浅析核电厂保护系统设备鉴定方案

宿俊海，杨 萌，李 颖

（1.中核控制系统工程有限公司，北京 102401；2.中国核电工程有限公司，北京 100840）

0 引言

近年来为解决能源的可持续性，中国大力发展核电事业，然而核电的安全性一直被人们所关注。反应堆保护系统是产生与保护任务有关的必要信息，防止反应堆状态超过规定的安全限值或减轻超过安全限值所造成的损坏和损失后果的安全系统。当反应堆出现异常，但还不致马上危及反应堆安全时，为确保核电站连续运行，反应堆保护系统发出报警信号或由闭锁系统提供校正措施，使反应堆恢复到正常运行状态；当运行保护参数超过了设计停堆整定值时，能快速紧急停堆；当出现超出停堆保护能力的故障时，能启动相应的专设安全设施，缩小事故范围和防止放射性污染；当核电站运行达到某种状态时，允许手动或自动闭锁某些保护动作，防止系统误操作。所以反应堆保护系统是核电厂反应堆仪控系统的一个非常重要的组成部分，是反应堆稳定、可靠运行的有力保障。反应堆保护系统的功能主要是保护3大核安全屏障（燃料包壳、一回路压力边界和安全壳）的完整性。因此，对于核电厂反应堆保护系统自身的可靠性要求是非常高的。保护系统相关设备通常为核级设备，与常规设备不同，核级设备性能的好坏和稳定直接影响到整个核电站的安全可靠运行。

目前，国内核电厂核级相关设备大部分为进口设备，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。

1 核电厂设备的鉴定分级及鉴定方法

核电厂设备的分级分为安全级（1E级）和非安全级（非1E级），安全级设备执行安全功能，必须进行设备鉴定。根据设备的安装位置以及设备的安全功能，设备的鉴定等级分为3个等级，即K1、K2和K3。K1是指安装在安全壳内，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；K2是指安装在安全壳内，在正常环境条件和地震载荷下能执行其设计功能；K3是指位于安全壳外，在正常运行工况的环境条件下以及地震荷载下保证其功能的设备。本文所涉及的保护系统相关电气设备的鉴定等级为K3。

设备鉴定的基本方法有型式试验法、论证分析法和运行经验法，也可根据设备的不同情况采取几种方法的组合方式进行实际的设备鉴定。型式试验法在于通过将一个设备样品在规定的设备使用条件下经受一系列有代表性的试验来证明此设备有能力完成对其要求的功能。论证分析法在于通过定性和（或）定量的论证，证明设备有能力完成对其要求的功能。运行经验法是通过收集和分析类似设备在相近或更严酷环境中的成功运行数据，类比论证设备执行其安全功能的能力[1,2]。保护系统的设备鉴定通常采用型式试验法。

2 保护系统设备的鉴定方案

2.1 样机的选择

按照K3类质量鉴定要求，保护系统的鉴定包括基准试验、正常运行环境条件下极限值试验、EMC试验、老化试验和抗震试验。由于上述试验大部分属于破坏性试验，因而可以对保护系统选取典型样机，对样机进行型式试验，通过样机的鉴定试验结果来反应保护系统的性能。

由于整个保护系统物理实体规模较大，直接1:1进行型式试验，对鉴定人员和实验室要求都很高。依据IEEE420，保护系统机架的鉴定试验可以在适当规模尺寸条件下进行的原则，可将保护设备进行典型性抽样，对选取的具有典型性的样机进行型式试验，通过样机的鉴定结果证明保护系统在设计规定的环境条件和运行条件时，能完成预定的功能并达到设计要求的性能指标。

样机的选取应具有典型性，具体原则如下：

1）从结构角度来看，应对整个保护系统进行有限元分析，有限元分析结果中结构特征最具有代表性的或最薄弱的应作为样机的结构体。

2）从设备角度来看，应对整个保护系统的设备进行分析，样机中应尽量包含全部种类的设备，如条件限制无法满足，则应选取的设备种类、样式应能包络住全部种类的设备。

3）从功能角度来看，应对整个保护系统的功能进行分析，样机中的功能应尽量包含全部种类的功能，如条件限制无法满足，则应选取的功能种类应能包络住全部种类的功能。

4）从安装方式角度来看，应对整个保护系统中设备的安装位置、安装方式进行分析，样机中的安装位置、安装方式应能够具有包络性；另外，样机整体的安装也应与实际工程中保护系统的安装方式相同。

通过上述4个步骤，即可得到保护系统的样机形式。

2.2 样机的鉴定试验项

鉴定试验包括基准试验、正常运行环境条件下极限值试验、EMC试验、老化试验和抗震试验。基准试验能够验证鉴定样机设备/部件的安全功能及相关性能，在各型式试验前、中（如果有）、后都需要进行，以此来说明各型式试验的影响。老化试验为抗震试验前的预老化试验，需在抗震试验前完成。其余试验无试验顺序要求。

2.2.1 基准试验

针对保护系统整体，根据RCC-E的要求，需要做如下的基准试验：

1）外观和机械检查（RCC-E MC2000）。

2）功能试验。

3）介电强度试验（RCC-E MC3100）。

4）绝缘电阻试验（RCC-E MC3200）。

5）机械接地电气连续性试验（RCC-E MC3300）。

2.2.2 正常运行环境条件下极限值试验

针对保护系统整体，根据RCC-E的要求，需要做如下的试验项目：

1）供电电压慢变化试验（RCC-E MC4400）。

2）供电频率变化试验（RCC-E MC4600）。

3）电压和温度变化试验（RCC-E MC4700）。

4）电子设备的短路承受能力试验（RCC-E MC4200）。

5）有关维修和消除故障操作的试验（RCC-E MC4300）。

6）短时失去电压的承受能力试验（RCC-E MC4500）。

2.2.3 EMC试验

针对保护系统整体，依据部分RG 1.180中等暴露要求进行如下试验项目[3]：

◆ 发射类：

1）辐射发射（电场）试验。

2）传导发射（高频）试验。

◆ 抗扰度类：

1）交流电源端口谐波、谐间波及电网信号的低频抗扰度试验。

2）射频场感应的传导抗扰度试验。

3）共模传导抗扰度试验。

4）射频电磁场辐射抗扰度试验。

5）电压暂降抗扰度试验。

◆ 电源浪涌类：

1）电源浪涌试验——振铃波。

2）电源浪涌试验——组合波。

13）电源浪涌试验——电快速瞬变脉冲群。静电放电试验，包括接触放电和空气放电。

2.2.4 老化试验

根据GB 12727和EJ/T1197规定了对于K3类设备如果存在明显老化因素应在地震试验之前进行预老化，针对保护系统整体，应考虑的老化因素包括如下：

1）温度（循环或不循环的温度变化）。

2）腐蚀。

3）长时间运行。

4）可能经受的辐照。

5）机械振动。

◆ 对于温度因素

根据GB12727第5.4.3.5.1节C）项规定，同时结合EJ/T1197的要求，应进行高温试验、低温试验、温度变化试验、交变湿热试验。

◆ 对于腐蚀因素

在电子仪控间内正常操作和事故条件下无腐蚀，所以腐蚀不属于明显老化因素。

◆ 对于长时间运行因素

根据GB/T 12727的规定和EJ/T1197的要求，应进行长期运行试验，包括触点类长期运行和非触点类长期运行。

◆ 对于辐照因素

在电子仪控间内正常操作和事故条件下无辐照影响，所以辐照不属于明显老化因素。

◆ 对于振动因素

应对保护系统整体进行振动试验以证明其能够满足机械振动的要求。

2.2.5 抗震试验

抗震试验是为了考核样机在SL-2（或SSE）地震载荷下的其结构刚度、强度以及在地震载荷作用中和作用后的功能指标，以验证其在规定的地震载荷作用下及作用后的结构和功能的完整性。应按照GB 13625的规定进行[4]。

3 结论

本文介绍了核电厂设备的鉴定分级和鉴定方法，从整体上对保护系统的鉴定方案进行分析，包括样机的选择、鉴定的需求和鉴定试验项等内容，对核电厂保护系统的鉴定具有一定的指导意义。