三代非能动核电站1E级直流配电设备鉴定试验要求及抗震试验研究.docx

三代非能动核电站1E级直流配电设备鉴定试验要求及抗震试验研究摘要：以三代非能动核电站1E级直流及UPS系统（IDS）中的1E级直流配电设备为例，根据其运行环境条件、安全功能，阐述了安装在和缓环境下安全级直流系统设备的鉴定试验程序要求，分析了1E级直流配电设备存在的显著老化机理，并结合抗震试验要求，提出1E级直流配电设备样机结构设计要点。关键词：IDS；1E级直流配电设备；老化机理；抗震试验Qualification and Design Point of Class 1E Switchboard of CAP Nuclear Power Plant(1.Shanghai Power Equipment Research Institute,Shanghai,200240，China）Abstract：According to operating environmental condition and safety function of Class 1E Switchboard which used in the Class 1E Direct Current System (IDS) in Active Nuclear plant, whether there was obvious aging factor in 1E Switchboard was discussed. And according to the seismic of qualification, some design point of class 1E switchboard was put forward.Key words：IDS; 1E Switchboard; Aging factor; Seismic0引言由于三代非能动核电站采用了最高标准的安全设计，所以对核电设备的设计和鉴定也提出了更高的要求。例如，三代非能动核电的抗震试验将地震反应谱的上限频率扩展到了100Hz，且零周期加速度ZPA水平最大值达到1.74g g为重力加速度，垂直最大达到1.63g，这些要求远高于目前二代改进型机组抗震鉴定的要求1。核电站1E级直流配电设备为电厂仪表、控制、调试需要的安全相关设备和电厂停堆所需的其他功能供电，向主控室的提供正常和紧急照明用电。本文针对三代非能动核电站，梳理了1E级直流配电设备的鉴定试验要求，详细分析了1E级直流配电设备具有的显著老化机理，并阐述了抗震试验的试验要求及方法。1三代非能动核电站设备鉴定要求三代非能动核电站设备鉴定包括三个方面：环境鉴定、抗震鉴定和电磁兼容（EMC）鉴定。根据设备类别、安全分类、抗震等级、环境条件、功能要求、实际的鉴定试验序列都是对这三方面鉴定的具体展开，并按照最严苛准则组合。1E级直流配电设备安装于核辅助厂房，安装使用环境种类属和缓环境，地震是设备可能经受的唯一设计基准事件（DBE）。对于和缓环境下的设备，典型的鉴定试验序列如下：1) 接收检查。2) 设备组装（如适用）。3) 老炼试验（至少50h）（如适用）。4) 基准功能试验。5) EMC试验（如适用）6) 功能试验7) 正常和异常极限工况试验（如适用）8) 功能试验9) 磨损试验（运行循环）（如适用）10) 功能试验11) 共振频率探查（如适用）12) 振动老化试验（如适用）13) 功能试验14) 运行基准地震（OBE）抗震试验15) 功能试验16) 安全停堆地震（SSE）抗震试验17) 功能试验18) 硬岩高频（HRHF）抗震试验（如适用）19) 功能试验20) 抗震试验后共振频率探查（如适用）21) 试验后检查。三代非能动核电站使用的技术遵循美国核管会（NRC）监管规则及其认可的工业标准，总体上，核电设备鉴定是基于IEEE323-2003（适用于电气设备）及其子标准。根据IEEE323-2003的规定，当用试验方法对安装在和缓环境中的设备进行地震鉴定时，如果器件或部件存在显著老化机理，要对其进行地震试验前的预老化。所以对于安全级电气设备而言，确定设备的显著老化机理是关键。21E级直流配电设备显著老化机理分析1E级直流配电设备是由不同材料、设计和不同功能的器件和部件构成，因此，对每一种器件和部件，必须根据其材料、设计、工作环境条件及运行方式进行评定，以便鉴别可能妨碍该设备、器件或部件执行其所要求的安全功能的显著老化机理。根据目前三代非能动核电站设备鉴定方法要求，对1E级直流配电设备而言，潜在的老化机理有：辐照、 温度、运行（操作循环）、振动。由于地震是和缓环境中设备可能经受的唯一设计基准事件（DBE），而且一般保守地假设地震发生在设备的寿命末期，因此确认设备的老化与其抗震性能之间的关系，即设备老化与地震之间的相关性是非常重要的，它是判断设备是否具有显著老化机理的重要依据。2.1辐照老化三代非能动核电站1E级直流配电系统安装在核电站辅助厂房内，该区域60年累计辐照剂量（包括正常和事故剂量10Gys TID，安装场所的辐照剂量极低，因此辐照不是明显的老化因素。2.2温度老化根据三代非能动核电站设备鉴定方法要求，安装于和缓环境的设备通常不会受到显著的热老化影响，抗震试验可用未经热老化的试件进行2。且美国电力研究所的报告EPRI NP-33263和EPRI NP-50244给出的结论即对于核电站所用的许多型式的电气设备来说，由于热老化所产生的劣化不会明显地影响设备在地震事件期间和之后执行其功能的能力。因此，1E直流配电设备不具有显著热老化机理。2.3运行（操作循环）老化在安全级的直流开关柜使用中，进行操作循环的元器件主要是负荷开关、保护继电器、操作按钮等。这些器件由于通断操作循环导致机械疲劳而造成的相关失效模式，这种疲劳和磨损对元件承受地震能力的影响无法预见，在例行检查中也较难发现。另一方面根据设备鉴定方法要求指出，如果能提供已有的经验数据证明设备的循环能力远远超过1E级设备服务期间的循环次数，则可以不做模拟。但鉴于在设备使用期限内主要元器件操作次数在技术规范书中尚无明确要求，无法将元器件的操作次数与其额定操作次数相对比。所以，运行（操作循环）老化是安全级直流开关柜的显著老化机理，对相关元器件按鉴定寿命目标进行运行循环操作，试验要求和方法主要依据IEEE649核电站1E级电动机控制中心质量鉴定要求的相关规定执行。2.4振动老化1E级直流配电设备的安装场所及周围，不存在诱发长期机械振动的设备，不存在由于机械振动而使设备出现机械疲劳现象。设备在运输和安装过程中产生机械振动是不可避免的，但其产生疲劳效应较小，可通过设备投运前的检查予以消除，因此机械振动不是明显的老化因素。综上所述，对于安装于和缓环境的1E级直流配电设备而言，显著的老化机理即为运行操作老化。图1 加速运行老化试验流程图3 抗震试验要求和柜体设计要点3.1抗震试验总体要求地震应力的累积效应是对老化后样机的刚度、强度等机械性能、验证样机和机柜设计加工最严酷的考验，也是决定样机寿命的关键。1E级直流配电设备的抗震试验的主要目的是：1）考核样机在地震过程中及之后的结构完整性；2）系统及部件安全功能完整性；3）获得地震过程中典型功能单元或部件安装位置的加速度响应谱。对于刚性安装方式（安装于楼板、墙壁和结构）的设备进行三轴或双轴的多频RRS试验。本试验采用三轴地震模拟试验。三代非能动核电站RRS SSE试验要求频率范围为1100Hz，持续时间30s，其中强震部分至少20s（大于IEEE344标准要求的15s）。RRS SSE试验时，地震台三个正交方向同时产生相互独立的人工模拟地震波，它们之间的相干函数小于0.5或者相关系数的绝对值小于0.3。考虑到在用户安装场所设备安装时X和Y方向的不确定性，X和Y方向的试验反应谱应分别同时包络设备安装处的X和Y方向的楼板反应谱（RRS）。且试验反应谱线应包络目前CAP1000、CAP1400的楼面要求反应谱（RRS）。根据设计方提供的楼板反应谱，用计算机生成人工模拟地震加速度时程作为输入信号在设备三个正交轴向完成5次0.84SSE，1次SSE和1次1.67SSE地震试验，地震阻尼比取5%。试验期间设备施加额定电压，轻载运行，主要考核电气的连续性。为了获得分别在开关柜与安装基础的连接处；在样机的重心、最高、最低处以及跟设备安全功能相关的关键部件或器件上安装加速度传感器。图2为加速度传感器测点布置示意图。图2 加速度传感器测点布置示意图在RRS SSE试验期间，对具有电操作执行机构要求执行操作，在强震期间（试验开始8s后，18s前）完成一次分闸操作和一次合闸操作。同时，试验过程中监测样机的运行电压，用采样频率为512Hz的监测回路对设备中各断路器、接触器、隔离开关、保护继电器（例如低电压继电器、绝缘监测仪）的常开、常闭触点分别按测试线路接入极端及信号采集通道，监测地震试验过程中状态。图5是1.67SSE试验时柜内框架断路器的辅助触点的通道监测结果。图3 设备内某框架断路器的辅助触点通道监测结果图4为1.67SSE地震试验中三向的人工加速度模拟时程。图4 1.67SSE试验中三方向人工加速度模拟时程图5为1.67SSE地震试验中X方向台面加速度响应谱包络情况。从图中可看出台面较好的模拟了设计的加速度时程。但是三代非能动核电的RRS低频部分的加速度反应大，所以地震波的位移加速度和振幅较大，有时会出现低频部分无法包络的情况。对直流配电设备而言，样机的刚度较好，5Hz以下没有共振点。对于试验设备在低于5Hz时没有表现出共振现象，包络要求反应谱RRS只要到3.5Hz频率为止。但激励必须在1到3.5Hz范围内，继续维持在试验设备所能达到的水平。图5 1.67SSE 试验X向台面加速度反应谱包络情况从试验结果看，样品经抗震试验考核后，结构没有裂痕，螺钉、螺母没有松动、脱落，也无任何损伤及变形。设备的电压、电流和各开关信号工作正常，状态切换无误。3.2机柜设计要点对安装于和缓环境的1E级直流配电设备，设备的电气功能试验较容易通过，而抗震试验相对容易出现问题。所以样机的结构设计应对以下几点特别重视。1 柜体的主框架的应具有一定的机械强度，应采用高强度的型材。2 机柜的底座的连接非常重要，必须有足够的连接刚度，地脚螺栓需要足够的直径。避免在结构的放大作用下，机柜的上部产生较大的形变。从而也减弱了振动对内部元器件的影响，使得继电器类的触点状态不发生抖动。3 柜体的门板抗震性能较差，门板应采用足够的厚度。门板若安装质量集中的元器件/部件，应增加水平或垂直方向的加强筋。采用有多点固定的门锁，防止柜门在试验过程中震开后脱落。6 总结本文通过对三代非能动核电站安全级电气设备鉴定的标准要求以1E级直流配电设备的鉴定试验程序为例，对安装于和缓环境的1E级直流设备的显著老化机理进行分析，并对鉴定试验中的抗震试验要去及方法进行了详细阐述，最后提出了几点关于柜体结构设计建议。1 AP1000设备鉴定要求及国内现有试验能力，谢永诚2 U.S.Nuclear Regulatory CommissionAP1000 safety-related electrical and mechanical equipment EB/OL. 2011-06-21. http:/ pbadupws.nrc./gov/docs/ML11171A500.html.3 EPRI NP-3326-1983