核電廠1E級充電器及逆變器設(shè)備鑒定方案的研究

李明成，林 建，付明星，許本福，馬培鋒

（中廣核工程有限公司，深圳 518124）

核電廠核島直流及交流不間斷電源系統(tǒng)為核反應(yīng)堆保護組、DCS設(shè)備、停堆斷路器、核儀表等重要負荷供電，對核電廠的安全穩(wěn)定運行起到至關(guān)重要的作用。充電器、逆變器作為核島直流及交流不間斷電源系統(tǒng)的主要設(shè)備，大部分被確定為安全級（1E級）。而且，用于核電廠的安全級設(shè)備必須經(jīng)過設(shè)備鑒定［1］。

當(dāng)前，國內(nèi)核電廠使用的1E級充電器、逆變器均為國外進口設(shè)備，在供貨周期、價格、售后服務(wù)等方面都存在劣勢，推進其國產(chǎn)化勢在必行。而在國產(chǎn)化過程中，設(shè)備的核級鑒定至關(guān)重要。但是，國內(nèi)有關(guān)設(shè)備鑒定的標準尚未統(tǒng)一，呈現(xiàn)法國標準、美國標準和IEC標準共存的局面，正是由于標準條款較為原則，且國內(nèi)缺乏行業(yè)經(jīng)驗，更鮮有系統(tǒng)性的數(shù)據(jù)積累，因此在設(shè)備鑒定實踐過程中，尤其是在特定問題的把握上，普遍存在較多的問題［2］。這不利于1E級充電器、逆變器設(shè)備國產(chǎn)化的開展。

本文基于IEC、IEEE、《法國核島電氣設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》（RCC-E）等標準及文獻，對1E級電氣設(shè)備的質(zhì)量鑒定方法進行研究，進而綜合國內(nèi)外設(shè)備鑒定的實踐經(jīng)驗，制定出1E級充電器、逆變器的鑒定方案，并在我公司某核電項目中實施。

1 電氣設(shè)備分級和質(zhì)量鑒定概述

1.1 電氣設(shè)備安全分級及鑒定分類

根據(jù)《法國核電廠設(shè)計規(guī)則》及其應(yīng)用說明，凡在事故中或事故后用于保護公眾或系統(tǒng)中的部分參與保護公眾的電氣設(shè)備均定義為安全級（1E級），其主要參與完成下述功能［3］：

（1）反應(yīng)堆緊急停堆；

（2）安全殼隔離；

（3）堆芯應(yīng)急冷卻；

（4）反應(yīng)堆余熱排出；

（5）安全殼廠房熱量排出；

（6）防止放射性物質(zhì)大量釋放到環(huán)境中。

1E級電氣設(shè)備必須進行質(zhì)量鑒定，以驗證其在地震或事故工況下可以執(zhí)行其預(yù)期功能。RCC-E規(guī)范規(guī)定的鑒定類別有K1、K2、K3類，其定義如下：

（1）K1類：安裝在安全殼內(nèi)，在正常環(huán)境條件、事故中、事故后環(huán)境條件及地震載荷下仍能執(zhí)行其設(shè)計功能；

（2）類：安裝在安全殼內(nèi)，在正常環(huán)境條件和地震載荷下能執(zhí)行其設(shè)計功能；

（3）K3類：安裝在安全殼外，在正常環(huán)境條件和地震載荷下能執(zhí)行其設(shè)計功能。

1.2 1E級電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定

設(shè)備故障分為隨機故障和共因故障。隨機故障是不可預(yù)判或預(yù)防的，為了應(yīng)對隨機故障，在核電廠中對安全設(shè)施進行了冗余和多樣化的配置。但若設(shè)備存在共因故障機理，即那些可能引起設(shè)備群發(fā)性故障的機理，則會使冗余和多樣化配置失效，對核安全產(chǎn)生威脅。1E級設(shè)備鑒定的核心是針對可能導(dǎo)致設(shè)備共因故障的機理，對設(shè)備的可靠性進行驗證，避免共因故障導(dǎo)致核電廠冗余的、多樣化的安全措施失效［4-6］。

共因故障機理主要來自兩方面：一方面為設(shè)備本身的設(shè)計、制造、安裝或使用中的缺陷，比如設(shè)計不當(dāng)導(dǎo)致元器件應(yīng)力過大，元器件或原材料參數(shù)不滿足要求等；另一方面來自外部事故環(huán)境（LOCA、高能管道破裂等）、地震或設(shè)備老化本身。其中，設(shè)備老化可以從兩個方面造成設(shè)備共因故障：① 設(shè)備受老化影響，其機械、電氣性能變差，抵抗地震或事故環(huán)境的能力減弱；② 在設(shè)備壽命末期，設(shè)備故障率大幅增加［2］，如圖1所示，使得同類設(shè)備在短期內(nèi)同時發(fā)生故障的幾率大大增加。

圖1 設(shè)備壽期內(nèi)故障率曲線［7］Fig.1 The failure rate history of equipment ［7］

針對設(shè)備本身設(shè)計、制造等過程的缺陷，可以依據(jù)各類設(shè)備的專門標準進行試驗、分析，予以發(fā)現(xiàn)并消除，在本文中，這部分鑒定試驗被稱為性能及應(yīng)力試驗。對于由外部事故環(huán)境、地震或老化所引起的故障機理，需要通過相關(guān)的環(huán)境試驗和老化試驗予以驗證。指出，1E級設(shè)備安裝在核電廠不同環(huán)境中，這些環(huán)境一般可以分為和緩環(huán)境和嚴酷環(huán)境［8］。文獻也對和緩環(huán)境和嚴酷環(huán)境給出了明確定義。處于嚴酷環(huán)境中的電氣設(shè)備，一般需進行LOCA試驗、抗地震試驗或者模擬蒸汽管道破裂的溫度、濕度、壓力等方面的試驗；處于和緩環(huán)境中的電氣設(shè)備，一般只需進行抗震試驗。在進行事故環(huán)境試驗前，設(shè)備應(yīng)經(jīng)過相應(yīng)的老化試驗，如輻照老化、熱老化、機械震動老化等［9］。

設(shè)備鑒定的方法主要有型式試驗法、分析法、運行經(jīng)驗法和綜合法。電氣設(shè)備的組成元件多、內(nèi)部機構(gòu)復(fù)雜、功能多樣，僅憑理論分析或經(jīng)驗分析，難以對其進行全面的質(zhì)量評估，所以對于初次應(yīng)用于核電項目的電氣設(shè)備或有重大變更的電氣設(shè)備，一般采用型式試驗法或綜合法進行質(zhì)量鑒定［10］。

2 1E級充電器及逆變器的核級鑒定

根據(jù)RCC-E規(guī)定，1E級充電器、逆變器應(yīng)劃為K3類設(shè)備，其核級鑒定試驗包括基準試驗、極限運行條件試驗、與可靠性或設(shè)備性能隨時間變化相關(guān)的試驗、抗地震試驗，另外，對于包含可編程電子元器件的，還應(yīng)進行軟件鑒定或軟件認證。而根據(jù)美國標準《核電廠1E級靜止式充電裝置和逆變裝置的質(zhì)量鑒定》（IEEE650），1E級充電器、逆變器的鑒定過程為：元器件分析及老化、設(shè)備老煉、性能試驗、應(yīng)力試驗、抗地震試驗、應(yīng)力試驗和性能試驗［11］，其中的性能試驗和應(yīng)力試驗分別相當(dāng)于RCC-E中的基準試驗和極限運行條件試驗。比較以上兩套標準，其差別主要在于RCC-E是從整機角度考慮設(shè)備的老化問題，且不考慮鑒定壽命；而IEEE650要求在設(shè)備組裝之前將具有顯著老化機理的安全相關(guān)元器件老化至其預(yù)期壽命末期，設(shè)備組裝后再進行其他試驗。另外，IEEE650要求在抗地震試驗之后進行應(yīng)力試驗和性能試驗，而RCC-E僅要求在抗震試驗之后進行性能試驗。本文傾向于采用IEEE650的做法，主要有兩方面的原因：一方面充電器、逆變器設(shè)備的元器件種類繁多，各類元器件及材料的老化機理不同，按元器件進行老化更具有針對性；另一方面，地震發(fā)生后，核電廠某些設(shè)備可能發(fā)生故障，如廠房通風(fēng)設(shè)備等，這將導(dǎo)致充電器、逆變器的運行環(huán)境變壞，而抗地震試驗后的附加應(yīng)力試驗，能更好地驗證設(shè)備對此種情況的適應(yīng)性。

本文根據(jù)國內(nèi)外廠家及實驗室的實際情況和實踐經(jīng)驗，結(jié)合IEEE650和RCC-E的相關(guān)要求，制定1E級充電器、逆變器的鑒定方案，如圖2所示。

圖2 鑒定流程圖Fig.2 The flow chart of qualification

2.1 設(shè)計輸入

在設(shè)計輸入階段主要有兩個任務(wù)，一個是確定鑒定設(shè)備范圍，另一個是確定設(shè)備鑒定條件。

確定鑒定設(shè)備范圍，即確定核電廠內(nèi)哪些設(shè)備需要鑒定以及如何選取鑒定樣機。設(shè)計院根據(jù)核電廠系統(tǒng)設(shè)計及功能要求，確定設(shè)備的安全級別和鑒定類別，并在設(shè)備技術(shù)規(guī)格書中明確。安全級充電器、逆變器設(shè)備為1E級K3類。鑒定試驗時，從經(jīng)濟性考慮，一般不會為每一個需要鑒定的設(shè)備都制造一個鑒定樣機，而是充分考慮包絡(luò)性后，為每類設(shè)備選取一個或幾個具有代表性的樣機?？紤]包絡(luò)性時，重點從設(shè)備尺寸、重量或單位荷載、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、元器件及布置等方面進行分析。

確定設(shè)備鑒定條件，主要是確定設(shè)備的安全功能要求、性能要求、安裝條件、正常和事故環(huán)境條件等。這些信息來自于技術(shù)規(guī)格書、系統(tǒng)設(shè)計手冊等文件，是確定鑒定試驗項目和參數(shù)的必要條件。對1E級充電器、逆變器的安全功能要求就是在任何情況下保證穩(wěn)定供電。性能要求主要指對充電器、逆變器輸入和輸出的要求，如輸入電壓范圍、穩(wěn)壓精度、紋波電壓、頻率調(diào)節(jié)范圍等，同時還要考慮設(shè)備耐壓特性、輔助設(shè)備特性等內(nèi)容。1E級充電器、逆變器的安裝一般采用預(yù)埋件螺栓連接，電纜連接方式為上進線。環(huán)境條件主要是指設(shè)備周圍的溫度、濕度、鹽霧、機械振動、地震、輻照、電磁環(huán)境等，鑒定試驗應(yīng)能證明設(shè)備在最嚴酷的極限環(huán)境條件下仍能執(zhí)行安全功能。

2.2 元器件評估

這一鑒定過程，主要參考IEEE650的5.1和5.2節(jié)進行。根據(jù)規(guī)定，應(yīng)對充電器、逆變器內(nèi)所有元器件進行分析，并分為非關(guān)鍵元器件和關(guān)鍵元器件。

只有那些自身電氣或結(jié)構(gòu)故障不影響任何1E設(shè)備執(zhí)行安全功能的元器件才能定義為非關(guān)鍵元器件，這需要對元器件進行故障模式和后果分析之后確定。

除非關(guān)鍵元器件外，其他均為關(guān)鍵元器件，其故障將影響安全功能，所以對關(guān)鍵元器件需進行應(yīng)力分析、老化分析和老化。應(yīng)力分析是通過計算元器件的應(yīng)力或載荷，確保不超過其允許范圍或留有足夠裕量，以免存在潛在故障誘因或元器件的加速老化，對于應(yīng)力分析不合格的元器件，需要重新設(shè)計。關(guān)鍵元器件的老化分析需確定元器件是否具有顯著老化機理，并分析那些具有顯著老化機理的元器件是否可通過定期在役的監(jiān)視或維修確定。只有對于那些具有顯著老化機理的、不能通過定期在役監(jiān)視或維修確定的關(guān)鍵元器件，才需要進行老化試驗。根據(jù)相關(guān)文獻和工程經(jīng)驗，1E級充電器、逆變器設(shè)備的元器件大多不具有顯著老化機理，而對于具有顯著老化機理的元器件，如電解電容等，亦可通過定期在役監(jiān)視和維修來消除隱患。

但是，由于各個廠家所采用的元器件和材料不同，某些型號的設(shè)備可能包含不能通過在役監(jiān)視或維修排除的、具有顯著老化機理的關(guān)鍵元器件。這時，需要把這些元器件老化至其預(yù)期壽命末期。老化主要有自然老化和人工加速老化兩個方式。多數(shù)情況下，不具備采用自然老化的條件，而都采用人工加速老化。人工加速老化，需要根據(jù)不同元器件的不同老化機理，選擇不同的老化方法，如加速熱老化、操作老化等。

2.3 設(shè)備組裝及老煉

在對需要進行老化試驗的元器件老化之后，即可組裝鑒定樣機。樣機經(jīng)內(nèi)部測試合格后，需進行200 h的老煉試驗，以避免初期失效影響鑒定結(jié)果。試驗在室溫下進行，包括100 h的滿載試驗和100h的空載試驗。

2.4 性能試驗及應(yīng)力試驗

性能試驗可在工廠中進行，一般廠家均具備進行完整性能測試的試驗條件。而應(yīng)力試驗須在具有相應(yīng)能力和資格的第三方試驗室中進行。

2.4.1 性能試驗

這部分的試驗依據(jù)是GB/T 3859《半導(dǎo)體變流器》，其中，GB/T 3859.1適用于電網(wǎng)換向變流器，GB/T 3859.4適用于自換向變流器。目前，核島直流及交流不間斷電源系統(tǒng)中的充電器都采用相控方式，應(yīng)采用GB/T 3859.1，逆變器普遍采用IGBT，應(yīng)采用GB/T 3859.4。根據(jù)核島直流系統(tǒng)設(shè)備特點，依據(jù)標準，確定充電器、逆變器的具體試驗項目見表1。

2.4.2 應(yīng)力試驗

這里的環(huán)境試驗僅為驗證充電器、逆變器在正常存儲和運行環(huán)境范圍內(nèi)的工作性能。在IEEE650、GB/T 3859.1、GB/T 7260.3等標準中都有關(guān)于環(huán)境試驗的描述，綜合考慮，本文對充電器、逆變器的環(huán)境試驗，按以下步驟進行。

表1 充電器、逆變器性能試驗Table 1 Function test of charger and inverter

① 關(guān)機狀態(tài)下的濕熱循環(huán)試驗

設(shè)備停運期間，如果廠房內(nèi)溫度和濕度變化導(dǎo)致設(shè)備表面產(chǎn)生凝露，可能會對設(shè)備性能產(chǎn)生一定影響，所以此試驗考察了設(shè)備首次啟動或停運后再啟動的性能。另外，潮濕可以加快金屬材料腐蝕以及有機材料機械和電氣性能的衰退，即所謂潮濕老化。通過此試驗也可以模擬潮濕老化效應(yīng)。

試驗方法參照GB/T 2423.4 進行，采用圖2a）方法1的曲線，溫度和濕度參數(shù)，選取設(shè)備安裝、存貯環(huán)境的最嚴苛限值。

在環(huán)境實驗室一般無法按型式試驗項目對充電器、逆變器進行完全檢測，但必須進行絕緣試驗、溫升試驗、負載試驗和功能試驗。

② 額定運行條件下的干熱試驗

充電器、逆變器運行時有很大的功率損耗，散熱量較大，正常情況下，設(shè)備內(nèi)部及表面溫度高于環(huán)境溫度，濕度對其影響可以忽略，而正常運行期間的環(huán)境最低溫度較高，也不會對設(shè)備運行造成影響。所以，在設(shè)備運行條件下，主要考慮的環(huán)境應(yīng)力是高溫。當(dāng)環(huán)境溫度處于上限時，設(shè)備散熱條件變差，溫升較高，設(shè)備運行溫度可能超過允許值。干熱試驗可以模擬設(shè)備在這種運行條件下的性能。

試驗方法參照GB/T 2423.2，推薦試驗時間為16 h，試驗溫度為40 ℃。

2.5 EMC試驗

充電器、逆變器設(shè)備內(nèi)含有大量微電子電路、功率電子線路和變壓器等元器件，電磁環(huán)境復(fù)雜，對其進行電磁兼容（EMC）性能的考核是十分必要的。一方面要確認充電器、逆變器設(shè)備不會受周圍電磁騷擾的影響，即進行抗擾度測試；另一方面要確認充電器、逆變器不會干擾周圍其他設(shè)備，即進行發(fā)射測試。

EMC試驗參考GB/T 7260.2《不間斷電源設(shè)備：第2部分 電磁兼容性要求》。根據(jù)此標準，核電廠環(huán)境屬于第2類環(huán)境，應(yīng)選用C3（I大于16A）類充電器、逆變器。根據(jù)核島直流系統(tǒng)充電器、逆變器的特點，本文對標準中的試驗項目進行了篩選。在表2中，按發(fā)射和抗擾度兩部分，分別列出了各項試驗及其執(zhí)行標準。

發(fā)射試驗中要測量由充電器、逆變器產(chǎn)生且通過傳導(dǎo)和輻射方式傳播的電磁輻射電平。充電器、逆變器設(shè)備對外產(chǎn)生的電磁發(fā)射強度隨其負載的增加而增加。所以進行發(fā)射試驗時，受試設(shè)備需運行在額定負載狀態(tài)下，并且所有對發(fā)射有影響的元器件也都應(yīng)處于工作狀態(tài)。

抗擾度試驗中要測試充電器、逆變器對外部電磁騷擾的抗擾能力。外部騷擾對充電器、逆變器的干擾，體現(xiàn)在對控制、保護、輔助等系統(tǒng)功能的影響，其效果不因受試設(shè)備的負載不同而變化，所以，進行抗擾度試驗時，受試設(shè)備可輕載運行。

表2 電磁兼容性試驗項目Table 2 Test items of EMC

2.6 抗地震試驗

1E級充電器、逆變器設(shè)備安裝在電氣廠房，處于和緩環(huán)境，唯一考慮的設(shè)計基準事件是地震。充電器、逆變器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能性元器件多，無法通過分析計算驗證其抗震性能，必須進行抗震型式試驗?？拐鹪囼炓罁?jù)的標準是GB/T 13625《核電廠安全系統(tǒng)電氣設(shè)備抗震鑒定》。

進行抗震試驗的設(shè)備必須是經(jīng)過老化的，根據(jù)本文的鑒定流程，設(shè)備組裝前已對需老化的元器件進行過老化，無需再對整機進行相關(guān)試驗。受試設(shè)備在地震臺上安裝后，需進行相關(guān)檢測，在地震實驗室一般無法按型式試驗項目對充電器、逆變器進行完全檢測，至少進行絕緣試驗、溫升試驗、負載試驗和功能試驗，并且在整個抗地震試驗中必需監(jiān)測充電器、逆變器的輸出電壓、電流及重要信號。在進行設(shè)備抗震性能試驗前，需對設(shè)備進行動特性探查試驗，以獲取設(shè)備自振頻率、阻尼比等數(shù)據(jù)。抗震性能試驗需進行5次運行基準地震（OBE）和1次安全停堆地震（SSE）試驗，震后除對設(shè)備結(jié)構(gòu)方面的檢查，需立即重復(fù)抗震試驗前的檢測內(nèi)容［12，13］。設(shè)備運回工廠后，需要進行一次完整的性能試驗和應(yīng)力試驗。

抗地震性能試驗應(yīng)采用多頻波法，振動臺的輸入為人工模擬加速度時程，該時程由要求反應(yīng)譜（RRS）反演計算得到。RRS可以是特定安裝位置的樓層響應(yīng)譜，也可是多個樓層響應(yīng)譜的包絡(luò)譜。在地震試驗中測量地震臺的實際時程，通過計算得到試驗反應(yīng)譜（TRS）。理想情況下，TRS應(yīng)完全包絡(luò)RRS，但是受現(xiàn)時技術(shù)所限，地震臺在低頻段可能無法獲得較高的加速度，所以致使RRS的低頻段無法被TRS包絡(luò)。在GB/T 13 625中規(guī)定，如果設(shè)備在5 Hz以下沒有共振現(xiàn)象，則要求反應(yīng)譜在3.5 Hz頻率值以上被包絡(luò)即可。充電器、逆變器設(shè)備的共振頻率遠高于5 Hz，適用于此條款。圖3 ～ 5為某核電項目充電器、逆變器OBE試驗的反應(yīng)譜分析結(jié)果。圖中，虛線為RRS，實線為TRS，在0.2 Hz的頻率以上，RRS完全被包絡(luò)，此TRS可以接受。

圖3 抗地震試驗反應(yīng)譜—X方向（OBE）Fig.3 The envelop of TRS to RRS along X direction in OBE test

圖4 抗地震試驗反應(yīng)譜—Y方向（OBE）Fig.4 The envelop of TRS to RRS along Y direction in OBE test

圖5 抗地震試驗反應(yīng)譜—Z方向（OBE）Fig.5 The envelop of TRS to RRS along Z direction in OBE test

2.7 軟件鑒定

現(xiàn)代充電器、逆變器設(shè)備中，普遍存在可編程控制器件，屬于可編程系統(tǒng)。系統(tǒng)中的軟件，可能參與核安全相關(guān)的控制功能，也可能只具有監(jiān)視、通信等與核安全無關(guān)的功能。由于在不同的應(yīng)用場合，充電器、逆變器在整機配置上可能有差異，為避免不同的配置對軟件鑒定的影響，軟件鑒定應(yīng)針對充電器、逆變器設(shè)備內(nèi)包含軟件的最小系統(tǒng)進行，而不必以設(shè)備整機作為鑒定對象［14，15］。

根據(jù)RCC-E要求，對于安全分類為A、B、C類的可編程系統(tǒng)，應(yīng)依據(jù)相應(yīng)標準進行鑒定，而對于非安全相關(guān)的可編程系統(tǒng)無特殊要求。安全分級是后續(xù)工作的基礎(chǔ)，為確保分級正確，應(yīng)由第三方確認可編程系統(tǒng)的安全分級。

3 結(jié)論

本文簡要闡述了1E級電氣設(shè)備的質(zhì)量鑒定方法，進而結(jié)合相關(guān)標準及大量設(shè)備鑒定的實踐經(jīng)驗，制定了1E級充電器、逆變器的鑒定方案，可供1E級充電器、逆變器設(shè)備國產(chǎn)化的質(zhì)量鑒定參考。

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