秦二廠棒控系統(tǒng)熔斷器篩選測試與壽命評估

黃 遠(yuǎn)，李 捷，盧 建，朱鵬飛

(中核核電運(yùn)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(jī)組是我國自主設(shè)計(jì)、自主建造、自主管理和自主運(yùn)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(yè)運(yùn)行,至今已連續(xù)運(yùn)行近二十年。棒控棒位系統(tǒng)是核反應(yīng)堆中一個(gè)十分重要的系統(tǒng)，其任務(wù)是在確保反應(yīng)堆安全的前提下通過控制棒的移動，控制堆芯反應(yīng)性，以滿足反應(yīng)堆長期運(yùn)行的需要：通過最佳的提棒程序，使反應(yīng)堆在運(yùn)行過程中保持平坦的功率分布；補(bǔ)償由于溫度系數(shù)、疝毒效應(yīng)等引起的反應(yīng)性變化；負(fù)荷變化時(shí),調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率跟隨負(fù)荷變化；事故時(shí),實(shí)現(xiàn)迅速停堆并保證適當(dāng)?shù)耐６言６取?/p>

秦二廠1/2號機(jī)棒控棒位系統(tǒng)設(shè)備主要包括1個(gè)控制邏輯柜、9個(gè)電源柜、2個(gè)測量柜、1個(gè)處理柜。每個(gè)電源柜包含4組電源機(jī)箱，每組電源機(jī)箱，包括保持、傳遞和提升機(jī)箱各一個(gè)，控制一組控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)(CRDM)線圈，每組CRDM線圈根據(jù)不同通電指令實(shí)現(xiàn)控制棒的提升、下插或停止。每組電源機(jī)箱含有12個(gè)熔斷器，在260 V三相動力電源回路保護(hù)電源、機(jī)箱以及CRDM線圈。

近年來，隨著運(yùn)行年限的增加，棒控系統(tǒng)設(shè)備老化現(xiàn)象逐漸凸顯，故障率逐漸升高，系統(tǒng)穩(wěn)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(shè)備之一，一旦非預(yù)期老化熔斷，將造成控制棒滑棒、落棒乃至反應(yīng)堆停堆等嚴(yán)重后果，但核電廠維修與技術(shù)人員僅憑現(xiàn)場情況和使用經(jīng)驗(yàn)無法準(zhǔn)確判斷熔斷器的實(shí)際老化情況，導(dǎo)致預(yù)防性維修行動的制定依據(jù)不足，本著專業(yè)化、精細(xì)化以及科學(xué)決策的原則，科學(xué)地針對熔斷器進(jìn)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(zhì)量保證，無法確認(rèn)熔斷器在制造、存儲，以及運(yùn)輸過程中帶來的質(zhì)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(tài)及剩余壽命。本文以秦二廠棒控棒位系統(tǒng)部分熔斷器為試驗(yàn)對象，針對新熔斷器進(jìn)行篩選測試，確保將服役于現(xiàn)場的熔斷器質(zhì)量可靠；針對更換下來的熔斷器進(jìn)行老化評估，為核電廠后續(xù)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(huán)境狀態(tài)以及運(yùn)行模式，針對長期空載的熔斷器，老化應(yīng)力主要為環(huán)境參數(shù)，如環(huán)境溫度、濕度等；針對頻繁動作的熔斷器，主要老化應(yīng)力為電流沖擊；針對長期穩(wěn)定載流的熔斷器，主要老化應(yīng)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(gè)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(tài)，Ⅱ號電源柜處于頻繁動作或長期載流狀態(tài)。兩個(gè)機(jī)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(xiàn)場的熔斷器質(zhì)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(jìn)行，當(dāng)抽樣結(jié)果合格率不滿足要求時(shí)，應(yīng)要求重新采購熔斷器或更換選型。篩選測試內(nèi)容如表2所示。

表2 熔斷器篩選測試內(nèi)容

2.1 外觀檢查

外觀結(jié)構(gòu)檢查能夠直觀得反映熔斷器制造和加工質(zhì)量，合格的熔斷器應(yīng)無變色、霧化、變形情況。連接端子準(zhǔn)直、牢固，密封性能良好。

2.2 冷態(tài)電阻和電壓降

冷態(tài)電阻與電壓降能夠有效地反饋熔斷器熔體的加工質(zhì)量，合格的一批熔斷器冷態(tài)電阻和電壓降在規(guī)定的范圍內(nèi)，且測量數(shù)值集中分布。

冷態(tài)電阻在25 ℃實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)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(nèi)，結(jié)果合格。

2.3 時(shí)間—電流特性

時(shí)間—電流特性反應(yīng)熔斷器的保護(hù)特性，熔斷器在規(guī)定電流下應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間熔斷，以保障對回路的安全。

時(shí)間—電流特性在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，從額定電流開始，依次給出IN、2IN、3IN，記錄熔斷器的熔斷時(shí)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(jié)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(tài)，建立溫升特性基準(zhǔn)曲線，日常運(yùn)維巡檢值與基準(zhǔn)曲線進(jìn)行對比，以發(fā)現(xiàn)熔斷器的降質(zhì)情況。熔斷器溫升測試從0.1 IN下開始，待溫度穩(wěn)定后將電流增加0.1 IN直到熔斷器動作，在每個(gè)階段測試熔斷器的溫升。

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

2.5 耐久試驗(yàn)

耐久試驗(yàn)用于驗(yàn)證熔斷器在頻繁動作環(huán)境下的耐電流沖擊能力。耐久性試驗(yàn)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(huán)重復(fù)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(jīng)過驗(yàn)證，4種熔斷器均滿足驗(yàn)收要求。

2.6 約定不熔斷電流

約定不熔斷電流用于驗(yàn)證熔斷器在約定不熔斷器電流環(huán)境下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)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(yàn)收要求。

2.7 約定熔斷電流測試

約定熔斷電流用于驗(yàn)證熔斷器在約定熔斷電流環(huán)境下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)熔斷。

給熔斷器供給指定約定熔斷電流，熔斷器熔斷，滿足驗(yàn)收要求。

2.8 X光透視檢測

采用X射線儀觀測熔斷器的內(nèi)部缺陷，尤其是熔體及連接、以及報(bào)警導(dǎo)線的缺陷。

X射線檢測結(jié)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(zhì)，已單獨(dú)取出進(jìn)行篩選測試，熔斷器本身電氣性能良好，熔斷器熔體及報(bào)警導(dǎo)線連接良好，無斷損情況。

2.9 微區(qū)成分分析

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

微區(qū)成分組成采用XRF射線檢測儀或掃描電鏡識別，測試結(jié)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(shí)間后，其性能可能發(fā)生降質(zhì)，因此需要在現(xiàn)場篩選熔斷器進(jìn)行老化狀態(tài)檢測與壽命評估，并以此為依據(jù)科學(xué)地制定相應(yīng)的預(yù)防性維護(hù)措施，保障系統(tǒng)可靠性。

3.1 熔斷器分類

根據(jù)待評估熔斷器運(yùn)行工況的不同，對待評估熔斷器進(jìn)行分類評估，將頻繁動作與非頻繁動作的機(jī)柜區(qū)分，將長帶電和非長帶電的熔斷器區(qū)分。

3.2 老化評估

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

3.3 剩余壽命評估

3.3.1 壽命模型

(1)

(1)加速因子計(jì)算方法

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，給熔斷器組加正常工作電流，待溫度達(dá)到穩(wěn)定后，測量熔絲溫度TU并記錄；加大電流應(yīng)力(小于最小約定熔斷電流)，此電流為試驗(yàn)電流，并記錄試驗(yàn)開始時(shí)間，待溫度達(dá)到穩(wěn)定后，記錄該電流下的溫度TS。計(jì)算正常工作電流條件下以及試驗(yàn)電流條件下的電流密度JU、JS，確定電流密度指數(shù)n。將得到的數(shù)據(jù)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(shù)，數(shù)值為8.62×10-5；

JU、JS——電流密度，數(shù)值為加速電流除以通流截面，單位A/cm2；

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

(2)可靠壽命計(jì)算方法

在加速電流下記錄各熔斷器的熔斷時(shí)間tk，并按照熔斷時(shí)間前后依次進(jìn)行排列?？煽繅勖植疾捎秒p參數(shù)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(shù)；

t——熔斷器熔斷時(shí)間；

e——自然對數(shù)，數(shù)值為2.718 2。

將上式經(jīng)過取對數(shù)變換后如下所示：

ln(-lnR(t))=βlnt-βlnα

(4)

式(4)可靠度R(t)數(shù)值通過以下平均秩法獲?。?/p>

(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(shí)間。

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

得到可靠性分布模型后，可靠性壽命計(jì)算公式如下所示：

(6)

3.3.2 加速老化試驗(yàn)

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

3.3.3 電流密度指數(shù)計(jì)算

通過顯微鏡測量熔斷器熔體的最窄截面，并計(jì)算出電流密度。

3.3.4 加速老化因子計(jì)算

將溫升及電流密度指數(shù)帶入式(3)，得到試驗(yàn)電流下的綜合加速因子。

3.3.5 可靠時(shí)間計(jì)算

經(jīng)過加速老化試驗(yàn)獲得各熔斷器的熔斷情況，根據(jù)式(5)、式(6)計(jì)算可靠性時(shí)間。

3.3.6 剩余壽命計(jì)算

根據(jù)式(1)，將獲取的加速因子乘以可靠性時(shí)間，結(jié)合熔斷器的運(yùn)行工況，獲得金屬電遷移老化應(yīng)力下的剩余預(yù)估壽命。結(jié)果表明，保持機(jī)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(jié)

通過熔斷器篩選測試與壽命評估，得出以下結(jié)論：

1)經(jīng)過篩選測試，新批次4種熔斷器各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足驗(yàn)收要求，熔斷器質(zhì)量可靠。該批次熔斷器可入庫保存或直接使用于現(xiàn)場；

2)長期帶電且載流比較大的NT100 10 A保持機(jī)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(xiàn)場機(jī)柜進(jìn)行預(yù)防性更換；其余熔斷器剩余壽命較長，在10年內(nèi)無需進(jìn)行預(yù)防性更換。