商品級(jí)斷路器核級(jí)轉(zhuǎn)化方法研究

韓雪華 陳 晨 胡振華

（中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司）

0 引言

對(duì)于《民用核安全設(shè)備目錄》監(jiān)管范圍內(nèi)的核安全相關(guān)設(shè)備，制造廠(chǎng)會(huì)按照國(guó)家法規(guī)建立核質(zhì)保體系，按此體系進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造和鑒定，并向國(guó)家核安全局申請(qǐng)核級(jí)設(shè)備設(shè)計(jì)和制造許可證。但對(duì)于成套設(shè)備內(nèi)部的元器件，由于未納入監(jiān)管范圍之內(nèi)，鮮有制造廠(chǎng)會(huì)投入高昂的成本為零部件建立核質(zhì)保體系并對(duì)零部件單獨(dú)進(jìn)行核級(jí)鑒定和一致性維持。于是，當(dāng)核級(jí)設(shè)備中與核安全相關(guān)的零部件停產(chǎn)后，通常很難找到現(xiàn)成的核級(jí)替代產(chǎn)品。美國(guó)通過(guò)建立完善的商品級(jí)物項(xiàng)核級(jí)應(yīng)用的適用性驗(yàn)證體系，解決了大量核級(jí)備件淘汰問(wèn)題。本文將以某核電廠(chǎng)安全級(jí)斷路器的商品化探索為例，從我國(guó)的實(shí)際情況，總結(jié)商品級(jí)低壓斷路器核級(jí)應(yīng)用的適用性驗(yàn)證過(guò)程和方法，為后續(xù)其他核級(jí)備件的供應(yīng)保障提供借鑒。

1 商品級(jí)斷路器核級(jí)應(yīng)用的適用性驗(yàn)證過(guò)程綜述

商品級(jí)物項(xiàng)，即不是按核質(zhì)量保證大綱為核設(shè)施專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)和制造，而是按制造廠(chǎng)產(chǎn)品樣本中規(guī)定的技術(shù)條件從制造廠(chǎng)或供貨商處采購(gòu)的物項(xiàng)。商品級(jí)物項(xiàng)核級(jí)應(yīng)用的適用性確認(rèn)，是針對(duì)未按核質(zhì)保大綱設(shè)計(jì)、制造和鑒定的商品級(jí)物項(xiàng)，通過(guò)科學(xué)的技術(shù)手段，驗(yàn)證其滿(mǎn)足核級(jí)性能要求，并確保所需性能在后續(xù)采購(gòu)中持續(xù)一致，實(shí)現(xiàn)與安全級(jí)設(shè)備等效化的過(guò)程，簡(jiǎn)稱(chēng)“商品化”。

本文所述商品級(jí)斷路器核級(jí)應(yīng)用的適用性確認(rèn)過(guò)程，從商運(yùn)核電站解決淘汰品的角度分為確定商品級(jí)物項(xiàng)、制定適用性驗(yàn)證方案、實(shí)施鑒定試驗(yàn)和備件采購(gòu)階段的一致性維持等幾個(gè)階段，其中驗(yàn)證方法采用試驗(yàn)法，主要考慮到這種方法證據(jù)直觀(guān)，易被接受。

2 確定商品級(jí)對(duì)象

作為商品級(jí)斷路器核級(jí)應(yīng)用的適用性研究過(guò)程中的一環(huán)，確定商品級(jí)對(duì)象的工作過(guò)程包括備件選型并編制采購(gòu)技術(shù)規(guī)范、采購(gòu)并接收物項(xiàng)、實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收活動(dòng)、標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收結(jié)果形成文件。這個(gè)階段的目標(biāo)如下：

1）確保替代物項(xiàng)在性能和安裝上與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)要求匹配。同一種原始斷路器，選擇A／B／C三個(gè)知名名牌的微型斷路器和塑殼斷路器，使研究對(duì)象達(dá)到一定基數(shù)，同時(shí)提高篩選出合格產(chǎn)品的成功率；

2）形成恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)和質(zhì)量需求文件，為采購(gòu)和驗(yàn)收提供依據(jù)；

3）實(shí)施必要的驗(yàn)收活動(dòng)，確保產(chǎn)品符合廠(chǎng)家宣稱(chēng)的常規(guī)工業(yè)所需的商品級(jí)性能，為下一步核級(jí)應(yīng)用適用性評(píng)價(jià)提供合格的評(píng)價(jià)對(duì)象；

4）將標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收結(jié)果整理成文件，標(biāo)識(shí)所采購(gòu)斷路器的屬性（如型號(hào)、生產(chǎn)批次號(hào)、產(chǎn)地工作、原始銷(xiāo)售訂單號(hào)和圖紙編號(hào)等），為后期備件采購(gòu)階段的一致性維持提供原型基礎(chǔ)部件的可追溯性。

3 商品級(jí)斷路器核級(jí)應(yīng)用的適用性驗(yàn)證

3.1 適用性驗(yàn)證方案制定

制定過(guò)程分為如下幾個(gè)步驟來(lái)完成：確定斷路器關(guān)鍵特性、驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)、驗(yàn)證方法。最后形成商品化檢證試驗(yàn)大綱（類(lèi)似于通常所說(shuō)的設(shè)備鑒定大綱）。

3.1.1 識(shí)別斷路器需要驗(yàn)證的關(guān)鍵特性

確定關(guān)鍵特性的首要目的是確定斷路器為執(zhí)行預(yù)定安全功能提供合理保證所必需的特性，即關(guān)鍵特性必須直接與斷路器執(zhí)行其安全功能的能力相關(guān)。一旦某特性確定為關(guān)鍵特性，該特性必須進(jìn)行驗(yàn)證。

斷路器的物理特性（尺寸、安裝方式等）已經(jīng)在“確定商品級(jí)對(duì)象”階段的標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收活動(dòng)中進(jìn)行了確認(rèn)，這里重在識(shí)別斷路器的功能及功能相關(guān)的性能，采取的步驟如下：

1）確定斷路器的安全功能：事故工況下，為下游核安全相關(guān)負(fù)載提供工作電源；在下游負(fù)載回路發(fā)生嚴(yán)重過(guò)載和短路的情況下切斷負(fù)載回路，避免故障范圍擴(kuò)大。

2）識(shí)別斷路器有能力執(zhí)行其安全功能必須擁有的特性：低壓斷路器（不帶遠(yuǎn)程控制）需保持執(zhí)行正常功能所需的完整性和絕緣性能；保持穩(wěn)定的脫扣特性以及時(shí)應(yīng)對(duì)下游負(fù)載故障。而這些性能要在斷路器經(jīng)歷現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行后、以及地震發(fā)生后仍然得以保持。

3.1.2 驗(yàn)證試驗(yàn)大綱編制過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題研究

關(guān)于老化試驗(yàn)的必要性。根據(jù)IEEE323標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定，斷路器的熱老化壽命鑒定是不必要的，也無(wú)需進(jìn)行抗震試驗(yàn)前的熱老化，但是為了避免由于設(shè)備老化造成的共因故障，還是對(duì)其進(jìn)行了老化評(píng)價(jià)，提供了不同材料和元件的老化數(shù)據(jù)，給出了基于阿倫紐斯原理得出的鑒定壽命，結(jié)果顯示塑殼斷路器和微型斷路器的熱老化壽命超過(guò)了40年，也就是他們所采用的有機(jī)材料并未體現(xiàn)出重大的熱老化機(jī)制。

對(duì)斷路器的機(jī)械操作、電氣操作老化被列入了本研究項(xiàng)目的試驗(yàn)大綱中，對(duì)于機(jī)械壽命和電氣壽命試驗(yàn)，按照GB14048.2標(biāo)準(zhǔn)要求應(yīng)進(jìn)行10000次閉合開(kāi)斷操作循環(huán)試驗(yàn)（EDF要求進(jìn)行10000＋3000次），經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后斷路器觸頭存在一定程度老化，在進(jìn)行極限短路分?jǐn)嘣囼?yàn)時(shí)，增大了試驗(yàn)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。參考現(xiàn)有電站低壓配電盤(pán)鑒定過(guò)程中對(duì)斷路器分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)的經(jīng)驗(yàn)，建議降低試驗(yàn)操作循環(huán)次數(shù)。由于斷路器為可更換部件，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作頻率，對(duì)斷路器進(jìn)行預(yù)期次數(shù)的操作試驗(yàn)，并在相關(guān)文件中規(guī)定相當(dāng)于試驗(yàn)操作次數(shù)的使用壽期。

由于設(shè)備所處位置不存在輻照影響，因此不考慮輻照老化。

3.1.3 驗(yàn)證試驗(yàn)大綱編制

試驗(yàn)內(nèi)容參考了多項(xiàng)核電站1E級(jí)低壓配電盤(pán)鑒定實(shí)例，以及低壓配電盤(pán)鑒定中對(duì)斷路器的要求，最終目的是驗(yàn)證試驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容和驗(yàn)收準(zhǔn)則能覆蓋斷路器執(zhí)行安全功能所需的全部關(guān)鍵特性。驗(yàn)證試驗(yàn)方法遵循IEC／GB標(biāo)準(zhǔn)。大綱的試驗(yàn)內(nèi)容如下：標(biāo)識(shí)檢查、介電試驗(yàn)、絕緣電阻的驗(yàn)證、過(guò)載條件下的性能試驗(yàn)（脫扣極限和特性試驗(yàn)）、操作試驗(yàn)、短路分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)、地震試驗(yàn)、地震后的性能試驗(yàn)等。

3.2 適用性驗(yàn)證方案的執(zhí)行與循環(huán)改進(jìn)

考慮到本研究項(xiàng)目屬于首次商品級(jí)物項(xiàng)的核級(jí)應(yīng)用鑒定，為確保項(xiàng)目的成功，分兩步：首先進(jìn)行一次摸底鑒定，目的是初步驗(yàn)證方案的可行性，并根據(jù)鑒定情況進(jìn)行優(yōu)化。最后再進(jìn)行正式的鑒定，并組織行業(yè)內(nèi)專(zhuān)家評(píng)審試驗(yàn)大綱和鑒定結(jié)果。

3.2.1 摸底鑒定

試驗(yàn)大綱編制完成后，委托國(guó)家級(jí)第三方專(zhuān)業(yè)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)摸底試驗(yàn)結(jié)果，相同型號(hào)斷路器，無(wú)一組通過(guò)所有試驗(yàn)。熱脫扣試驗(yàn)失敗率最高（87.5%），磁脫扣試驗(yàn)次之（62.5%）。鑒定結(jié)果問(wèn)題分析與改進(jìn)如下。

問(wèn)題一：在短路和地震試驗(yàn)前存在一定比例的熱脫扣和磁脫扣不合格。

分析：

1）雙金屬片是不容易校準(zhǔn)的器件，目前各廠(chǎng)家均表示其常規(guī)產(chǎn)品只抽樣（比例?。┻M(jìn)行試驗(yàn)，次品率相對(duì)較高；

2）常規(guī)產(chǎn)品，磁脫扣也是抽樣進(jìn)行，存在一定的次品率；

3）部分廠(chǎng)家產(chǎn)品只能從其代理采購(gòu)，質(zhì)量控制存在困難。

后續(xù)措施：加強(qiáng)采購(gòu)質(zhì)量保證。

1）編制采購(gòu)技術(shù)規(guī)范，明確采購(gòu)要求；

2）樣品只限于國(guó)內(nèi)有生產(chǎn)工廠(chǎng)的知名品牌，以便進(jìn)行質(zhì)量控制；

3）要求廠(chǎng)家提供新生產(chǎn)斷路器，且為同一批次；

4）要求廠(chǎng)家對(duì)所有斷路器進(jìn)行出廠(chǎng)測(cè)試。

問(wèn)題二：額定／極限短路電流Ics／Icu試驗(yàn)對(duì)斷路器損傷最大。

分析：短路分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)不再按斷路器本身最大短路分?jǐn)嚯娏髟囼?yàn)，而是按系統(tǒng)最大短路電流進(jìn)行試驗(yàn)，其中380V系統(tǒng)母排短路電流為25kA，125V／48V直流系統(tǒng)為10kA。這樣既能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用要求，又考察了斷路器分?jǐn)嗄芰ΑＭ瑫r(shí)選擇高分?jǐn)嗄芰嗦菲?，使斷路器相?duì)系統(tǒng)短路電流具有足夠的安全裕度，使斷路器通過(guò)試驗(yàn)的概率提高。

問(wèn)題三：試驗(yàn)顯示抗震試驗(yàn)對(duì)斷路器影響很小。項(xiàng)目組質(zhì)疑抗震試驗(yàn)位于短路試驗(yàn)之后進(jìn)行是否降低了嚴(yán)酷程度。

分析：根據(jù)IEEE638—1992標(biāo)準(zhǔn)，明確指出抗震試驗(yàn)和短路試驗(yàn)沒(méi)有相關(guān)性，即既可先做短路試驗(yàn)又可先做抗震試驗(yàn)?？紤]到地震事故后隨之發(fā)生短路的概率較高，且通常在未發(fā)生地震的情況下發(fā)生嚴(yán)重短路故障后斷路器可進(jìn)行更換，理論上極限短路后斷路器經(jīng)受地震的概率較低，故后續(xù)將地震試驗(yàn)安排在短路分?jǐn)嗄芰υ囼?yàn)前進(jìn)行。

問(wèn)題四：斷路器在Icu分?jǐn)嘣囼?yàn)后脫扣特性失去準(zhǔn)確性。

分析：理論上認(rèn)為斷路器經(jīng)過(guò)Icu短路后將不能再次分?jǐn)鄻O限短路電流，因此極限短路后斷路器功能不再完備，應(yīng)進(jìn)行更換。根據(jù)GB14048.2標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該試驗(yàn)后斷路器進(jìn)行過(guò)載脫扣驗(yàn)證試驗(yàn)，因此不再進(jìn)行脫扣極限性能試驗(yàn)。

3.2.2 完善驗(yàn)證方案重新驗(yàn)證

按照摸底鑒定試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)反饋與分析，修改完善試驗(yàn)大綱，并組織核電行業(yè)內(nèi)專(zhuān)家（包括NNSA）對(duì)試驗(yàn)大綱進(jìn)行評(píng)審。試驗(yàn)順序如圖所示。

圖 調(diào)整后的驗(yàn)證試驗(yàn)順序

正式鑒定結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，A品牌塑殼斷路器規(guī)格鑒定通過(guò)率75%，A品牌微型斷路器規(guī)格鑒定通過(guò)率100%；B品牌塑殼斷路器規(guī)格鑒定通過(guò)率100%；C品牌微型斷路器規(guī)格鑒定通過(guò)率25%。鑒定成果獲得了“商品級(jí)低壓斷路器應(yīng)用于壓水堆核電站的1E級(jí)鑒定”專(zhuān)家評(píng)審會(huì)認(rèn)可。

4 正式備件采購(gòu)階段的一致性維持

主要包括如下工作：

1）按照“確定商品級(jí)對(duì)象”階段形成的標(biāo)識(shí)文件進(jìn)行采購(gòu)，確保新采購(gòu)的備件與適用性確認(rèn)階段所采購(gòu)樣品的設(shè)計(jì)、材料和工藝完全一致，必要時(shí)赴廠(chǎng)家進(jìn)行品控調(diào)查；如果發(fā)生變更，須重新進(jìn)行核級(jí)應(yīng)用的適用性驗(yàn)證。

2）制造階段加強(qiáng)檢測(cè)：每臺(tái)斷路器都應(yīng)100%進(jìn)行過(guò)載脫扣和磁脫扣試驗(yàn)。

3）一致性確認(rèn)（證明）：由廠(chǎng)家單獨(dú)驗(yàn)證并出具證明文件，保證到貨一致性。

4）到貨驗(yàn)收：執(zhí)行常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)收活動(dòng)。特別需說(shuō)明的是，如果廠(chǎng)家不能提供100%進(jìn)行過(guò)載脫扣和磁脫扣試驗(yàn)，運(yùn)營(yíng)電廠(chǎng)應(yīng)委托第三方試驗(yàn)機(jī)構(gòu)完成。

5 結(jié)術(shù)語(yǔ)

此次商品級(jí)斷路器核級(jí)應(yīng)用的適用性研究項(xiàng)目中的兩個(gè)規(guī)格的斷路器，已經(jīng)在某核電廠(chǎng)核級(jí)配電盤(pán)上順利更換使用，各項(xiàng)性能測(cè)試符合預(yù)期結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營(yíng)電廠(chǎng)通過(guò)商品化解決核級(jí)備件的供應(yīng)問(wèn)題。