核电厂安全级低压成套开关设备抗震鉴定探讨

核电厂安全级低压成套开关设备抗震鉴定探讨
吴汉榕;陈炎亮
【摘要】结合压水堆核电厂安全级低压成套开关设备技术规格书要求和国产化经
验实践,详细介绍压水堆核电厂安全级低压成套开关设备的抗震鉴定方法.实践证明
该方法准确、有效.
【期刊名称】《贵州电力技术》
【年(卷),期】2016(019)004
【总页数】5页(P29-32,28)
【关键词】核电厂;开关设备;安全级;质量鉴定;抗震鉴定
【作者】吴汉榕;陈炎亮
【作者单位】广东正超电气有限公司,广东汕头515041;广东正超电气有限公司,广
东汕头515041
【正文语种】中文
【中图分类】TM56
核电厂是由大量的电气设备、机械设备和构筑物等物项构成，各物项在核电厂各自的系统中所承载的功能不同，且在各种工况下(如地震载荷)所执行的预期功能也不尽相同，根据核安全法规相关要求，需对核电厂各物项进行分级，如安全等级、抗震等级和质保等级等。

地震是最常见、危害最大的自然灾害，它可能导致核电厂各物项同时失效(即共因故障)，因此，需对在地震期间及之后执行其预期功能的物项进行抗震鉴定。

本文结合核电厂安全级低压成套开关设备相关技术规范和鉴定经验，
详述核电厂安全级低压成套开关设备(下简称：开关设备)的抗震鉴定。

开关设备的抗震鉴定应遵循GB/T 12727-2002和GB/T 13625-1992所规定的要求进行，结合开关设备的实际情况，选择合适的鉴定方法和鉴定顺序，以证明开关设备在地震期间和地震后能执行其预期功能。

开关设备抗震鉴定的常用方法有分析法、试验法、类比法。

根据开关设备具体情况，这些方法可以独立使用或组合使用。

采用分析法进行设备抗震鉴定，通常需要借助专用分析软件(如ANSYS、ABAQUS软件)，建立设备结构仿真模型，通过反应谱仿真计算，得出设备结构在地震载荷作用下的响应和应力情况，评估设备在地震载荷下的抗震性能。

该方法只用于分析开关设备机械结构在地震期间中的完整性和稳定性，无法分析地震期间电气元件的动作响应情况，因此，对于需要获取开关设备内各电气元件在地震期间的动作特性，该鉴定方法不适用。

如果开关设备的典型方案已经通过抗震鉴定，证明设备在规定的运行条件下，在地震期间和之后能执行其预期功能，在后续应用中，仅对开关设备的结构进行变更，则可以采用分析法对其抗震性能进行鉴定。

运用分析法进行设备抗震鉴定，鉴定时间短、费用少。

试验法是开关设备抗震鉴定的惯用方法。

一般情况下，开关设备的初次抗震鉴定采用试验法[1]。

采用试验法进行设备抗震鉴定，优点是能真实模拟开关设备的配置、安装、接口和运行条件，能保守地获得开关设备在地震期间的结构稳定性和电气元件的动作特性，但鉴定成本高，耗时长。

如待鉴定设备与经抗震鉴定合格的典型方案在结构和类型上相同或相似，元器件布置和配置上相同，则可以采用类比法进行鉴定。

通过对待鉴定设备的要求反应谱与经抗震鉴定合格设备的要求反应谱进行比较分析，如果抗震鉴定合格设备的要求反应谱包络待鉴定设备的要求反应谱，且待鉴定设备的结构刚性更好(固有频率更高)，则可以认为待鉴定设备的抗震性能符合要求。

运用类比法进行设备抗震鉴定，鉴定
时间最短、费用最少。

开关设备由多种有机材料组成，由于各有机材料所处的工作环境和自身运行方式等原因，可能产生妨碍设备执行其预期功能的老化。

导致开关设备有机材料产生老化的潜在因素有温度、辐照、操作循环、振动和湿度等，因此，必须分析各潜在老化因素是否明显影响开关设备执行其预期功能。

根据GB/T 13625-1992中6.3.3条规定，对于已确定存在某种老化机理可能明显地影响地震行为的那些部件，需要在抗震鉴定试验前进行老化处理[2]。

采用试验法对开关设备进行抗震鉴定时，必需根据待鉴定设备制作具有足够代表性的典型样机，模拟实际运行条件进行抗地震试验。

核电厂开关设备种类、方案多，且安装方式、结构形式和接口方式不尽相同。

采用试验法进行设备抗震鉴定，一般采用原型样机进行鉴定试验[3]，且应确保鉴定样
机具有足够的代表性，具体体现下列几个方面。

(1)功能代表性：鉴定样机的功能特性应具有待鉴定设备在地震期间和之后的所有
预期功能特性。

(2)结构代表性：鉴定样机的结构形式、类型、外形尺寸和安装方式等应与待鉴定
设备相同或相类似，在不改变样机的动态特性和抗震性能的前提下，可以对样机在结构上作适当的简化或采用代替件，但代替件的质量及其分布应与原件相类似。

样机布置应与待鉴定设备技术规格书的规定一致，如对布置没有规定，建议样机以最不利振动方位布置，即对震动最敏感的单元和质量最大的设备尽可能靠近顶部，以便为设备在电厂的实际安装提供最大的自由度[4]。

(3)元器件代表性：鉴定样机所配置的元器件至少应包含待鉴定设备的所有元器件。

为降低因元器件更新换代而导致开关设备重新抗震鉴定的风险，应尽量选择不同生产厂家元器件进行鉴定试验。

(4)接口和连接代表性：鉴定样机的安装方式应与预期的安装条件相同。

安装条件
包括安装方向，固定方式，地脚螺栓的大小、数量和紧固力矩等。

与鉴定样机连接的外部电缆、套管或连接器件通常需要可靠紧固，以避免对样机产生附加机械载荷，此外，在鉴定样机内部，如存在刚性或重量差别大的器部件之间的连接时(如变压器与柜顶母线之间的连接)，应采取必要的措施(采用软连接方式)，防止器部件在震动期间，由于摆动幅度不同而造成器部件损坏。

鉴定样机在试验台上安装，应模拟待鉴定设备的实际安装方式，一般分挂墙安装和落地安装。

对于挂墙安装的鉴定样机，应制作足够刚性的支架进行安装，避免安装支架对地震波产生过滤或放大作用，最好采用水泥模拟墙作为安装支架。

对于落地安装的鉴定样机，可先用螺栓栓接于支架上，再将支架安装于试验台上。

鉴定样机安装时，必须按规定的拧紧力矩进行安装紧固。

开关设备的抗震试验应按下列顺序进行：
(1)抗震试验前的老化处理；
(2)试验前的典型功能检查；
(3)振动响应探查，了解样机的危险频率；
(4)进行5次运行基准地震试验(OBE)和1次安全停堆地震试验(SSE)；
(5)试验后的最终功能检查。

如某些因素引起开关设备产生老化，并明显地影响其抗地震性能，则按下列方法进行老化处理：
通常，用阿伦纽斯关系式对开关设备有机材料进行人工加速热老化，通过确定开关设备的合格寿命、运行环境温度、加速老化温度及有机材料活化能，计算加速度老化时间，即：
式中：t1为设备合格寿命，h；t2为加速老化时间，h；T1为正常使用的环境温度，K；T2为加速老化温度，K；φ为有机材料活化能，eV；K为玻尔兹曼常数，0.8617×10-4eV/K。

另外，由于开关设备中由多种有机材料构成，如要准确获得每种材料的活化能数据，需要通过大量试验测得。

目前，开关设备的活化能业界普遍按保守值0.8eV[5]选取。

开关设备在其寿期内，如辐照累积剂量大于100 Gy[6]，应进行辐照老化。

试验条件：采用钴60γ作为辐照源(剂量率1 kGy/h±0.5 kGy/h)，试验过程设备不通电，并保持在70℃±3℃温度和至少每小时3倍换气率的环境下。

如果辐照源点源，对开关设备辐照不均匀，应定期变换开关设备的位置，力求有机材料所受到辐照的累积剂量相同。

元器件的典型操作循环按开关设备技术规格书要求进行，如技术规格书未规定，可参照表1进行试验。

试验方法按照GB/T 2423.10-2008的规定进行。

试验条件为：振动频率为10 Hz～500 Hz，在57 Hz(交越频率)及以下为等幅振动，振幅为38 μm；在57 Hz
以上为等加速度振动，其加速度为0.5 g，持续时间为10循环周期。

试验方法按照GB/T 2423.4-2008的规定执行。

试验条件：温度为55℃±2℃，相对湿度为93%±3%，试验周期为2个循环，试验过程设备不通电。

元器件应在正常和异常环境下达到开关设备技术规格书要求的功能特性，如技术规格书未作规定，可参照表2进行。

用峰值为(1～2)m/s2的正弦波振动信号在1 Hz～50 Hz～1 Hz的频率范围内、
以不超过2倍频程/min的速率进行对数扫描；或采用峰值为(1～2)m/s2的白噪
声随机波信号进行扫描，以探查开关设备的自振频率。

开关设备的地震试验一般采用加速度时程的双轴或三轴试验法，优先推荐采用三轴试验法。

试验时，每个加速度时程应符合下述规定[7]：
(1)强信号区段(最大值25%及以上)的最小持续时间为10 s；
(2)信号最小持续时间为30 s；
(3)信号应至少包含8个超过其最大值70%的峰值(正或负)；
(4)试验反应谱包络待鉴定设备的安装楼层反应谱，且X-Y方向相互包络；
(5)阻尼比按5%选取。

样机在抗震试验时，应对其典型部位(即可能对设备有明显影响的部件或变形较大的部位)的响应特性进行测量，并对监测点位置进行编号、拍照并记录于鉴定报告中，为今后开关设备的分析鉴定提供数据。

通常，采用加速度传感器测量各监测点的加速度峰值，加速度传感器测点至少包括：
(1)样机最高处；
(2)样机重心处；
(3)可能产生共振的大部件上；
(4)试验台台面。

另外，还需在样机地脚螺栓处布置力传感器，测量地震试验期间地脚螺栓所承载的应力，为开关设备地脚螺栓强度校验和基础预埋件设计计算提供数据。

样机在抗震试验期间，应验证以下项目：
(1)电路功能特性模拟：通过二次控制回路对断路器、接触器和继电器等电气元件进行模拟动作试验，以验证震动期间电路功能特性。

(2)电气元件触点监测：通过改变电气元件触点的断开和闭合状态，测量震动期间电气元件的触点抖动情况，以便分析触点的抖动是否对所在电路产生不利影响。

样机进行5次OBE和1次SSE试验后，应对其最终功能特性进行检查，主要包括[8]：
(1)样机外观检查；
(2)样机介电性能验证；
(3)样机保护电路完整性检查。

具体试验方法可以参照GB7251.1-2013规定。

鉴定试验期间，由于某些原因(如样机故障)，需对鉴定样机进行变更，应立即停止鉴定活动，编写不符合报告[9]，组织相关方进行评审，分析变更性质，以确定变更对设备鉴定是否产生影响。

如变更对鉴定试验没有产生影响，则鉴定试验可以继续进行；如变更对鉴定试验产生影响，则应针对变更所产生影响，采取补充部分鉴定或重新鉴定等措施，并将变更的合理性以及补充鉴定或重新鉴定的情况记录于鉴定报告中。

在开关设备的实际应用中，可能需要针对某些特定系统或特定应用条件进行设备修改，特别是对元器件的更换，应尽可能保证所更换的元器件与原件一致[10]，如果无法获得完全一致的替代件，必须分析使用替代件后对开关设备抗震性能的影响，必要时，补充相应的鉴定试验。

核电厂安全级低压成套开关设备方案多、功能各异，只有从设备的电气方案、元器件配置和结构形式等方面进行标准化、系列化设计，减少开关设备种类，并根据待鉴定设备的技术规格书要求，采用适宜的鉴定方法，并制定有效的鉴定计划，才能保证以最少费用，最短时间完成设备的抗震鉴定工作。