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(苏州热工研究院有限公司深圳分公司，广东深圳，518124)

1 引言

电磁继电器是一种利用电磁力产生预定响应的机电继电器，在核电厂有广泛的使用。核电厂继电器分为核级和非核级，核级继电器执行安全功能，非核级执行非安全功能。非核级继电器从市场上采购，满足普通工业标准。核级继电器从具有核级资质的供应商采购，满足核级标准。国内在运核电厂的核级继电器数量庞大，但均由国外厂商供货。大亚湾核电厂一台机组V23系列核级单稳态继电器(AXICOM供货)的数量大约有6000多只。即便是采用数字化仪控系统的宁德核电厂，一台机组MY4ZN核级继电器(OMRON供货)的数量也超过1600只。随着运行时间的增加，继电器由于老化而需要更换。但由于订单不足，一些型号的继电器已经停产，核电厂无法采购。解决备件不足有两个方法，从核级供应商定制继电器，或者从市场上采购非核级继电器进行适用性确认(Commercial Grade Dedication，CGD)。不论采用什么方法，都需要对继电器执行安全功能所必需的关键特性进行识别，定制或采购的产品，需满足关键特性的要求。

当前用于指导继电器关键特性分析的标准和规范较少，在具体实践中，系统供应商或核电厂的差异较大，有些仅从原继电器的技术规格书中选定关键特性，有些未全面分析极端条件下对继电器的要求，因此造成关键特性识别不完整、不准确或者过多的情况。关键特性不完整或不准确将给核电厂安全运行带来隐患，关键特性过多则增加选型难度和验证成本。本文提出了一套依托生命周期模型分析继电器关键特性的方法：对于运行阶段，根据系统状态机、影响条件，识别继电器的关键特性；安装、运输、储存、调试、维护阶段，根据各阶段目的和要求、限制条件，识别继电器的关键特性。该方法能够解决工程实践中继电器关键特性识别的问题，保证关键特性的完整性、准确性，为继电器选型提供有效技术指导。

2 关键特性分析方法

继电器执行安全功能所必需的特性是关键特性。继电器是系统的组成部件，继电器安全功能来源于系统安全功能。系统安全功能指停堆、专设驱动等工艺功能，工艺功能分解为仪控系统的采集、运算、输出功能。设备的功能是建立在物理实体之上的，关键特性可分为物理特性、性能特性。物理特性是对设备物理属性的描述，例如结构、材料、形状、尺寸、接口、型号、版本等。性能特性是对设备在设计环境下执行预期功能、以及应达到的性能的描述。环境包括温度、湿度，功能可看着函数表达式，可以有多个输入和输出变量，性能是一些量化指标，包括精度、响应时间、容量、可靠性。物理特性是性能特性的物理基础。关键特性还包括研制过程特性。研制过程特性是设备在设计、生产制造过程中的质量保证和过程控制属性，按照同一过程特性生产的不同批次的产品，它们的物理特性和性能特性是一致的。数字化设备的研制过程特性还包括与软件研制生存周期过程有关的特性，例如软件验证与确认、配置管理、危害分析。本文仅讨论物理特性和性能特性。

继电器的关键特性存在于系统生命周期的各阶段：

1)安装、运输、储存、调试、维护阶段：根据各阶段目的和要求、限制条件，识别继电器关键特性。限制条件与具体应用有关，例如安装方式(安装的集密程度、水平/垂直安装、固定方式)、运输方式(海运/汽运)、储存方式(露天/室内)、调试方法(是否需要强置或观察继电器输出状态)、维护方法(状态观察、在线更换)。

2)运行阶段：根据系统状态机、影响条件，识别继电器关键特性。系统在状态机的各种状态下分配给继电器安全功能是不相同的。影响条件包括环境、接口、电源，分析各影响条件对不同状态下安全功能的影响，并确定关键特性。

图1 设备在运行阶段的状态机

关键特性分析的重点是如何确定运行阶段继电器的安全功能。继电器安全功能来源于系统安全功能。系统安全功能并不仅仅指系统上电后正常运行时所执行的功能，也包括系统在启动、失电、故障时必需输出的状态。依照状态机模型对运行阶段的安全功能进行分析。系统状态机模型见图1。一般情况下，继电器安全功能只是继电器全部功能的一部分，例如继电器具有通、断两种功能，安全功能只是其中的一种。

关键特性分析的难点是影响条件对安全功能的影响分析。影响继电器功能的外部条件众多，分为电源、环境、接口。分析方法如下：

1)电源影响分析。包括供电电源(含连接导线)失效模式对继电器的影响分析，以及继电器失效模式对供电电源的影响分析。分析应达到的目的：供电电源在设计范围内波动时，应不影响继电器功能；供电电源丧失后进入失电态，失电时继电器的输出应满足系统失电态的要求；继电器故障时应不影响供电电源对其他设备的供电。

2)环境影响分析。环境分为正常环境、极限环境、电磁环境、事故环境。正常环境和极限环境指的是自然环境(温度、湿度、振动、灰尘、盐雾)；电磁环境对设备的电磁兼容性做出了要求；对于安装在安全壳外的仪控设备，地震是唯一的事故环境。环境对性能有直接影响，例如精度、响应时间、可靠性。继电器一般安装在机柜盘台内部，应考虑机柜盘台内部发热、通风、结构等对性能的影响。分析应达到的目的：明确继电器运行阶段的各种环境要求，以及这些环境下性能可接受的程度。在相关国际、国家和行业标准中，已经规定了环境影响的基本要求，例如K3类核级设备鉴定标准中极限条件下、事故和事故后环境条件下的要求。

3)接口影响分析。接口包括输入设备、输出设备、连接介质，如图2所示。接口分析包括两部分：接口方异常时对继电器的影响，继电器异常时对接口方的影响。接口异常包括接口失效模式和接口瞬态特性两类，瞬态特性是指随时间快速变化的物理或电气特性，例如感性负载通/断瞬间的浪涌电流和反向电动势特性。接口失效包括人因失误、接口设备失效、连接介质失效。分析应达到的目的：不论是接口方对继电器的影响，还是继电器对接口方的影响，都不应造成对安全功能的影响，都不应造成设备永久性的损坏。接口分析后所采取的措施，有些在设备之外实现，有些由设备本身实现。例如对反向电动势的抑制，由继电器本身实现(安装吸收反向电动势的齐纳二极管)，对短路的防范，由空开或保险(而不是继电器本身)实现。常见的一些接口失效模式如下：

√ 人因失误：例如在键盘上输入错误的数据、误击鼠标、误按下按钮、将字符“O”看着数字“0”。有些继电器带有对触点导通或断开状态进行人工强置的装置，应避免误触误碰。

√ 接口设备失效：例如输入信号超出量程范围、导线或通讯线断线/短路、键盘按键不能弹起、触屏上某个触点故障、屏幕沾污、指示灯不亮、执行机构拒动/误动。继电器的接口设备为线圈输入侧和触点输出侧的设备，输出侧的负载特性和失效模式是需要重点分析的内容。

√ 连接介质失效：例如硬接线、通讯线的断线、短路。输入设备的连接介质失效，可等效到输入设备的失效模式上，例如信号超量程、通信应答超时。

图2 设备外部接口模型

3 继电器关键特性

下面以单稳态电磁继电器为例，说明关键特性的分析方法。单稳态电磁继电器是核电厂用量最大的继电器，主要由电磁铁和机械触点组成，封装方式包括密闭和非密闭两种。

1)安装阶段

安装工程师将继电器在机柜盘台内固定。安装阶段的限制条件、以及与此有关的关键特性如表1所示：

表1 继电器安装阶段的关键特性

2)运输和储存阶段

继电器或安装了继电器的机柜从工厂运输到目的地，并储存。运输和储存阶段的限制条件，以及关键特性如表2所示。一些限制条件可以通过其他方式满足，并不一定要求产品达到限制条件所要求的质量。例如储存环境湿度超出产品本身的技术指标，可通过防潮包装解决该问题。

表2 继电器运输和储存阶段的关键特性

3)调试阶段

调试工程师对继电器及相关回路的功能进行调试。调试阶段的调试要求、以及与此有关的关键特性如表3所示。

表3 继电器调试阶段的关键特性

4)运行阶段

继电器完成信号通/断功能。通过继电器触点的串/并关系，完成复杂的控制逻辑，完成小信号驱动大功率设备的驱动功能，如图3所示。该原理广泛应用于反应堆保护系统、应急柴油机控制系统中。本文以图3的J1继电器为例，分析其关键特性。

图3 继电器控制回路原理图

J1继电器的安全功能和关键特性如表4所示。

表4 继电器运行阶段的关键特性

J1继电器影响条件分析：

√ 电源影响分析：继电器并不需要电源供电。

√ 环境影响分析：如表5所示。

√ 接口分析：J1继电器的输入接口一般是其他继电器的触点，输入连接介质为硬接线。输入接口失效模式表现为触点抖动、触点粘连、触点接触电阻大。连接介质的失效模式表现为断路、短路、虚接。由于这些失效模式的发生概率小，一般采用定期试验的方式检测和识别。连接介质短路可能造成供电电源因短路而故障，因此在输入供电回路中增加空开以防范短路造成的危害。继电器输入线圈的失效模式为匝间短路、线圈断线，匝间短路的后果是导致电源因过载而故障，输入回路触点因电流过载而影响寿命，因此在输入供电回路中增加空开或熔断器以防范持续过载造成的危害。线圈断线不会造成接口设备故障。另外，线圈为储能元件，当输入回路(24/48V直流信号)断开时，线圈产生的反向电动势可高达1000V(瞬态特性)，为防止反向电动势对输入回路的影响，需增加对反向电动势进行吸收的措施，例如采用二极管、或者压敏电阻进行吸收。J1继电器的输出接口为另一个继电器的线圈。其分析过程和结果类似于输入接口。分析结果如表6所示。

表5 继电器环境影响条件下的关键特性

表6 继电器接口影响条件下的关键特性

5)维护阶段

对继电器功能和性能进行检查、对故障继电器进行诊断和更换。在提高维护效率、减少维护活动给系统正常运行介入的风险、增加维护功能而投入的成本等方面需进行综合评价，最终确定适当的维护功能，以及关键特性。表7是一个例子。

表7 继电器维护阶段的关键特性

4 结束语

为解决核级继电器供应商匮乏、备件不足的问题，不论是采用定制核级继电器，或者从市场上采购非核级继电器进行适用性确认的方法，都需要对继电器执行安全功能所必需的关键特性进行识别，以定制或采购相应的产品。本文描述了从生命周期各阶段识别继电器关键特性的方法。该方法能够保证关键特性的完整性、准确性，为继电器的定制或选型提供有效技术指导。该方法也可作为其他仪控设备关键特性识别的参考。