核电厂1E级充电器及逆变器设备鉴定方案的研究

李明成，林 建，付明星，许本福，马培锋

（中广核工程有限公司，深圳 518124）

核电厂核岛直流及交流不间断电源系统为核反应堆保护组、DCS设备、停堆断路器、核仪表等重要负荷供电，对核电厂的安全稳定运行起到至关重要的作用。充电器、逆变器作为核岛直流及交流不间断电源系统的主要设备，大部分被确定为安全级（1E级）。而且，用于核电厂的安全级设备必须经过设备鉴定［1］。

当前，国内核电厂使用的1E级充电器、逆变器均为国外进口设备，在供货周期、价格、售后服务等方面都存在劣势，推进其国产化势在必行。而在国产化过程中，设备的核级鉴定至关重要。但是，国内有关设备鉴定的标准尚未统一，呈现法国标准、美国标准和IEC标准共存的局面，正是由于标准条款较为原则，且国内缺乏行业经验，更鲜有系统性的数据积累，因此在设备鉴定实践过程中，尤其是在特定问题的把握上，普遍存在较多的问题［2］。这不利于1E级充电器、逆变器设备国产化的开展。

本文基于IEC、IEEE、《法国核岛电气设备设计和建造规则》（RCC-E）等标准及文献，对1E级电气设备的质量鉴定方法进行研究，进而综合国内外设备鉴定的实践经验，制定出1E级充电器、逆变器的鉴定方案，并在我公司某核电项目中实施。

1 电气设备分级和质量鉴定概述

1.1 电气设备安全分级及鉴定分类

根据《法国核电厂设计规则》及其应用说明，凡在事故中或事故后用于保护公众或系统中的部分参与保护公众的电气设备均定义为安全级（1E级），其主要参与完成下述功能［3］：

（1）反应堆紧急停堆；

（2）安全壳隔离；

（3）堆芯应急冷却；

（4）反应堆余热排出；

（5）安全壳厂房热量排出；

（6）防止放射性物质大量释放到环境中。

1E级电气设备必须进行质量鉴定，以验证其在地震或事故工况下可以执行其预期功能。RCC-E规范规定的鉴定类别有K1、K2、K3类，其定义如下：

（1）K1类：安装在安全壳内，在正常环境条件、事故中、事故后环境条件及地震载荷下仍能执行其设计功能；

（2）类：安装在安全壳内，在正常环境条件和地震载荷下能执行其设计功能；

（3）K3类：安装在安全壳外，在正常环境条件和地震载荷下能执行其设计功能。

1.2 1E级电气设备质量鉴定

设备故障分为随机故障和共因故障。随机故障是不可预判或预防的，为了应对随机故障，在核电厂中对安全设施进行了冗余和多样化的配置。但若设备存在共因故障机理，即那些可能引起设备群发性故障的机理，则会使冗余和多样化配置失效，对核安全产生威胁。1E级设备鉴定的核心是针对可能导致设备共因故障的机理，对设备的可靠性进行验证，避免共因故障导致核电厂冗余的、多样化的安全措施失效［4-6］。

共因故障机理主要来自两方面：一方面为设备本身的设计、制造、安装或使用中的缺陷，比如设计不当导致元器件应力过大，元器件或原材料参数不满足要求等；另一方面来自外部事故环境（LOCA、高能管道破裂等）、地震或设备老化本身。其中，设备老化可以从两个方面造成设备共因故障：① 设备受老化影响，其机械、电气性能变差，抵抗地震或事故环境的能力减弱；② 在设备寿命末期，设备故障率大幅增加［2］，如图1所示，使得同类设备在短期内同时发生故障的几率大大增加。

图1 设备寿期内故障率曲线［7］Fig.1 The failure rate history of equipment ［7］

针对设备本身设计、制造等过程的缺陷，可以依据各类设备的专门标准进行试验、分析，予以发现并消除，在本文中，这部分鉴定试验被称为性能及应力试验。对于由外部事故环境、地震或老化所引起的故障机理，需要通过相关的环境试验和老化试验予以验证。指出，1E级设备安装在核电厂不同环境中，这些环境一般可以分为和缓环境和严酷环境［8］。文献也对和缓环境和严酷环境给出了明确定义。处于严酷环境中的电气设备，一般需进行LOCA试验、抗地震试验或者模拟蒸汽管道破裂的温度、湿度、压力等方面的试验；处于和缓环境中的电气设备，一般只需进行抗震试验。在进行事故环境试验前，设备应经过相应的老化试验，如辐照老化、热老化、机械震动老化等［9］。

设备鉴定的方法主要有型式试验法、分析法、运行经验法和综合法。电气设备的组成元件多、内部机构复杂、功能多样，仅凭理论分析或经验分析，难以对其进行全面的质量评估，所以对于初次应用于核电项目的电气设备或有重大变更的电气设备，一般采用型式试验法或综合法进行质量鉴定［10］。

2 1E级充电器及逆变器的核级鉴定

根据RCC-E规定，1E级充电器、逆变器应划为K3类设备，其核级鉴定试验包括基准试验、极限运行条件试验、与可靠性或设备性能随时间变化相关的试验、抗地震试验，另外，对于包含可编程电子元器件的，还应进行软件鉴定或软件认证。而根据美国标准《核电厂1E级静止式充电装置和逆变装置的质量鉴定》（IEEE650），1E级充电器、逆变器的鉴定过程为：元器件分析及老化、设备老炼、性能试验、应力试验、抗地震试验、应力试验和性能试验［11］，其中的性能试验和应力试验分别相当于RCC-E中的基准试验和极限运行条件试验。比较以上两套标准，其差别主要在于RCC-E是从整机角度考虑设备的老化问题，且不考虑鉴定寿命；而IEEE650要求在设备组装之前将具有显著老化机理的安全相关元器件老化至其预期寿命末期，设备组装后再进行其他试验。另外，IEEE650要求在抗地震试验之后进行应力试验和性能试验，而RCC-E仅要求在抗震试验之后进行性能试验。本文倾向于采用IEEE650的做法，主要有两方面的原因：一方面充电器、逆变器设备的元器件种类繁多，各类元器件及材料的老化机理不同，按元器件进行老化更具有针对性；另一方面，地震发生后，核电厂某些设备可能发生故障，如厂房通风设备等，这将导致充电器、逆变器的运行环境变坏，而抗地震试验后的附加应力试验，能更好地验证设备对此种情况的适应性。

本文根据国内外厂家及实验室的实际情况和实践经验，结合IEEE650和RCC-E的相关要求，制定1E级充电器、逆变器的鉴定方案，如图2所示。

图2 鉴定流程图Fig.2 The flow chart of qualification

2.1 设计输入

在设计输入阶段主要有两个任务，一个是确定鉴定设备范围，另一个是确定设备鉴定条件。

确定鉴定设备范围，即确定核电厂内哪些设备需要鉴定以及如何选取鉴定样机。设计院根据核电厂系统设计及功能要求，确定设备的安全级别和鉴定类别，并在设备技术规格书中明确。安全级充电器、逆变器设备为1E级K3类。鉴定试验时，从经济性考虑，一般不会为每一个需要鉴定的设备都制造一个鉴定样机，而是充分考虑包络性后，为每类设备选取一个或几个具有代表性的样机。考虑包络性时，重点从设备尺寸、重量或单位荷载、内部结构、元器件及布置等方面进行分析。

确定设备鉴定条件，主要是确定设备的安全功能要求、性能要求、安装条件、正常和事故环境条件等。这些信息来自于技术规格书、系统设计手册等文件，是确定鉴定试验项目和参数的必要条件。对1E级充电器、逆变器的安全功能要求就是在任何情况下保证稳定供电。性能要求主要指对充电器、逆变器输入和输出的要求，如输入电压范围、稳压精度、纹波电压、频率调节范围等，同时还要考虑设备耐压特性、辅助设备特性等内容。1E级充电器、逆变器的安装一般采用预埋件螺栓连接，电缆连接方式为上进线。环境条件主要是指设备周围的温度、湿度、盐雾、机械振动、地震、辐照、电磁环境等，鉴定试验应能证明设备在最严酷的极限环境条件下仍能执行安全功能。

2.2 元器件评估

这一鉴定过程，主要参考IEEE650的5.1和5.2节进行。根据规定，应对充电器、逆变器内所有元器件进行分析，并分为非关键元器件和关键元器件。

只有那些自身电气或结构故障不影响任何1E设备执行安全功能的元器件才能定义为非关键元器件，这需要对元器件进行故障模式和后果分析之后确定。

除非关键元器件外，其他均为关键元器件，其故障将影响安全功能，所以对关键元器件需进行应力分析、老化分析和老化。应力分析是通过计算元器件的应力或载荷，确保不超过其允许范围或留有足够裕量，以免存在潜在故障诱因或元器件的加速老化，对于应力分析不合格的元器件，需要重新设计。关键元器件的老化分析需确定元器件是否具有显著老化机理，并分析那些具有显著老化机理的元器件是否可通过定期在役的监视或维修确定。只有对于那些具有显著老化机理的、不能通过定期在役监视或维修确定的关键元器件，才需要进行老化试验。根据相关文献和工程经验，1E级充电器、逆变器设备的元器件大多不具有显著老化机理，而对于具有显著老化机理的元器件，如电解电容等，亦可通过定期在役监视和维修来消除隐患。

但是，由于各个厂家所采用的元器件和材料不同，某些型号的设备可能包含不能通过在役监视或维修排除的、具有显著老化机理的关键元器件。这时，需要把这些元器件老化至其预期寿命末期。老化主要有自然老化和人工加速老化两个方式。多数情况下，不具备采用自然老化的条件，而都采用人工加速老化。人工加速老化，需要根据不同元器件的不同老化机理，选择不同的老化方法，如加速热老化、操作老化等。

2.3 设备组装及老炼

在对需要进行老化试验的元器件老化之后，即可组装鉴定样机。样机经内部测试合格后，需进行200 h的老炼试验，以避免初期失效影响鉴定结果。试验在室温下进行，包括100 h的满载试验和100h的空载试验。

2.4 性能试验及应力试验

性能试验可在工厂中进行，一般厂家均具备进行完整性能测试的试验条件。而应力试验须在具有相应能力和资格的第三方试验室中进行。

2.4.1 性能试验

这部分的试验依据是GB/T 3859《半导体变流器》，其中，GB/T 3859.1适用于电网换向变流器，GB/T 3859.4适用于自换向变流器。目前，核岛直流及交流不间断电源系统中的充电器都采用相控方式，应采用GB/T 3859.1，逆变器普遍采用IGBT，应采用GB/T 3859.4。根据核岛直流系统设备特点，依据标准，确定充电器、逆变器的具体试验项目见表1。

2.4.2 应力试验

这里的环境试验仅为验证充电器、逆变器在正常存储和运行环境范围内的工作性能。在IEEE650、GB/T 3859.1、GB/T 7260.3等标准中都有关于环境试验的描述，综合考虑，本文对充电器、逆变器的环境试验，按以下步骤进行。

表1 充电器、逆变器性能试验Table 1 Function test of charger and inverter

① 关机状态下的湿热循环试验

设备停运期间，如果厂房内温度和湿度变化导致设备表面产生凝露，可能会对设备性能产生一定影响，所以此试验考察了设备首次启动或停运后再启动的性能。另外，潮湿可以加快金属材料腐蚀以及有机材料机械和电气性能的衰退，即所谓潮湿老化。通过此试验也可以模拟潮湿老化效应。

试验方法参照GB/T 2423.4 进行，采用图2a）方法1的曲线，温度和湿度参数，选取设备安装、存贮环境的最严苛限值。

在环境实验室一般无法按型式试验项目对充电器、逆变器进行完全检测，但必须进行绝缘试验、温升试验、负载试验和功能试验。

② 额定运行条件下的干热试验

充电器、逆变器运行时有很大的功率损耗，散热量较大，正常情况下，设备内部及表面温度高于环境温度，湿度对其影响可以忽略，而正常运行期间的环境最低温度较高，也不会对设备运行造成影响。所以，在设备运行条件下，主要考虑的环境应力是高温。当环境温度处于上限时，设备散热条件变差，温升较高，设备运行温度可能超过允许值。干热试验可以模拟设备在这种运行条件下的性能。

试验方法参照GB/T 2423.2，推荐试验时间为16 h，试验温度为40 ℃。

2.5 EMC试验

充电器、逆变器设备内含有大量微电子电路、功率电子线路和变压器等元器件，电磁环境复杂，对其进行电磁兼容（EMC）性能的考核是十分必要的。一方面要确认充电器、逆变器设备不会受周围电磁骚扰的影响，即进行抗扰度测试；另一方面要确认充电器、逆变器不会干扰周围其他设备，即进行发射测试。

EMC试验参考GB/T 7260.2《不间断电源设备：第2部分 电磁兼容性要求》。根据此标准，核电厂环境属于第2类环境，应选用C3（I大于16A）类充电器、逆变器。根据核岛直流系统充电器、逆变器的特点，本文对标准中的试验项目进行了筛选。在表2中，按发射和抗扰度两部分，分别列出了各项试验及其执行标准。

发射试验中要测量由充电器、逆变器产生且通过传导和辐射方式传播的电磁辐射电平。充电器、逆变器设备对外产生的电磁发射强度随其负载的增加而增加。所以进行发射试验时，受试设备需运行在额定负载状态下，并且所有对发射有影响的元器件也都应处于工作状态。

抗扰度试验中要测试充电器、逆变器对外部电磁骚扰的抗扰能力。外部骚扰对充电器、逆变器的干扰，体现在对控制、保护、辅助等系统功能的影响，其效果不因受试设备的负载不同而变化，所以，进行抗扰度试验时，受试设备可轻载运行。

表2 电磁兼容性试验项目Table 2 Test items of EMC

2.6 抗地震试验

1E级充电器、逆变器设备安装在电气厂房，处于和缓环境，唯一考虑的设计基准事件是地震。充电器、逆变器结构复杂、功能性元器件多，无法通过分析计算验证其抗震性能，必须进行抗震型式试验。抗震试验依据的标准是GB/T 13625《核电厂安全系统电气设备抗震鉴定》。

进行抗震试验的设备必须是经过老化的，根据本文的鉴定流程，设备组装前已对需老化的元器件进行过老化，无需再对整机进行相关试验。受试设备在地震台上安装后，需进行相关检测，在地震实验室一般无法按型式试验项目对充电器、逆变器进行完全检测，至少进行绝缘试验、温升试验、负载试验和功能试验，并且在整个抗地震试验中必需监测充电器、逆变器的输出电压、电流及重要信号。在进行设备抗震性能试验前，需对设备进行动特性探查试验，以获取设备自振频率、阻尼比等数据。抗震性能试验需进行5次运行基准地震（OBE）和1次安全停堆地震（SSE）试验，震后除对设备结构方面的检查，需立即重复抗震试验前的检测内容［12，13］。设备运回工厂后，需要进行一次完整的性能试验和应力试验。

抗地震性能试验应采用多频波法，振动台的输入为人工模拟加速度时程，该时程由要求反应谱（RRS）反演计算得到。RRS可以是特定安装位置的楼层响应谱，也可是多个楼层响应谱的包络谱。在地震试验中测量地震台的实际时程，通过计算得到试验反应谱（TRS）。理想情况下，TRS应完全包络RRS，但是受现时技术所限，地震台在低频段可能无法获得较高的加速度，所以致使RRS的低频段无法被TRS包络。在GB/T 13 625中规定，如果设备在5 Hz以下没有共振现象，则要求反应谱在3.5 Hz频率值以上被包络即可。充电器、逆变器设备的共振频率远高于5 Hz，适用于此条款。图3 ～ 5为某核电项目充电器、逆变器OBE试验的反应谱分析结果。图中，虚线为RRS，实线为TRS，在0.2 Hz的频率以上，RRS完全被包络，此TRS可以接受。

图3 抗地震试验反应谱—X方向（OBE）Fig.3 The envelop of TRS to RRS along X direction in OBE test

图4 抗地震试验反应谱—Y方向（OBE）Fig.4 The envelop of TRS to RRS along Y direction in OBE test

图5 抗地震试验反应谱—Z方向（OBE）Fig.5 The envelop of TRS to RRS along Z direction in OBE test

2.7 软件鉴定

现代充电器、逆变器设备中，普遍存在可编程控制器件，属于可编程系统。系统中的软件，可能参与核安全相关的控制功能，也可能只具有监视、通信等与核安全无关的功能。由于在不同的应用场合，充电器、逆变器在整机配置上可能有差异，为避免不同的配置对软件鉴定的影响，软件鉴定应针对充电器、逆变器设备内包含软件的最小系统进行，而不必以设备整机作为鉴定对象［14，15］。

根据RCC-E要求，对于安全分类为A、B、C类的可编程系统，应依据相应标准进行鉴定，而对于非安全相关的可编程系统无特殊要求。安全分级是后续工作的基础，为确保分级正确，应由第三方确认可编程系统的安全分级。

3 结论

本文简要阐述了1E级电气设备的质量鉴定方法，进而结合相关标准及大量设备鉴定的实践经验，制定了1E级充电器、逆变器的鉴定方案，可供1E级充电器、逆变器设备国产化的质量鉴定参考。

［1］刘栋，王宏印，张勇. 核电厂设备鉴定的过程控制与管理［J］. 核安全，2013（2）：69-73.

［2］顾申杰. 核电厂1E级电气设备环境鉴定［J］. 核安全，2005（2）：31-40.

［3］AFCNE. French Society for Design and Construction Rules for Nuclear Island Components. RCC-E，French Design and Construction Rules for Electrical Components of Nuclear Islands［S］. Paris：AFCEN，2005.

［4］郭满华，赵月扬，黄文有. 核电站核级设备鉴定过程［J］.电力设备，2008，9（7）：127-128.

［5］闫贵银，刘莉. 核电站安全级仪控设备的质量鉴定［J］.核工程研究与设计，2010（80）：36-40.

［6］王广金，刘燕，刘江燕，等. 核电厂1E级电气设备鉴定试验研究［J］. 核动力工程，2008，29（4）：131-134.

［7］IEEE. Nuclear Power Engineering Committee of the IEEE Power Engineering Society. IEEE 650，Standard for Qualification of Class 1E Static Battery Chargers and Inverters for Nuclear Power Generating Stations［S］. New York：The Institute of Electrical and Electronics Engineer，2006.

［8］郎爱国. 核电厂和缓环境显著老化机理与设备鉴定［J］.核安全，2006（3）：11-16.

［9］EPRI，NP – 5024，Research Project 1707-4，Seismic Ruggedness of Aged Electrical Components. January 1987.

［10］IEEE. IEEE323，IEEE Standard for Qualifying Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations［S］. New York：IEEE，2003.

［11］IEC. IEC 60780，Nuclear Power Plants – Electrical Equipment of the Safety System – Qualification［S］.Gennva：IEC，1998.

［12］IEEE. IEEE C37.81，IEEE Guide for Seismic Qualification of Class 1E Metal-Enclosed Power Switchgear Assemblies［S］. New York：IEEE，1989.

［13］方庆贤. 核电厂设备抗震鉴定的评审［J］. 核动力工程，1995，16（5）：394-400.

［14］赵敏达. 核安全关键软件的验证与确认技术［J］. 自动化仪表，2011（4）：1-4.

［15］熊华胜，李铎，黄晓津. 数字化反应堆保护系统安全软件技术研究［J］. 中国核科学技术进展报告核动力分卷（上），2009：69-72.