袁冬英， 尚 恒

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240)

随着温室效应及大气污染的日趋严重，各国都在积极发展清洁能源。核能作为一种清洁、高效的能源，至今已有几十年的发展历程，而保证核安全是核能发展和利用的前提。在核电设备国产化进程中，设备鉴定是质量证明的关键环节，是保障核电站安全运行的必要技术手段。

仪表和控制系统是核电站的中枢神经，为核电站的稳定运行和各类工况处理提供安全保障，其设备可靠性尤为重要。核电站中的仪控设备根据其用途和功能可划分为安全级(1E级)和非安全级(NC级)两大类。1E级仪控设备是指发生事故时和事故后会影响到核电站核安全的设备，这些设备主要包括用于反应堆紧急停堆、安全壳隔离、堆芯应急冷却及其他主要用于防止放射性物质向环境过量释放的系统设备等。1E级以外的用于保障核电站正常运行的其他仪控设备属于NC级。笔者就CAP系列核电站1E级仪控设备鉴定方法进行探讨，旨在为同行核级仪控系统的设备鉴定提供参考。

1 适用标准

目前，我国核电设备鉴定主要遵循法国RCC-E、欧洲IEC和美国IEEE标准体系。在鉴定方法方面，RCC-E—2005 《压水堆核电厂核岛电气设备设计和建造规则》主要针对试验法，IEEE 323—2003 《核电厂1E级设备的质量鉴定》和IEC 60780—1998 《核电站安全系统的电气设备质量鉴定》均将设备鉴定方法分为型式试验法、分析法和运行经验法。IEEE 323—2003将环境条件分为和缓环境和严酷环境，RCC-E—2005将环境条件分为正常环境和事故环境，而IEC 60780—1998则未对环境条件进行区分。IEEE 323—2003、IEC 60780—1998和RCC-E—2005对鉴定试验项目类型的规定没有明显区别。RCC-E—2005及其配套规范在我国各压水堆核电站设备鉴定中已得到了广泛应用。欧洲主要以IEC 60780—1998作为核电站1E级电气设备质量鉴定的通用标准，RCC-E—2005 B卷也认可IEC 60780—1998中的相关要求。我国已将IEC 60780—1998转换成我国电气设备鉴定的主体标准GB/T 12727—2002 《核电厂安全级系统电气设备质量鉴定》，该标准是目前我国电气设备鉴定的顶层标准，而EJ/T 1197—2007 《核电厂安全级电气设备质量鉴定试验方法与环境条件》作为GB/T 12727—2002的配套标准，较详细地给出了环境试验相关要求。IEEE 323—2003具有先进的鉴定理论，是美国核电行业普遍遵守的1E级电气设备环境鉴定标准，我国CAP系列是在消化吸收美国AP1000的基础上，通过再创新形成的具有自主知识产权的核电堆型。因此，我国CAP系列核电站仪控设备鉴定以IEEE 323—2003作为主体标准。

CAP系列核电站安全相关电气设备的鉴定主要由三部分组成：环境鉴定、抗震鉴定和电磁兼容(EMC)鉴定，一般采用型式试验法、分析法或两者相结合的方法进行。试验或试验与补充分析相结合的方法是在1E级电气设备环境和抗震鉴定时优先选用的方法。

2 试验项目

2.1 老化机理评估

核电站设备运行环境一般可以分为和缓环境和严酷环境，不同环境设备的鉴定要求不同。对于核电站1E级控制机柜类设备，其大多数安装在具有通风和空调的和缓环境中，在这种环境下，安全停堆地震(SSE)是需要考虑的设计基准事件。根据IEEE 323—2003，位于和缓环境中且没有显著老化机理的设备不需要确定其鉴定寿命，不必进行抗震试验前的加速热老化试验[1]。美国电力研究所(EPRI)对大量老化与未老化的电气部件进行振动试验比对[2-3]，结果表明核电站1E级控制机柜类设备用的许多仪控系统设备如电容器、板卡、电子报警器、断路器、开关等，热老化所产生的劣化不会明显影响其在地震环境中的性能。因此，仪控系统设备不存在明显热老化机理，在地震试验前不必进行加速热老化试验[4]。

两个设备上不同参考地间的电位差或者远距离设备连接电缆上的电位差会产生电磁干扰/射频干扰。操作员接触控制面板、机壳或机柜时会产生静电放电干扰。对讲机、手机、广播、电台和雷达站会产生电磁场辐射干扰。交流供电容易受到闪电和各种开关瞬态产生的浪涌干扰，因此，需要考虑进行EMC试验。

在核电站和缓环境下运行的设备，其40～60 a累计辐照剂量(包括正常和事故辐照)非常低，如AP1000/CAP1400在60 a内累积辐照剂量不高于10 Gy，辐照为非明显老化机理，可不考虑辐照老化。

机械老化对仪控系统设备(如微型断路器、开关和继电器等)寿命的影响主要源于机械疲劳和磨损。由于机械疲劳和磨损效应对部件承受地震的能力的影响是无法预见的，除非已有试验数据证明，仪控系统设备在经受合格寿期内规定的操作次数并无明显性能下降(即无明显老化机理)，否则应在规定条件下进行规定次数的机械老化试验。

仪控设备还需要考虑正常环境条件、异常环境条件、运输存储环境条件，以及设备在运行环境条件下所承受的地震以外的振动累积效应对其性能劣化的影响。

2.2 鉴定试验序列

根据以上对核电站仪控设备显著老化机理的分析以及IEEE 323—2003中对设备鉴定要求的规定，得出位于和缓环境中的1E级仪控设备鉴定试验项目及试验序列(见表1)，设备鉴定应按此顺序在同一试验样机上进行。在鉴定试验前，需要进行基准功能试验，以验证设备是否能在正常环境条件下运行并达到设计规格书所要求的全部性能要求。EMC试验、环境试验、振动试验和抗震试验根据具体要求还需要进行试验过程中和试验后的功能试验。

表1 鉴定试验序列

根据IEEE 323—2003，EMC试验可结合鉴定试验执行时的实际执行情况调整到抗震试验之后执行。

3 试验方法

3.1 基准功能试验

根据设备类型和所需要执行的安全功能，在实施鉴定试验前需测定设备的基准功能特性，用以确定设备在正常环境条件下运行并达到设计要求所规定的全部性能和各项特性参数，并作为设备在后续各鉴定试验中功能试验比对、判断的基准。主要包括外观和结构检查、基本电气性能试验和特定功能特性测试等。

3.2 EMC试验

根据美国核管会发布的RG1.180—2003 《安全级仪表和控制系统电磁和射频干扰评估导则》，安全有关设备的EMC鉴定包括发射试验和抗扰度试验，其目的是验证设备对所在环境产生的电磁干扰满足标准要求，同时对所在环境存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度能力。EMC鉴定一般按照下列顺序[5]执行：

(1) 发射试验。

(2) 破坏性小的抗扰度试验。

(3) 破坏性大的抗扰度试验。

EMC试验参考MIL-STD-461E—1999 《子系统和设备的电磁干扰特性的控制要求》[6]和IEC 61000-4系列标准。具体试验方法和条件见表2，发射试验的试验发射值应低于发射限值。

表2 EMC试验方法和条件

抗扰度试验根据系统功能重要性不同，性能判据分为A、B、C三个等级。等级A为在试验过程中和试验后，设备能按预定要求工作；等级B为在试验后，设备能按预定要求工作；等级C为允许设备暂时的功能丧失，但要求设备能够自己恢复功能或可以通过控制来恢复功能。

3.3 机械老化试验

微型断路器、手动操作开关等仪控设备应根据IEEE 649—2006 《核电厂1E级电动机控制中心质量鉴定》的要求，对其进行与运行老化机理相对应的操作循环试验，以验证其在设计寿命末期仍能保持相应的安全功能。设备运行老化次数应根据标准增加相应的裕量。

3.4 环境试验

环境试验用以考核设备在寿期内存储、正常环境条件、异常环境条件的耐受能力。环境试验参数的选择可参照标准EJ/T 1197—2007执行，考虑满足三代核电应用需求，应增加TR-107330—1996 《核电厂安全相关应用的商用PLC通用需求规格》中的温湿综合环境试验，针对含有板卡的电子设备，需要进行长期运行试验。具体的环境试验方法及条件见表3。

表3 环境试验方法和条件

在进行交变湿热试验时设备一般不通电，此时设备表面有结露，易造成仪控系统设备损坏，其他试验项目可根据需要决定是否通电。进行低温试验、温湿综合环境试验时也应避免设备结露影响。

3.5 振动试验

振动试验用于模拟设备在运行环境条件下所承受的地震以外的振动累积效应对其性能劣化的影响。振动试验方法参考GB/T 2423.10—2008 《电工电子产品环境试验 第 2部分：试验方法 试验Fc：振动(正弦)》。

振动试验采用连续正弦波信号在三个正交轴方向分别进行单轴振动激励试验，按照1 min扫描1倍频程的速率在10～150 Hz进行扫频耐久性试验，交越频率为57 Hz。低于交越频率的位移幅值为0.075 mm，高于交越频率的加速度幅值为1g(g为重力加速度)，循环扫频次数为10次。

3.6 抗震试验

抗震试验是为了验证设备在设计基准地震事件期间及之后，能够保持其结构完整性并能执行其安全功能。抗震试验在独立的三轴试验台进行，采用同步随机、多频率加速度的时程输入。

根据IEEE 344—2004 《核电站1E级设备防震鉴定的推荐实施规范》要求，抗震试验应包括 5 次运行基准地震(OBE)试验和至少 1 次SSE试验，试验前还需要进行共振频率搜索试验。试验按下列顺序及方法进行：

(1) 共振频率搜索试验。

共振频率搜索试验可通过正弦扫频或随机扫频两种方式进行：正弦扫频的频率为1～100 Hz，采用三个正交轴线分别进行，应控制振幅不小于0.2g(峰值)，1 min扫描2倍频程；随机扫频的频率为1～100 Hz，随机搜索的振幅至少为0.3g，试验至少持续180 s。

(2) 低水平地震试验。

根据IEEE 344—2004要求，低水平地震试验相关的低循环疲劳效应可能在SSE之前出现，使用5次可接受的重复50%的SSE试验作为OBE的输入等级进行试验。

(3) SSE试验。

设备进行至少1次SSE的输入等级试验。试验要求响应谱按照设备在核电站所在的厂房楼面谱进行，并考虑10%的裕量。

4 结语

随着仪控系统向着数字化和集成化方向发展，并在我国新建核电站中广泛应用，使得1E级仪控设备的质量鉴定有了更高的要求。通过对CAP系列核电站仪控设备运行环境及显著老化机理分析，结合国内外法规及相关标准规范，得出CAP系列核电站1E级仪控设备的鉴定方法，并对EMC试验、环境试验、振动试验和抗震试验等试验常用方法标准及试验参数给出了具体建议，为三代核电仪控设备的国产化及设备鉴定提供质量保障。