核电厂专用仪控设备鉴定试验研究

陈 义，叶顺流

（中广核研究院有限公司，成都 610000）

0 引言

核电因高效、清洁、经济等原因在世界范围内得到了快速的发展，中国也相继出台了多项政策积极推进核电建设，大力发展核电技术。2007 年10 月，为了贯彻落实国家“积极推进核电建设”的方针，国家发改委组织行业专家编写了《国家核电发展专题规划2005 ～2020》，明确了中国核电后续发展目标：到2020 年，核电运行装机容量争取达到4000 万千瓦，核电年发电量达到2600 亿千瓦时～2800 亿千瓦时[1]。但是核电又有别于一般的电厂，它是通过核反应产生的热量来制造蒸汽，推动汽轮机发电，在这个过程中需要利用不同功能的专用仪控设备对堆芯进行精确地监控，防止发生核泄漏等事故。因此，要求核电厂专用仪控设备必须具有很高的安全性和可靠性，而对设备开展的质量鉴定活动则是评估其安全性、可靠性的一种有效手段。

目前，国内对核电厂专用仪控设备的鉴定试验还没有一个统一的标准，各设备供应商在执行鉴定时参考的标准也比较杂乱，鉴定效果也不理想；或者是按照安全级DCS的鉴定方法对专用仪控设备实施鉴定，这就大大增加了设备鉴定成本，降低了产品的竞争力。本文对RCC-E 进行深入解读，结合某电站压力容器水位信号测量系统的鉴定实践，梳理出一套适用于核电厂专用仪控设备的鉴定思路和方法，为行业内相关设备的鉴定提供一定的指导。

1 鉴定目的

为了保证核电厂在规定的条件下可靠地工作，HAF102《核动力厂设计安全规定》中提出：“必须采用设备鉴定的程序来确认安全重要物项能够在其整个设计运行期间满足正常运行、预计运行事件和设计基准事件等工况的要求”[3]。RCC-E 在B 卷中也明确指出要用鉴定的方法来证明设备满足以下要求：

1）能实现设备规定的安全功能。

2）在规定的运行和使用条件下，不产生能导致设备预防措施失效的故障。

3）不能妨碍其他设备执行安全功能。

2 鉴定方法

在RCC-E 中提供了3 种鉴定方法：试验法是通过一系列型式试验对设备进行检验，这种方法是大多数设备在鉴定时所选择的方法，一般要求设备在初始鉴定时必须选择此方法；分析法是利用与其相似的其他设备之前的试验数据进行类比分析，此方法多用于针对设备外形结构（如机柜、机箱等）方面的鉴定，如利用机柜结构相同的其他设备的抗震试验数据来评估待鉴定样机的抗震性能；混合法是利用试验法和分析法相结合的方法对鉴定样机进行鉴定，在常规的鉴定活动中，由于设备规模和实验室场地限制等原因，不可能将整套系统的所有设备都运到实验室进行鉴定试验。因此，需要选择一套具有代表性的鉴定样机，用试验加分析的方法开展鉴定。

3 样机的选择

鉴定样机应是一个能够代表被鉴定对象典型功能和性能，以及典型配置的设备。鉴定样机的选择应考虑以下因素：

◇ 应具有被鉴定对象典型架构。

◇ 应包含被鉴定对象所有的设备类型、信号类型。

◇ 应具备被鉴定对象典型的软、硬件配置。

◇ 应具有被鉴定对象的典型功能和性能。

◇ 应能代表被鉴定对象的典型负荷（功耗）。

◇ 应保持和被鉴定对象相同的安装方式等。

4 鉴定程序

设备需要根据其安装位置和所要执行的功能，选择适合的鉴定程序。鉴定程序可分为：

1）正常环境条件下的鉴定程序

该程序是为了检验鉴定样机在正常环境条件下执行其功能的能力，在执行下面4 个程序之前总是要先执行本程序。

2）K1 鉴定程序

程序适用于安装在安全壳内的设备，需要在正常运行条件、事故条件、事故后条件（必要时），以及地震条件下检验设备的功能和（或）性能指标。

3）K2 鉴定程序

程序适用于安装在安全壳内的设备，需要在正常运行条件、地震条件下检验设备的功能和（或）性能指标。

4）K3 鉴定程序

程序适用于安装在安全壳外的设备，需要在正常运行条件、地震条件下检验设备的功能和（或）性能指标。

5）严重事故条件的鉴定程序

该程序适用于在严重事故条件下需保持其安全功能的设备。

与安全相关的核电厂专用仪控设备（如堆芯测量系统、棒控棒位系统、堆外核测量系统等）一般都放置于安全壳外的安全厂房区仪控房间，鉴定时应选择K3 鉴定程序。

5 鉴定大纲

鉴定大纲是整个鉴定活动的重要依据，在工程样机（或模拟件）的研制之初就要根据设备技术规格书的要求进行编制，为了确定鉴定大纲的符合性，还需组织上游设计院和业主方的专家进行评审。鉴定大纲主要包含以下信息：

◇ 鉴定样机的范围及说明。

◇ 正常和设计基准事故的环境条件。

◇ 鉴定样机需要执行的典型功能和满足的性能指标。

◇ 每项试验的参考标准和试验等级。

◇ 各项试验的验收准则。

◇ 在鉴定过程中，对不满意结果的处理等。

6 鉴定实施

图1 核电厂仪控设备试验顺序Fig.1 Test sequence of I&C equipment for nuclear power plant

RCC-E 并未对试验顺序做强制规定，只提到试验顺序应与设备的种类相适应。从RCC-E 的章节安排来看：在鉴定试验中，首先应进行基准试验，基准试验的测试数据作为后续条件试验的比较基准，用于判断设备在后续条件试验中的功能性能是否满足技术要求；其次，进行极限运行条件下的试验和设备性能随时间变化的试验，特别提到设备性能随时间变化的试验应按照规定的顺序进行，但当大纲有规定时，设备性能随时间变化的试验也可以和极限运行条件下的试验交替进行；地震试验最后进行。因此，RCC-E 规定的试验顺序基本按照图1 的顺序进行。

6.1 基准试验

基准试验需要在正常大气条件下进行，其测试数据作为后续各项条件试验的比较基准，RCC-E 中规定的正常大气条件指向标准NF EN 60068-1，具体条件如下：

◇ 温度：15℃～35℃。

◇ 相对湿度：25%～75%。

◇ 大气压力：86kPa ～106kPa。

基准试验的主要测试内容为：

◇ 目视检查和机械检查

◇ 电气特性试验

——绝缘电阻测量

——介电强度试验

——机械接地的电气连续性测试

◇ 功能特性测试

进行电气特性试验的目的主要是为了保护使用和维护人员的安全，属于安规一类的试验，具体执行时主要依据RCC-E MC 卷的规定执行。

介电强度试验主要是用来验证仪控设备供电回路是否存在绝缘薄弱的地方，试验时用数倍电路额定电压的电压等级进行试验。某核电站压力容器水位测量系统电气特性试验条件见表1。

6.2 极限运行条件下的试验

RCC-E 中对极限运行条件下的试验描述得比较笼统，只是简单提到与设备相关的环境条件、安装条件、供电特性、电磁干扰等，没有细化，可执行性不高。在B3500 章节又列出了一些特殊规定对鉴定大纲进行补充，明确鉴定大纲需要按照IEC 60780（该标准已转化为GB/T 12727，技术内容等同）的5.3 节的规定制定，并在后面表格中规定了电磁兼容试验可以按照工业环境条件执行，参考工业环境通用电磁兼容试验标准，即IEC 61000-6-2 和IEC 61000-6-4。

表1 电气特性试验条件Table1 Electrical characteristics test conditions

此外，在D5000 章节对电磁兼容进行了专题介绍，并提供了一些关于设备电磁兼容的一些建议，以及如何根据设备的安装位置选择不同的试验类型和严酷程度，并指出应优先选择产品标准（IEC 61131-2“可编程控制器测试标准”），再选择通用标准（IEC 61000 系列标准）使用。

在某核电站水位信号测量系统鉴定试验中，极限运行条件下的试验主要分为两个部分：设备运行的环境条件（温湿度和振动）和设备安装处的电磁环境条件。温湿度和振动等试验具体执行上，主要根据GB/T 12727 的要求，按照GB/T 2423 系列标准进行试验；而电磁兼容性试验则是按照IEC 61000 系列标准进行，同时也参考了行业上比较认可的美国核管会出版的R.G.1.180 标准作为补充。电磁兼容性试验条件见表2。

温湿度环境试验条件见表3。

6.3 设备性能随时间变化的试验

将设备置于规定环境温度条件下长时间运行，通过监视设备在一段时期内的性能变化来评价设备的使用寿命。RCC-E 在这个章节中主要介绍了长期运行试验和辐照老化试验，但是没有列出执行试验的参考标准，也没有明确具体的试验方法。

核电厂专用仪控设备位于安全壳外，没有辐照老化的设计需求，可不执行辐照老化试验。某电站压力容器水位测量系统在鉴定时主要参考GB/T 12727 及其配套使用标准EJ/T 1197 的规定执行长期运行试验，试验条件为：将设备置于55℃温度条件下运行300h，再将设备置于40℃温度条件下运行300h。在整个试验中，每24h 对设备进行功能测试，并全程持续监视设备输入/输出等信号的变化情况。

表2 电磁兼容性试验条件Table 2 Electromagnetic compatibility test conditions

6.4 地震试验

地震试验用来考验设备在规定的地震荷载下能否完成其规定的功能，一般通过试验法来验证设备的抗地震能力，在某些特殊情况下，也可以用分析法或混合法代替。RCC-E 中针对地震试验推荐使用的标准是IEC 60980（该标准已转化为GB/T 13625，技术内容等同），并规定在试验之前需要先进行设备固有频率的探查试验，试验方法参考EN 60068-2-6 或EN 60068-2-57 中独立加速度时程的双轴试验法。

在地震试验的具体实施环节，RCC-E 分别介绍了地震试验可采用的试验方法：

1）正弦波激励的单轴试验

可任意选择正弦扫波和正弦拍波两种方法的一种进行试验，试验应符合EN 60068-2-6 和EN 60068-2-59 的规定。正弦拍波试验是利用相互隔开的5 个正弦拍波组成的一个试验波序列，沿着单个轴向依次在各试验频率上进行试验。

表3 温湿度环境试验条件Table 3 Temperature and humidity environment test conditions

2）单轴加速度时程试验

该试验是利用规定的反应谱加速度时程曲线在鉴定样机的3 个轴向单独进行，加速度时程曲线需要满足以下条件：

◇ 强震部分时间需大于10s。

◇ 人工地震波总持续时间需大于20s。

◇ 信号超过其最大值70%峰值的个数应大于6。

◇ 在进行SSE 试验前，先进行5 次OBE 试验，OBE水平为SSE 的一半。

3）双轴加速度时程试验

沿一对轴同时施加加速度时程曲线，两个信号是分别合成的，且要符合以下规定：

◇ 强震部分时间需大于10s。

◇ 人工地震波总持续时间需大于20s。

◇ 信号超过其最大值70%峰值的个数应大于8。

◇ 在进行SSE 试验前，先进行5 次OBE 试验，OBE水平为SSE 的一半。

在未规定试验方法时，一般推荐双轴加速度时程进行试验，对于试验阻尼比的选择，在鉴定试验中推荐使用5%的阻尼比。在设备技术规格书没有规定反应谱的情况下，可选用RCC-E 中提供的通用反应谱，如图2、图3 所示。

7 结束语

RCC-E 在MC 卷对电气特性试验方法和试验条件进行了详细的说明，鉴定时可以直接按照设备自身供电特性选择试验等级。在极限运行条件下的试验和设备性能随时间变化的试验，都只是规定了试验的方法和流程，没有对具体的试验项目进行细化，执行起来存在一定的难度。因此，在实际的鉴定活动中需要综合参考设备技术规格书中的鉴定要求和RCC-E 指向的产品标准（IEC 61131-2《可编程控制器测试标准》）、通用标准（IEC 61000 系列标准），并结合设备实际安装位置的环境条件选择适合的试验项目和严酷等级。

图2 通用水平反应谱，阻尼比5%Fig.2 General horizontal response spectrum, damping ratio 5%

针对地震试验，一般用设备技术规格书中提供的楼层响应谱进行试验，若规格书中未规定反应谱，也可使用RCC-E 提供的通用反应谱。

本文分析了RCC-E 中关于设备鉴定相关要求，并结合某专用仪控设备实际的鉴定经验，给核电厂专用仪控设备的鉴定提供了一种新的思路，为核电厂其他专用仪控设备的鉴定提供一定的指导，也为仪控专业相关人员审视鉴定活动与标准的符合性，提供重要的参考价值。

图3 通用垂直反应谱，阻尼比5%Fig.3 General vertical response spectrum, damping ratio 5%