韩雪华 陈 晨 胡振华

（中广核核电运营有限公司）

0 引言

对于《民用核安全设备目录》监管范围内的核安全相关设备，制造厂会按照国家法规建立核质保体系，按此体系进行设计、制造和鉴定，并向国家核安全局申请核级设备设计和制造许可证。但对于成套设备内部的元器件，由于未纳入监管范围之内，鲜有制造厂会投入高昂的成本为零部件建立核质保体系并对零部件单独进行核级鉴定和一致性维持。于是，当核级设备中与核安全相关的零部件停产后，通常很难找到现成的核级替代产品。美国通过建立完善的商品级物项核级应用的适用性验证体系，解决了大量核级备件淘汰问题。本文将以某核电厂安全级断路器的商品化探索为例，从我国的实际情况，总结商品级低压断路器核级应用的适用性验证过程和方法，为后续其他核级备件的供应保障提供借鉴。

1 商品级断路器核级应用的适用性验证过程综述

商品级物项，即不是按核质量保证大纲为核设施专门设计和制造，而是按制造厂产品样本中规定的技术条件从制造厂或供货商处采购的物项。商品级物项核级应用的适用性确认，是针对未按核质保大纲设计、制造和鉴定的商品级物项，通过科学的技术手段，验证其满足核级性能要求，并确保所需性能在后续采购中持续一致，实现与安全级设备等效化的过程，简称“商品化”。

本文所述商品级断路器核级应用的适用性确认过程，从商运核电站解决淘汰品的角度分为确定商品级物项、制定适用性验证方案、实施鉴定试验和备件采购阶段的一致性维持等几个阶段，其中验证方法采用试验法，主要考虑到这种方法证据直观，易被接受。

2 确定商品级对象

作为商品级断路器核级应用的适用性研究过程中的一环，确定商品级对象的工作过程包括备件选型并编制采购技术规范、采购并接收物项、实施标准验收活动、标准验收结果形成文件。这个阶段的目标如下：

1）确保替代物项在性能和安装上与现场设计要求匹配。同一种原始断路器，选择A／B／C三个知名名牌的微型断路器和塑壳断路器，使研究对象达到一定基数，同时提高筛选出合格产品的成功率；

2）形成恰当的技术和质量需求文件，为采购和验收提供依据；

3）实施必要的验收活动，确保产品符合厂家宣称的常规工业所需的商品级性能，为下一步核级应用适用性评价提供合格的评价对象；

4）将标准验收结果整理成文件，标识所采购断路器的属性（如型号、生产批次号、产地工作、原始销售订单号和图纸编号等），为后期备件采购阶段的一致性维持提供原型基础部件的可追溯性。

3 商品级断路器核级应用的适用性验证

3.1 适用性验证方案制定

制定过程分为如下几个步骤来完成：确定断路器关键特性、验证标准、验证方法。最后形成商品化检证试验大纲（类似于通常所说的设备鉴定大纲）。

3.1.1 识别断路器需要验证的关键特性

确定关键特性的首要目的是确定断路器为执行预定安全功能提供合理保证所必需的特性，即关键特性必须直接与断路器执行其安全功能的能力相关。一旦某特性确定为关键特性，该特性必须进行验证。

断路器的物理特性（尺寸、安装方式等）已经在“确定商品级对象”阶段的标准验收活动中进行了确认，这里重在识别断路器的功能及功能相关的性能，采取的步骤如下：

1）确定断路器的安全功能：事故工况下，为下游核安全相关负载提供工作电源；在下游负载回路发生严重过载和短路的情况下切断负载回路，避免故障范围扩大。

2）识别断路器有能力执行其安全功能必须拥有的特性：低压断路器（不带远程控制）需保持执行正常功能所需的完整性和绝缘性能；保持稳定的脱扣特性以及时应对下游负载故障。而这些性能要在断路器经历现场环境下长期运行后、以及地震发生后仍然得以保持。

3.1.2 验证试验大纲编制过程中的关键问题研究

关于老化试验的必要性。根据IEEE323标准的有关规定，断路器的热老化寿命鉴定是不必要的，也无需进行抗震试验前的热老化，但是为了避免由于设备老化造成的共因故障，还是对其进行了老化评价，提供了不同材料和元件的老化数据，给出了基于阿伦纽斯原理得出的鉴定寿命，结果显示塑壳断路器和微型断路器的热老化寿命超过了40年，也就是他们所采用的有机材料并未体现出重大的热老化机制。

对断路器的机械操作、电气操作老化被列入了本研究项目的试验大纲中，对于机械寿命和电气寿命试验，按照GB14048.2标准要求应进行10000次闭合开断操作循环试验（EDF要求进行10000＋3000次），经过试验后断路器触头存在一定程度老化，在进行极限短路分断试验时，增大了试验失败的风险。参考现有电站低压配电盘鉴定过程中对断路器分断能力试验的经验，建议降低试验操作循环次数。由于断路器为可更换部件，可根据现场实际操作频率，对断路器进行预期次数的操作试验，并在相关文件中规定相当于试验操作次数的使用寿期。

由于设备所处位置不存在辐照影响，因此不考虑辐照老化。

3.1.3 验证试验大纲编制

试验内容参考了多项核电站1E级低压配电盘鉴定实例，以及低压配电盘鉴定中对断路器的要求，最终目的是验证试验项目内容和验收准则能覆盖断路器执行安全功能所需的全部关键特性。验证试验方法遵循IEC／GB标准。大纲的试验内容如下：标识检查、介电试验、绝缘电阻的验证、过载条件下的性能试验（脱扣极限和特性试验）、操作试验、短路分断能力试验、地震试验、地震后的性能试验等。

3.2 适用性验证方案的执行与循环改进

考虑到本研究项目属于首次商品级物项的核级应用鉴定，为确保项目的成功，分两步：首先进行一次摸底鉴定，目的是初步验证方案的可行性，并根据鉴定情况进行优化。最后再进行正式的鉴定，并组织行业内专家评审试验大纲和鉴定结果。

3.2.1 摸底鉴定

试验大纲编制完成后，委托国家级第三方专业试验机构进行试验。根据摸底试验结果，相同型号断路器，无一组通过所有试验。热脱扣试验失败率最高（87.5%），磁脱扣试验次之（62.5%）。鉴定结果问题分析与改进如下。

问题一：在短路和地震试验前存在一定比例的热脱扣和磁脱扣不合格。

分析：

1）双金属片是不容易校准的器件，目前各厂家均表示其常规产品只抽样（比例小）进行试验，次品率相对较高；

2）常规产品，磁脱扣也是抽样进行，存在一定的次品率；

3）部分厂家产品只能从其代理采购，质量控制存在困难。

后续措施：加强采购质量保证。

1）编制采购技术规范，明确采购要求；

2）样品只限于国内有生产工厂的知名品牌，以便进行质量控制；

3）要求厂家提供新生产断路器，且为同一批次；

4）要求厂家对所有断路器进行出厂测试。

问题二：额定／极限短路电流Ics／Icu试验对断路器损伤最大。

分析：短路分断能力试验不再按断路器本身最大短路分断电流试验，而是按系统最大短路电流进行试验，其中380V系统母排短路电流为25kA，125V／48V直流系统为10kA。这样既能满足现场使用要求，又考察了断路器分断能力。同时选择高分断能力断路器，使断路器相对系统短路电流具有足够的安全裕度，使断路器通过试验的概率提高。

问题三：试验显示抗震试验对断路器影响很小。项目组质疑抗震试验位于短路试验之后进行是否降低了严酷程度。

分析：根据IEEE638—1992标准，明确指出抗震试验和短路试验没有相关性，即既可先做短路试验又可先做抗震试验。考虑到地震事故后随之发生短路的概率较高，且通常在未发生地震的情况下发生严重短路故障后断路器可进行更换，理论上极限短路后断路器经受地震的概率较低，故后续将地震试验安排在短路分断能力试验前进行。

问题四：断路器在Icu分断试验后脱扣特性失去准确性。

分析：理论上认为断路器经过Icu短路后将不能再次分断极限短路电流，因此极限短路后断路器功能不再完备，应进行更换。根据GB14048.2标准，对该试验后断路器进行过载脱扣验证试验，因此不再进行脱扣极限性能试验。

3.2.2 完善验证方案重新验证

按照摸底鉴定试验的经验反馈与分析，修改完善试验大纲，并组织核电行业内专家（包括NNSA）对试验大纲进行评审。试验顺序如图所示。

图 调整后的验证试验顺序

正式鉴定结果数据显示，A品牌塑壳断路器规格鉴定通过率75%，A品牌微型断路器规格鉴定通过率100%；B品牌塑壳断路器规格鉴定通过率100%；C品牌微型断路器规格鉴定通过率25%。鉴定成果获得了“商品级低压断路器应用于压水堆核电站的1E级鉴定”专家评审会认可。

4 正式备件采购阶段的一致性维持

主要包括如下工作：

1）按照“确定商品级对象”阶段形成的标识文件进行采购，确保新采购的备件与适用性确认阶段所采购样品的设计、材料和工艺完全一致，必要时赴厂家进行品控调查；如果发生变更，须重新进行核级应用的适用性验证。

2）制造阶段加强检测：每台断路器都应100%进行过载脱扣和磁脱扣试验。

3）一致性确认（证明）：由厂家单独验证并出具证明文件，保证到货一致性。

4）到货验收：执行常规标准的验收活动。特别需说明的是，如果厂家不能提供100%进行过载脱扣和磁脱扣试验，运营电厂应委托第三方试验机构完成。

5 结术语

此次商品级断路器核级应用的适用性研究项目中的两个规格的断路器，已经在某核电厂核级配电盘上顺利更换使用，各项性能测试符合预期结果，实现了运营电厂通过商品化解决核级备件的供应问题。