，其他3種熔斷器未出現明顯的降質情況。

3.3 剩余壽命評估

3.3.1 壽命模型

(1)

(1)加速因子計算方法

在實驗室環境下，給熔斷器組加正常工作電流，待溫度達到穩定后，測量熔絲溫度TU并記錄；加大電流應力(小于最小約定熔斷電流)，此電流為試驗電流，并記錄試驗開始時間，待溫度達到穩定后，記錄該電流下的溫度TS。計算正常工作電流條件下以及試驗電流條件下的電流密度JU、JS，確定電流密度指數n。將得到的數據分別帶入式(2)可得到正常工作電流下的綜合加速因子，如式(2)所示：

(2)

式中：Ea——活化能，金屬電遷移取值0.6 eV；

K—常數，數值為8.62×10-5；

JU、JS——電流密度，數值為加速電流除以通流截面，單位A/cm2；

n——密度指數，數值取決于電流密度，J≤105A/cm2時，n=1，105A/cm2≤J≤106A/cm2時，n=1.5，106A/cm2≤J≤2.8×106A/cm2時，n=2。

(2)可靠壽命計算方法

在加速電流下記錄各熔斷器的熔斷時間tk，并按照熔斷時間前后依次進行排列。可靠壽命分布采用雙參數威布爾分布模型，可靠分布公式如下所示：

(3)

式中:α、β——可靠性參數；

t——熔斷器熔斷時間；

e——自然對數，數值為2.718 2。

將上式經過取對數變換后如下所示：

ln(-lnR(t))=βlnt-βlnα

(4)

式(4)可靠度R(t)數值通過以下平均秩法獲取：

(5)

式中：Ak——故障樣品平均秩次；

ΔAk——故障樣品平均秩次增量；

i——樣品依次熔斷的排列順序；

n——樣品總量；

t——可靠性時間。

將ln(-lnR(t))數值以及熔斷器加速熔斷時間lnt進行直線擬合，獲取α、β值，得到可靠性分布函數R(t)。

得到可靠性分布模型后，可靠性壽命計算公式如下所示：

(6)

3.3.2 加速老化試驗

將同型號待評估熔斷器串聯，施加加速老化電流進行同步老化，當有熔斷器熔斷退出時，記錄熔斷時間，并采用斷路器隔離該熔斷器，其他熔斷器繼續老化試驗，直至所有熔斷器熔斷或試驗終止。其中，加速老化電流設置在約定熔斷電流以下，同時，在試驗過程中，測量待評估熔斷器在加速老化電流下穩定后的平均歐姆熱溫升。

3.3.3 電流密度指數計算

通過顯微鏡測量熔斷器熔體的最窄截面，并計算出電流密度。

3.3.4 加速老化因子計算

將溫升及電流密度指數帶入式(3)，得到試驗電流下的綜合加速因子。

3.3.5 可靠時間計算

經過加速老化試驗獲得各熔斷器的熔斷情況，根據式(5)、式(6)計算可靠性時間。

3.3.6 剩余壽命計算

根據式(1)，將獲取的加速因子乘以可靠性時間，結合熔斷器的運行工況，獲得金屬電遷移老化應力下的剩余預估壽命。結果表明，保持機箱出口熔斷器剩余壽命較短，其他熔斷器剩余壽命較長。

4 總結

通過熔斷器篩選測試與壽命評估，得出以下結論：

1)經過篩選測試，新批次4種熔斷器各項性能指標滿足驗收要求，熔斷器質量可靠。該批次熔斷器可入庫保存或直接使用于現場；

2)長期帶電且載流比較大的NT100 10 A保持機箱熔斷器，剩余壽命較短，建議使用篩選測試后的熔斷器對現場機柜進行預防性更換；其余熔斷器剩余壽命較長，在10年內無需進行預防性更換。