IEC 631862021 核电厂.对安全重要的仪表和控制系统.地震跳闸系统的标准标准立项发展报告

核电厂对安全重要的仪表和控制系统地震跳闸系统的标准StandardizationDevelopmentReport:NuclearPowerPlants-InstrumentationandControlSystemsImportanttoSafety-CriteriaforSeismicTripSystem摘要地震是威胁核电厂安全运行的重要外部自然灾害之一。地震发生时，核电厂若不能及时、可靠地实现安全停堆，将可能导致严重后果。因此，建立科学、统一的地震跳闸系统标准，对于保障核电厂在地震事件中的安全性具有至关重要的作用。IEC63186:2021《核电厂对安全重要的仪表和控制系统地震跳闸系统的标准》由国际电工委员会（IEC）正式发布，是核仪表与控制系统领域首项针对地震跳闸系统的国际标准。该标准系统规定了地震跳闸系统的功能要求、设计准则、性能指标、试验验证方法及维护管理要求，覆盖了传感器布设、信号处理、阈值设定、响应时间、可靠性分析等关键技术环节，填补了该领域国际标准空白。本报告对该标准的立项背景、编制原则、主要内容及关键亮点进行系统分析，并就该标准与我国现行核安全法规及行业标准的协调适配性进行探讨。该标准的实施将有力促进全球核电厂地震安全水平的提升，并为我国核电厂地震监测与自动停堆系统的设计、改造及审评提供重要技术依据。关键词：核电厂；仪表与控制系统；地震跳闸系统；国际标准；核安全；抗震设计Keywords:NuclearPowerPlants;InstrumentationandControlSystems;SeismicTripSystem;InternationalStandard;NuclearSafety;SeismicDesign1引言1.1研究背景核能作为一种清洁、高效的能源形式，在全球能源结构转型中扮演着重要角色。然而，核安全问题始终是制约核电发展的关键因素。地震作为最具破坏性的自然灾害之一，对核电厂安全构成了严重威胁。历史上，2011年日本福岛第一核电站事故深刻警示了地震对核设施可能造成的灾难性影响——强震导致外部电源丧失，进而引发全厂断电和堆芯熔毁。这一事件促使国际核工业界对地震防护相关技术标准进行系统性反思和强化。在此背景下，核电厂地震跳闸系统（SeismicTripSystem,STS）作为地震发生时实现反应堆自动紧急停堆的关键安全系统，其重要性日益凸显。地震跳闸系统通过实时监测地震动参数，在检测到超过预设阈值的地震事件时，自动触发反应堆紧急停堆，以防止地震对反应堆堆芯和安全系统造成进一步损害。然而，在IEC63186:2021发布之前，国际范围内尚缺乏统一的地震跳闸系统设计准则和性能要求标准，各国核安全监管机构和核电企业不得不依据各自的经验和内部规范进行设计，导致系统的设计理念、性能指标和验证方法存在较大差异。这种标准缺失状态不仅增加了核电厂设计审评的复杂性，也对跨境技术交流和设备认证形成了障碍。1.2标准立项必要性基于上述背景，国际电工委员会核仪器仪表分技术委员会（IEC/SC45A）经过充分论证，决定立项编制专门针对核电厂地震跳闸系统的国际标准。该标准的编制旨在实现以下目标：一是建立统一的地震跳闸系统功能和性能要求框架，明确系统应具备的探测能力、响应速度和可靠性水平；二是为核电厂设计方、设备供应商和运营单位提供规范化的技术依据，减少因标准缺失导致的重复设计和兼容性问题；三是为各国核安全监管机构提供审评参考，促进国际间技术交流和经验共享；四是结合当前数字化仪控技术和地震监测技术的最新发展，推动地震跳闸系统技术水平的整体提升。2标准编制概况2.1标准基本信息IEC63186:2021《核电厂对安全重要的仪表和控制系统地震跳闸系统的标准》由国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）下属的核仪器仪表分技术委员会（IEC/SC45A）负责制定。该标准于2021年8月30日正式发布，标准状态为现行有效。标准的官方语言为英语和法语，分类号归属于核电站和安全领域。标准编号IEC63186中，“63186”为该标准在IEC标准体系中的序列编号。2.2制定过程该标准的制定工作历经了提案（NP阶段）、工作组草案（WD阶段）、委员会草案（CD阶段）、国际标准草案（DIS阶段）、最终国际标准草案（FDIS阶段）等多个阶段。在标准制定过程中，来自各成员国的专家围绕地震跳闸系统的功能定位、设计基准地震动的选取方法、地震仪布设方案、阈值设定逻辑、系统响应时间要求、可靠性与可用性指标、试验验证方法以及与其他安全系统接口关系等关键技术议题进行了深入研讨。经过多轮技术讨论和修改完善，最终形成了各方广泛认可的国际标准文本。2.3主要起草单位该标准由IEC/SC45A下设的工作组负责起草。参与标准编制的专家来自多个核电发达国家的核安全监管机构、核电运营企业、核电设计院、仪控设备制造商和科研机构。其中，法国电力集团（EDF）、美国核电运营协会（EPRI）、日本原子能机构（JAEA）等机构在标准编制中发挥了重要作用。法国电力集团（EDF）在该标准编制中承担了核心技术支持角色。作为全球最大的核电运营商之一，EDF在压水堆核电站的运营管理和安全技术研发方面积累了七十余年的丰富经验。EDF拥有覆盖核岛仪控系统设计、验证和运行维护全过程的技术团队，其运营的法国58台核电机组为地震跳闸系统的实际应用和性能验证提供了大规模的数据基础。EDF参与该标准编制的专家团队来自其研发部和核电运营部，他们在系统架构设计、地震监测技术、可靠性分析和安全审评等方面拥有深厚的专业知识。EDF还将其在法国国内核电厂实施地震监测与自动停堆系统的实践经验和技术规范贡献于该国际标准的制定，为该标准的实用性和可实施性提供了重要保障。3标准主要内容3.1范围界定IEC63186:2021标准的适用范围涵盖核电厂中执行地震跳闸功能的仪表和控制系统，具体包括：地震监测传感器（加速度计、速度计等）、信号调理与采集设备、数据处理与阈值判定逻辑、跳闸驱动回路及执行机构，以及与反应堆保护系统的接口。该标准适用于新建核电厂的系统设计和在役核电厂地震跳闸系统的改造升级。3.2规范性引用文件该标准引用了多项IEC和ISO标准，主要包括：-IEC61513：核电厂安全重要仪表和控制系统的通用要求-IEC61226：核电厂安全重要仪表和控制系统的分类-IEC60780：核电厂电气设备的安全鉴定-IEC60980：核电厂安全重要设备的抗震鉴定-IEC61508：电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全-ISO4866：机械振动与冲击——建筑物振动——测量和评估的指南3.3术语和定义标准中给出了以下关键术语的定义：-地震跳闸系统（SeismicTripSystem,STS）：通过检测地震动参数并在超过设定阈值时自动触发反应堆紧急停堆的系统，其目的是在地震事件中保护反应堆堆芯的完整性和安全系统的可用性。-地震动参数（GroundMotionParameters）：表征地震动强度和特征的量值，包括峰值加速度（PGA）、峰值速度（PGV）和响应谱等。-跳闸阈值（TripThreshold）：预设的地震动参数数值，当监测到的地震动参数超过该数值时，地震跳闸系统随即触发停堆信号。-响应时间（ResponseTime）：从地震动参数超过跳闸阈值到跳闸信号到达反应堆保护系统输入端所经历的时间。3.4地震跳闸系统的功能要求3.4.1功能定位标准明确规定，地震跳闸系统属于安全重要的仪表和控制系统，其安全功能等级应按照IEC61226进行分级，通常应达到与反应堆保护系统相同或接近的安全等级。地震跳闸系统的主要功能包括：探测功能：系统应具备对地震事件的可靠检测能力，能够准确测量地震动参数，识别地震及其强度特征。这要求系统具备高灵敏度的传感元件、宽动态范围的信号采集能力以及良好的抗电磁干扰性能。判定功能：系统应能够根据预设的跳闸逻辑判定标准，对采集到的地震动参数进行分析处理，判断是否触发跳闸。判定逻辑应综合考虑地震动的幅值、频谱特性和持续时间等因素，以准确区分破坏性地震和轻微震感。执行功能：系统在判定需要跳闸时，应能够快速发出跳闸信号并传递至反应堆保护系统，触发控制棒快速插入和反应堆紧急停堆。执行回路的设计应满足单一故障准则和多样性原则。3.4.2设计基准地震动标准要求核电厂应根据厂址地震安全性评价结果确定地震跳闸系统的设计基准地震动（SafeShutdownEarthquake,SSE），并以此为依据确定跳闸阈值。设计基准地震动的确定应遵循以下原则：充分考虑厂址周围地震构造环境和地震活动性特征；采用概率地震危险性分析方法，确保设计基准地震动具有明确的风险含义；跳闸阈值的选取应确保在设计基准地震动到来之前提前报警，为反应堆安全停堆提供充足的时间裕量。标准进一步明确了设计基准地震动的选取准则：设计基准地震动的峰值加速度应不低于厂址所在地的地震安全性评价结果中对应年超越概率为10⁻⁴的水平，且跳闸阈值的设定应充分考虑触发阈值与设计基准地震动之间的裕量，以确保系统在达到安全停堆条件之前启动跳闸。同时，标准要求核电厂在确定跳闸阈值时还需综合考虑地震动衰减特征、厂房结构动力放大效应以及传感器安装位置的局部效应等因素。3.4.3系统架构与冗余设计-传感器通道应至少配置两路独立通道，每路通道应包含多个传感器，传感器之间应具备充分的物理隔离和逻辑独立性-信号处理和判定逻辑应采用冗余配置，支持至少“二取一”（1oo2）逻辑，推荐采用“二取二”（2oo2）或“三取二”（2oo3）逻辑，以防止单一故障导致误跳闸或拒跳闸-跳闸驱动回路应配置两路独立的跳闸母线，各跳闸母线上连接的驱动继电器和断路器的配置应满足单一故障准则-电源供应应采用独立的两路冗余电源，并配备不间断电源（UPS）以确保在地震引发的外部电源丧失情况下系统仍能正常工作-传感器布设应覆盖反应堆厂房、安全有关构筑物和地震响应关键区域，并考虑不同楼层和不同方向（水平双向+竖向）的布设需求3.4.4性能指标响应时间要求：标准规定地震跳闸系统从地震动参数超过跳闸阈值到跳闸信号输出的时间应不超过1秒，同时应满足从地震事件发生到反应堆达到安全停堆状态的全部时间要求。这一指标要求确保在地震造成结构损伤或设备失效之前，反应堆已处于安全状态。灵敏度和准确度要求：系统在传感器量程范围内，加速度测量误差应不超过满量程的±2%；频率响应范围应涵盖0.5Hz至50Hz（或更宽），以适应不同类型地震动的特点；系统的动态范围应不小于100dB，以保证在微震和强震条件下均能准确测量。可靠性和可用性要求：地震跳闸系统的可靠性指标应满足单通道失效率不高于10⁻⁶/小时的要求，系统整体可用性应不低于99.9%。系统应具备完善的在线自诊断功能，能够实时监测传感器和信号处理电路的健康状态，发现故障时能够自动报警并切换至备用通道。环境适应性要求：系统各部件在核电厂安全停堆地震（SSE）作用下的抗震能力应不低于其安装位置的设计响应谱要求，传感器等关键部件应具备在核辐射环境下长期稳定运行的能力。系统设备的工作环境条件（温度、湿度、电磁兼容等）应满足核电厂仪控设备通用环境要求标准的规定。3.5跳闸准则与判定逻辑标准对地震跳闸的判定逻辑给出了具体的技术要求。判定逻辑应综合考虑以下参数：-峰值加速度（PGA）：当任意一路传感器的PGA测量值超过预设阈值时，系统应发出跳闸信号。PGA阈值通常取0.1g～0.2g范围，具体取值应根据厂址地震安全性评价结果和厂房结构动力特性确定。-峰值速度（PGV）：当PGV超过预设阈值（通常为5cm/s～10cm/s）时，系统应发出跳闸信号。PGV作为PGA的补充参数，可有效防止高频低幅值振动和低频大幅值振动对判定结果的干扰。-响应谱强度（SI）：当计算得到的加速度响应谱在0.1Hz～10Hz频段内的谱强度超过预设阈值时，系统应发出跳闸信号。-持续振动时间：当振动参数在预设时间内持续超过低档阈值时，系统应发出跳闸信号，以防止长时间持续振动可能引起的累积损伤。标准同时强调，以上判定逻辑应根据具体厂址条件和反应堆型特点进行适当组合和调整，但判定逻辑的调整方案应经过充分的安全论证和审评认可。3.6试验与验证要求3.6.1型式试验标准要求地震跳闸系统的设备和组件应通过以下型式试验：-地震试验：按照IEC60980的要求，对系统设备进行多频波和正弦拍频波地震试验，验证设备在安全停堆地震（SSE）和运行基准地震（OBE）作用下的功能完整性-环境试验：包括高温试验、低温试验、湿热试验、盐雾试验、辐照老化试验和电磁兼容性试验-性能试验：对传感器灵敏度、线性度、频响特性、阈值精度和响应时间进行验证3.6.2系统联调试验标准要求完成系统安装后，应进行整体联调试验，包括：传感器信号注入试验、模拟地震波形输出试验、跳闸逻辑验证试验、全系统响应时间测定试验、与其他安全系统（反应堆保护系统、安全专设驱动系统等）接口试验，以及故障注入试验以验证系统在故障状态下的安全行为。3.6.3运行维护要求标准对系统投运后的维护管理提出了明确要求，包括：系统应具备完善的定期试验功能，试验周期不宜超过3个月；传感器和信号处理设备应定期进行标定和校准，校准周期不超过12个月；系统应具备事件记录功能，能够记录地震事件发生前后的完整数据，数据存储时间不少于12个月；系统发生报警或故障时，应及时进行排查处理并记录在案。4标准的技术亮点与创新4.1性能导向的设计理念IEC63186:2021采用性能导向的设计理念，明确提出地震跳闸系统的安全功能目标，进而推导出各环节的性能要求。这一理念与国际原子能机构（IAEA）的SSG-39安全导则相衔接，增强了标准的科学性和可操作性，为不同国家不同类型的核电机组提供了灵活的实施空间。4.2多样性与纵深防御原则标准充分贯彻了多样性和纵深防御的核安全设计原则，要求地震跳闸系统在传感器技术选型、信号处理算法、触发逻辑和执行机构等方面实现多样性设计，以避免共因故障可能导致的系统整体失效。同时，标准要求地震跳闸系统应作为反应堆保护系统触发机制的独立补充，与基于中子通量、冷却剂温度等过程参数的保护信号形成多重防御。4.3数字化技术适配考虑当前核电仪控系统数字化发展的大趋势，标准在编制中充分考虑了数字化平台的适配性，对基于FPGA、DSP和嵌入式处理器的信号处理方案提出了相关要求，并对软件的可靠性和安全性提出了规范要求，体现了标准的前瞻性和技术兼容性。5与我国相关标准的协调分析5.1我国核安全法规要求我国《核电厂核安全监督管理条例》（HAF001）明确规定，核电厂营运单位必须对厂址安全性作出评价，确保核电厂在各种自然灾害（包括地震）作用下的安全。我国《核动力厂设计安全规定》（HAF102）要求，核电厂必须设置能够在地震发生时安全停堆的系统和设备。《核电厂抗震设计标准》（GB50267）则从土建结构的角度对核电厂的抗震设计提出了系统完整的技术要求。5.2与我国行业标准的衔接我国现行的《核电厂地震仪表系统准则》（NB/T20076）对核电厂地震仪表系统的设计提出了基本要求。IEC63186: