三代核電防火閥控制箱設備的研制

葉益明，陸建忠

（蘇州東儀核電科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215101）

0 引言

臺山核電站是引進的EPR（歐洲第三代核電）技術，通風控制系統是首次由國內供貨的系統，當時在國內還沒有相關先例。

防火閥就地控制箱屬于核安全級設備，在核電站在役期間，必須始終處于完好狀態。

防火閥就地控制箱是為了保證核島廠房各房間的通風空調正常運行，保證各房間的空氣溫度和濕度處于正常范圍之內。防火閥平時處于開啟狀態，當核島廠房內某房間發生火災時，為避免火災的擴大和蔓延，同時還能防止放射性物質的對外擴散，必須迅速關閉該房間的防火閥，使該房間與其他房間之間隔離開來。

根據不同的環境條件，核島廠房選用3種型號的防火閥，有Highwell1、Highwell2和Vraco。這 些 防 火 閥屬電動驅動型閥門，閥門的啟、閉程序較為復雜，且不能自動檢測防火閥處于的狀態，現有的控制箱系統沒有滿足要求的PLC可選用。在實際使用中容易發生火災處理事故不及時，造成重大的損失，無法滿足核電站中對防火閥控制系統的高要求。

自主研發核電站防火閥控制箱設備是為克服現有技術的不足而提供一種核電站防火閥，接受DCS 控制單元，實現就地關閉和開啟，同時具有向DCS控制單元反饋閥門狀態、故障報警信號功能的核電站防火閥控制箱設備的電路結構。

1 主要技術指標

1.1 主要技術指標

防火閥控制箱設備通過極端環境條件試驗、老化試驗等K2/K3鑒定試驗后，保證設備在地震工況條件下的完整性和可運行性。

1.2 其它技術指標[1]

1）功能等級：F1B

2）電氣等級：EE2

3）儀控等級：EE1

4）地震等級：SC1

5）鑒定等級：K3

6）防護等級：IP42 /IK07

7）適用環境條件：溫度5℃～45℃，濕度70%

8）外形尺寸：750×600×550（高×寬×深，單位：mm）

9）安裝方式：掛墻安裝

2 項目技術研發

2.1 設計技術要求

本項目研制用于核電站防火閥就地關閉和通過接受主控室命令，實現就地關閉和開啟防火閥的邏輯控制裝置。該裝置接受反饋信號，在箱面指示，同時具有向主控室反饋閥門狀態、故障報警等信號的功能。防火閥控制箱內通過對配電盤提供的電源進行AC/DC轉換和分配，以獲得防火閥的動力電源和控制箱內二次回路控制電源。電源具有冗余設計，并且對AC電源和DC電源進行監測，具有短路保護、故障報警功能；控制箱接受外部儀控DCS控制命令和閥門狀態信號，并向儀控DCS反饋閥門狀態信號、控制箱報警信號等。

2.2 控制原理

來自上級配電盤的230VAC電源進入控制箱內斷路器001JS，再經過分斷路器002JS和003JS進行保護后，通過開關電源001RD和002RD使230VAC轉化成48VDC，再經過直流斷路器004JS～007JS向防火閥的執行機構和控制回路提供電源。001RD和002RD電源互為備用，當一路電源損壞時，還有一路電源能正常工作。通過001XR對供電電源230VAC進行監測，當進線電源欠壓和過壓故障時，向DCS發出230VAC電源報警信號，002XR和003XR分別對001RD和002RD進行監測；當001RD或002RD發生故障時，通過004XR向DCS發出48VDC電源故障報警信號，001XR～004XR分別由001FU～004FU進行保護。見圖1供電電源和電源監測。

圖1 供電電源和電源監測Fig.1 Power supply and power monitoring

中間繼電器101XR和102XR接收來自DCS的開關命令，經過中間繼電器103XR和104XR，通過時間繼電器101XT和102XT的延時功能，對控制繼電器101JA和102JA進行時間邏輯控制，從而對就地防火閥進行開啟和關閉控制，通過箱門按鈕101TO關閉防火閥，DCS具有優先的權利。見圖2DCS啟停控制和箱門按鈕控制。

圖2 DCS啟停控制和箱門按鈕控制Fig.2 DCS start-stop control and box door button control

就地防火閥的開、關狀態信號通過中間繼電器105XR、106XR發送至DCS，并在箱門上通過指示燈101HA、102HA進行指示，102TO為試燈按鈕。見圖3閥門狀態反饋和指示。

圖3 閥門狀態反饋和指示Fig.3 Valve status feedback and indication

2.3 技術創新點

1）采用繼電器邏輯控制方案，對核電站通風系統各類防火閥進行啟停控制。

2）對配電盤輸入進行電源轉換，以獲得閥門動力電源和箱內二次回路電源；接受儀控DCS控制命令和向DCS反饋閥門狀態信號、控制箱箱號。

3）安全可靠的控制方案和箱體的結構設計，通過安全級產品系列質量鑒定試驗，使研發的控制箱產品在地震載荷作用下能夠正常工作，并保持設備的完整性和可運行性。

3 樣機的鑒定試驗

3.1 樣機選擇

由于電源箱內僅安裝斷路器和接線端子，電源箱的尺寸也比防火閥控制箱小，根據整批設備的外形尺寸、結構型式、箱內配置元器件的數量來選擇一個尺寸適當、結構復雜、箱內元器件數量較多、現場安裝條件最苛刻的產品作為樣機，故選擇防火閥控制箱（8SR34 750×600×550，單位：mm）作為試驗樣機。

控制箱通過箱面的控制按鈕，用來控制現場的閥門；指示燈指示現場閥門的開、閉狀態，箱內安裝的斷路器、中間繼電器、時間繼電器、接觸器、魏德米勒接線端子等，用以滿足閥門的控制和信號的連接或擴展。

3.2 鑒定試驗要求

3.2.1 基準性能試驗

1）介電強度試驗

試驗依據《RCC-E壓水堆核電站核島電氣設備設計和建造規則》（2005版）MC卷 MC3100電介質試驗進行。

驗收準則：如果試驗時不出現局部放電、擊穿或閃絡，而且如果泄漏電流在用交流電試驗時保持低于10mA，則認為該試驗合格[2]。

2）絕緣電阻試驗

試驗依據《RCC-E壓水堆核電站核島電氣設備設計和建造規則》（2005版）M卷 MC3200絕緣電阻試驗檢查和試驗方法。

驗收準則：如果測量值超過設備技術規格書中的規定值，則應認為這項試驗是滿意的。在缺少規定值時，對于各項設備該值應選為100MΩ，對于設備組件這個值可不小于10MΩ[2]。

3）接地電阻連續性試驗

試驗依據：《RCC-E 壓水堆核電站核島電氣設備設計和建造規則》（2005）MC卷 MC3200機械結構接地連續性試驗。

驗收準則：在任何情況下，實測電阻值應低于0.1Ω[2]。

4）功能試驗

◇試驗目的驗證控制箱的功能和技術性能分別滿足詳細設計圖紙的要求。

◇試驗方法

根據圖紙的要求，對箱內元器件通過對外端子排進行通電試驗。檢查有顯示功能的元器件能否正確顯示，有操作功能的元器件能否正確操作，端子排能否正確地輸出等。

◇試驗前檢查

在進行試驗前，檢查箱內元器件是否符合圖紙要求。導線的安裝符合圖紙或標準要求，應已完成設備完整性檢查，核實試驗電源電壓等級準確無誤。

◇通電試驗

根據圖紙要求，對元器件進行通電試驗，確認滿足圖紙要求。

3.2.2 機械振動老化試驗

通過機械振動試驗，用以確定樣機設備經受規定嚴酷正弦振動的能力[3]，充分驗證樣機設備在機械振動的作用下能否正常工作，保持其完整性和可運行性，以履行其功能。試驗參照GB/T2423.10《電工電子產品環境試驗第2部分 試驗方法試驗Fc和導則：振動（正弦）要求》進行。

試驗包括對3個規定軸（OX-OY-OZ）的每一個軸相繼進行的下述3個階段試驗。

階段1：探查關鍵頻率（共振頻率或者標識運行設備故障的頻率）。

階段2：用頻率掃描進行耐久試驗，按照規定的試驗條件改變頻率。

階段3：探查關鍵頻率（同階段1）。

注：關鍵頻率僅供參考用。如果階段1和階段3所得的關鍵頻率相差大于5%，需對樣機進行檢查以確認是否有結構變形或損壞。

3.2.3 EMC試驗

電磁的騷擾引起的嚴重誤動作、損壞等使設備危險增加[4]，通過EMC電磁兼容性試驗來確定控制箱樣機在電磁環境條件下的抗干擾能力，使設備能滿足安全可靠的使用技術要求。試驗依據標準GB/T17626-2018《電磁兼容性試驗和測量技術》進行，具體試驗參數如下：

1）靜電放電抗擾度試驗

試驗依據GB/T17626.2-2018《電磁兼容 試驗和測量技術 靜電放電抗擾度》試驗進行，參數如下：

◇接觸放電

試驗等級：2級 ±4kV 放電時間間隔≥1s

◇空氣放電

試驗等級：3級 ±8kV 放電時間間隔≥1s

2）射頻電磁場輻射抗擾度試驗

試驗依據GB/T17626.3-2016《電磁兼容 試驗和測量技術 射頻電磁場輻射抗擾度試驗》進行，參數如下：

◇試驗等級：3級

◇頻率范圍：80MHz～1000MHz

◇試驗場強：10V/m

3）電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗

試驗依據GB/T17626.4-2018《電磁兼容 試驗和測量技術 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》進行，參數如下：

◇試驗等級：3級

◇試驗電壓（電源端）：2kV±10%

◇試驗電壓（信號端）：1kV±10%

◇重復頻率：5kHz±20%

◇試驗時間：≥1 min

4）浪涌（沖擊）抗擾度試驗

試驗依據GB/T17626.5-2016《電磁兼容 試驗和測量技術 浪涌（沖擊）抗擾度試驗》進行，參數如下：

試驗等級：

AC電源：相與地3級

相與相2級

輸入或輸出端：2級

5）射頻場效應的傳導騷擾抗擾度試驗

試驗依據GB/17626.6-2017《電磁兼容試驗和測量技術射頻場感應的傳導騷擾抗擾度》進行，參數如下：

◇試驗等級：3級

◇調幅：（1 kHz）80%

◇試驗電壓：10V

6）工頻磁場抗擾度試驗

試驗依據GB/T17626.8-2006《電磁兼容試驗和測量技術工頻磁場抗擾度試驗》進行，參數如下：

◇試驗等級：3級

◇磁場強度：10A/m

◇試驗時間：1min

◇感應線圈位置：平行與正面、平行與側面、平行與底面

7）共模傳導騷擾抗擾度試驗

試驗依據GB/T17626.16-2007《電磁兼容 試驗和測量技術 OHz～150kHz共模傳導騷擾抗擾度試驗》進行，參數如下：

◇試驗等級：3級

◇試驗頻率范圍：15kHz～150kHz

◇磁場強度：10V/m

3.2.4 濕熱試驗

試驗參照IEC 60068-2-30《環境試驗 試驗循環濕熱試》進行，在相對較高空氣濕度下，以循環溫度交變組合對電氣產品的運行和存貯做出質量評價[5]。

主要試驗參數如下：

1）設備不通電。

2）試驗溫度：55℃±2℃，相對濕度不低于95%±3%。

3）試驗時間：兩個循環，48 h。

3.2.5 加速熱老化試驗

加速熱老化試驗有助于避免設計缺陷和暴露故障[6]，加速熱老化應盡可能精確地模擬由于顯著老化機理設備在整個鑒定期內的老化降質[7]。

★加速熱老化試驗

1）試驗溫度及時間

采用阿倫紐斯模型進行加速熱老化模擬，鑒定試驗對需要進行熱老化模擬元器件的合格壽命目標定為10年。

2）試驗方法和要求

加速熱老化模擬試驗具體步驟依序如下：

◇所有需進行加速熱老化的元器件在試驗前應進行性能測試，記錄測試結果并判別是否合格。

◇在最后完成加速熱老化后，元器件從熱老化箱取出，待冷卻至室溫，并按要求對結束熱老化的元器件進行最終的性能測試和失效判定，以確定各元件在合格壽命末的運行能力和技術狀態。

★運行老化試驗

運行老化試驗包括了對存在能動部件的斷路器、按鈕和各類繼電器進行的機械老化試驗，每個器件應在正常和異常環境條件下運行，并達到設備技術規格書所規定的全部性能和電氣特征參數[8]，試驗按照NB/T20074《核電廠安全級電動機控制中心質量鑒定》要求實施。

3.2.6 輻照試驗

通過進行輻照試驗，考核控制箱樣機的耐輻照性能情況。具體要求如下：

劑量率：8.4Gy/h±4.2Gy/h

總劑量率：2.1kGy±15%

3.2.7 抗震試驗

1）試驗目的

為了驗證樣機設備在發生地震期間和（或）地震后，能執行其安全功能[9]，保持其完整性和可運行性，保證設備在地震工況及地震后的使用功能，同時也不危及其它安全設備的正常運行。試驗前，樣機背部先與支架用螺栓固定，支架底座再與功能試驗臺固定；試驗過程中，樣機正常通電，使設備處于工作狀態。

2）抗震試驗的設備和儀器

試驗設備采用上海同濟大學與美國TS公司制造的模擬振動試驗臺，STEX3、96通道數據采集系統。

3）試驗反應譜

根據電站各廠房包絡譜并結合其余相關技術要求設定試驗的包絡譜，阻尼比選取5%，試驗時增加10%裕度，做相應5次SL-1及1次SL-2試驗，其中SL-1試驗譜值為SL-2試驗譜值的50%。

3.3 試驗方法及試驗結果

3.3.1 基準性能試驗

★介電強度試驗

試驗內容：輔助回路24V、48VDC；試驗電壓：交流500V。

主回路400V 試驗電壓：交流2500V電壓施加到每一個電氣上獨立的電路與所有其他相互連接并接地的電路之間。

試驗結果：試驗時間1min，試驗時不出現局部放電、擊穿或閃絡，泄流電流保持低于10mA。

★絕緣電阻測量

試驗內容：每次測量時施加電壓為直流500V，電壓施加到每一個電氣上獨立的電路與所有其他相互連接并接地的電路之間，儀表指示保持穩定至少10s之后，記錄測量值。

試驗結果：絕緣電阻不小于100MΩ。

★機械接地的電氣連續性檢查

試驗內容：使用接地電阻測試儀，在由機械地線構成的各個回路中形成不低于2 A的電流。

測量在接地連接與下列各地線間進行：

——門。

——門把手。

——框架、安裝板。

——安裝導軌。

——金屬保護外殼。

在正常不應該帶電的金屬外殼之間，不少于5點。

試驗要求：接地電阻值要求小于0.1Ω

★基準數據測量

試驗內容：對試驗設備根據電氣元件各自的電氣特性，進行功能特性試驗。

試驗結果：根據記錄數據為合格，并作為后續試驗的基準數據。

3.3.2 非地震振動試驗

試驗內容：檢查由于安裝環境（振動）對設備的影響量。

試驗結果：通過驗證振動時設備的功能特性，試驗結果合格。

3.3.3 電磁干擾試驗

試驗內容：檢查由于安裝環境（電磁干擾）對設備的影響量。

試驗結果：通過驗證電磁干擾時設備的功能特性，試驗結果合格。

3.3.4 濕熱試驗

試驗內容：根據設備技術規格書要求，試驗溫度：50℃；相對濕度：85%；48h，兩個熱循環。

試驗要求：驗證設備在高溫、高濕環境使用和貯存的適應性。

3.3.5 老化試驗

試驗內容包括加速熱老化：10年，約128天（15年，約192天）；運行老化試驗：各可動元件進行電氣和手動操作。

試驗結果：按基準性能試驗進行測試，元件均在預期壽命內合格。

3.3.6 輻照老化試驗

試驗內容：根據設備規格書要求，確定設備累積劑量。

試驗結果：通過驗證設備在輻照后的性能，試驗結果合格。

3.3.7 地震試驗

試驗內容：根據用戶提供的控制箱所安裝樓層的地震反應譜，按阻尼比0.5設計人工反應譜，分X，Y，Z三方向輸入波形，對設備進行5次OBE，1次SSE考核試驗。

試驗結果：在地震試驗前、試驗中、試驗后，對設備始終進行功能性試驗，通過驗證，試驗結果合格。

3.3.8 重復基準性能試驗

試驗內容：同序號3.3.1。

試驗內容：驗證設備在預計壽命末期還保持原有的性能。

上述試驗結論均為合格。

4 研制成果

根據上述鑒定試驗程序，按照核電產品質量保證大綱和質量計劃要求開展了防火閥控制箱樣機的鑒定試驗工作，通過試驗結果證明研制成功的防火閥控制箱能滿足設計文件、鑒定試驗程序等規定要求，滿足了臺山核電項目通風系統防火閥控制的使用要求。

防火閥控制箱設備的研制成功，還獲得了一項實用新型發明專利《一種核電站防火閥控制箱系統的電路結構》（專利號：ZL 2014 2 0617558.X），對于科研投入的知識產權保護及市場推廣方面具有重要的意義。