核电厂停堆断路器的设备鉴定
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中广核工程有限公司的研究人员俞纪维，在2017年第2期《电气技术》杂志上撰文指出，停堆断路器是核电厂反应堆停堆开关装置的核心部件，也是反应堆保护系统停堆功能的最终执行机构，其安全可靠性，对于核电厂的安全运行十分重要。
本文从有关停堆断路器设备鉴定的一般方法出发，结合国内的实际情况，对停堆断路器设备鉴定相关标准的理解和方法的运用提出一些探讨。
目前国内在停堆断路器设备鉴定方面的标准尚不完备，从而在一定程度上影响了我国停堆断路器研制的进度和水平，也给购买方增加了困难。
国内制造商对此设备制订的鉴定大纲往往是在综合美国和法国的相关标准及业主方的采购要求，借鉴国外制造商的经验来完成的。
本文从停堆断路器设备鉴定的一般方法出发，结合国内的实际情况，对停堆断路器鉴定相关标准的理解和方法的运用提出一些探讨。
1 设备简介
停堆断路器又名RTB，为“REACTOR TRIP BREAKER”缩写，其外形结构如图1所示，也是一种低压成套设备（开关柜），因此也称为停堆断路器（RTB）柜（盘）。
图1 停堆断路器
停堆断路器为1E级设备，质保等级为Q1，其基本原理如图2所示，功能是：在反应堆及其辅助系统中发生威胁反应堆安全运行的事故时，切断所有给控制棒驱动机构的供电电源。
图2 停堆断路器基本原理
停堆断路器由两列盘柜组成，分别为RPA001TB和RPB001TB；每列盘柜各包含4台框架断路器，每台开关采用断电脱扣（欠压脱扣器）的方式，并外加通电脱扣器（分闸线圈），且不配置热磁保护装置；对于每列盘柜，按照厂房房间的空间布置，既可以双面布置，也可以单面布置。
停堆断路器的主要技术参数如下：电源260VAC，50Hz，3Phase+N+PE；母线额定载流量1000A；短路耐受强度20kA/1s；防护等级IP41。
2 设备鉴定的含义
从广义上讲，设备鉴定即确保设备一经要求就能投入运行且满足系统性能要求的证据的产生与维持（包括“再鉴定”，即在电厂正常运行期间验证、维持设备与系统的性能）。
而通常厂家在做设备鉴定时仅需考虑确保设备一经要求就能投入运行且满足系统性能要求的证据的产生（指在试验室中进行的验证设备有能力完成安全功能的试验行为，即从狭义层面完成设备鉴定工作）。
3 设备鉴定的策划
设备鉴定是一个持续性的过程，始于核电厂的设计，直至设备的服役寿期终结。
对于停堆断路器的设备鉴定，首先需要确定鉴定设备（即RTB样机选择）和确定鉴定功能与环境条件。RTB试验样机选择2台低压开关柜，包括1台框架断路器单柜和1台进线空柜，如图3所示。
图3 停堆断路器试验样柜
鉴定功能与环境条件的确定通过以下三部分鉴定程序验证来完成：1）在正常环境条件下，通过标准鉴定程序验证；2）在地震负荷条件下，通过抗震鉴定程序验证；3）抗内部故障电弧能力的验证。
在验证阶段，停堆断路器的设备鉴定通常由一系列试验和/或分析组成。按法国RCC系列标准，停堆断路器须按K3质量鉴定程序来鉴定。K3质量鉴定程序用来验证安装在安全壳外的设备在正常环境和地震载荷下以及设备某些项目规定的事故工况下能完成其指定的功能。
4 设备鉴定的实施过程
停堆断路器的设备鉴定，按K3类设备的鉴定程序，分以下四个阶段进行：第一阶段，程序准备和基准试验；第二阶段，型式试验和相关试验的分析；第三阶段，地震试验；第四阶段，内部燃弧试验。
4.1 程序准备和基准试验
程序准备及标识文件的准备，包括：设备结构和分类说明、功能特性介绍、投运和运行说明、标记、试验的一般介绍、鉴定试验大纲等。基准试验即设备初始试验，指为准备设备鉴定而进行的性能检测，包括：标识检查、功能特性试验、介电强度试验和绝缘电阻测量。
4.2 型式试验和相关试验的分析
型式试验和相关试验的分析主要包括：外壳防护等级的验证、温升的验证、机械操作的验证、短路耐受强度的验证、接地回路有效性验证、电气间隙和爬电距离的验证、欠压和分闸时停堆断路器动作时间的测量，以及电磁兼容（EMC）性能的分析、阻燃性能的验证、老化性能分析与验证。
其中停堆断路器外壳防护等级的验证、机械操作的验证、短路耐受强度的验证、接地回路有效性验证、电气间隙和爬电距离的验证的试验要求、方法及验收准则，与低压成套开关设备的型式试验无明显区别。
因此，下文着重阐述温升的验证、欠压和分闸时停堆断路器动作时间的测量，以及对EMC、阻燃、老化性能进行分析，从中体现对停堆断路器设备鉴定相关标准的理解和方法的运用。
1）温升的验证
按GB7251.1（等同于IEC60439-1）的规定，温升试验的方法为：进线回路通以额定电流，每条出线回路通过的电流为其额定电流乘以额定分散系数。试验时使用的外接导体的尺寸和布置方式也应载入试验报告。
试验持续的时间应足以使温度上升到稳定值（一般不超过8h）。实际上，当温度变化不超过1K/h时，即认为达到稳定温度。
环境温度应在试验周期的最后四分之一期间内测量，至少要用两个热电偶或温度计均匀地布置在RTB柜的周围，在高度约等于RTB柜的二分之一，并离开RTB柜1m远的地方安装。另外，应防止空气流动和热辐射对温度计和热电偶的影响。
试验结束时的温升应不超过GB7251.1表2中规定的数值。电器元件在RTB柜内部温度下，并在其规定的电压极限范围内应良好地工作。
2）欠压和分闸时停堆断路器动作时间的测量
停堆断路器动作时间指测量RTB框架断路器的欠压脱扣器从检测到失压信号（门限值为16.8V-33.6V）和/或分闸线圈检测到分闸信号开始，到RTB框架断路器（隔离开关）主触头完全打开（电弧完全熄灭）的时间，要求这个时间值不大于150ms。试验电路参数：电流117A（有效值），时间常数97ms+2%。用示波器从施加欠压/分闸信号开始计时，记录到主触头完全打开止的时间。
3）电磁兼容（EMC）性能的分析
按GB7251.1中7.10.1有关EMC环境的定义，应用于核电厂核岛电气厂房的停堆断路器（RTB）柜所处的环境属于环境2：与低压非公共电网或工业电网有关。
RTB柜作为成套设备只是一次性生产和组装，按GB7251.1中7.10.2规定，如果满足下面两项条件，则不要求在最终的RTB柜上进行EMC抗干扰或辐射试验：
（1）按GB7251.1中7.10.1中规定的环境进行设计的组合器件和元件符合相关的产品标准或通用的EMC标准；
（2）按照元器件制造商的说明书进行内部安装及接线，其互相影响，已在电缆屏蔽和接地等方面有过考虑和安排。
RTB柜所选用的框架断路器本身符合其产品标准，且额定电流为50Hz低频，柜中又无电子设备（断路器不含过电流保护脱扣器）或数字元器件，因此不存在EMC方面的影响。
RTB柜生产时，严格按照各元器件制造商说明书进行连线，按GB7251.1中7.8规定，从电缆屏蔽、接地等方面降低电磁干扰和相互影响。
通过以上分析可见，停堆断路器（RTB）柜满足EMC性能的要求，不需进行EMC的试验。
4）阻燃性能的验证
聚合材料的阻燃性能和灼热丝的点燃温度按照工业标准（尤其是IEC60439-1，IEC60947-1及IEC60947-3标准）的要求进行评估。
5）老化性能分析与验证
根据IEEE std 323-2003，老化主要有热老化、操作老化和辐射老化。安装在安全壳外的1E级设备不受辐射影响，因此只需考虑热老化和操作老化。对于RTB所选用的框架断路器，本身已经过CCC认证，其机械寿命和电气寿命远远大于实际使用次数要求，因此，在寿命周期内，可以不用考虑操作老化的影响。
热老化主要与环境温度和元器件本身发热有关。停堆断路器（RTB）柜长期运行环境温度为0~40℃，由于主开关与主母线的实际运行电流约为额定电流的一半左右，因此主开关与主母线的绝缘支撑件在实际运行中没有重大的老化机理。由于没有重大的老化机理出现，按照IEEE Std323-2003中6.2.1节规定，不需要进行老化试验。
同时，停堆断路器（RTB）柜聚合材料绝缘件和开关壳体等聚合材料已通过模拟加速老化试验验证，寿命可达40年，可见其材料老化性能分析报告。
对于长期处于通电状态的欠压脱扣器需要进行老化寿命分析及验证。对线圈而言，其寿命主要取决于温升。方法是在额定控制电压48VDC下持续通电至线圈温升不再变化，即达到平衡，来测量线圈的温升。
4.3 地震试验
1）关键件影响量极限值的验证
对关键元器件，按照RCC-E D2000规定先分析在影响量极限值公称值范围内在极限条件下设备的功能特性，除分析外，还应进行试验验证，该试验在地震试验的试验前和试验后进行。
根据技术规格书描述，RTB的关键件影响量主要是温度和电压。RTB在工作/运输储存温度完全能满足技术规格书要求，因此，仅对控制电压的极限值进行验证。
根据RCC-E D2330，对110VDC系统，电压范围为88V-121V，48VDC系统电压范围要求为39V-53V。结合停堆断路器技术规格书的要求，对110VDC系统中的分闸线圈检测范围为77V-121V；对48VDC系统中的框架断路器欠电压脱扣器，其动作门限值范围为16.8V-33.6V。
2）地震试验
通过地震试验，测定停堆断路器（RTB）柜的自振频率，考核RTB柜的刚度、强度，验证RTB柜在地震作用时和作用后能否正常工作，保持其完整性，以履行其相关的安全功能。
具体试验内容如下：（1）测试RTB柜的自振频率和阻尼比；（2）对RTB柜进行5次运行基准地震（OBE）考核试验；（3）对RTB柜进行1次安全停堆地震（SSE）考核试验。
地震试验时主回路不受电，控制回路受电。试验布置5个加速度测点，每个测点均含X、Y、Z三个方向。在地震试验前、试验后，对RTB柜进行性能测试。在抗震试验中，对RTB柜的工作性能进行监测。
试验方法和步骤如下：
（1）自振频率和阻尼比的测定
采用频率范围为0.5～50Hz 的白噪声随机波分别在X、Y、Z 三个轴向进行激励，输入加速度为0.2g。通过白噪声试验测定RTB柜的自振频率和阻尼比。
（2）抗震考核试验
地震试验样机模拟运行时可能经受与其安装楼板上相同地震条件（适用核电厂电气及连接厂房（LX-WX-DA）+0.00m层的楼层反应谱，阻尼比ξ=0.05）进行试验，先进行5次运行基准地震（OBE），然后进行1次安全停堆地震（SSE），OBE反应谱的幅值等于SSE反应谱的一半。
OBE 和SSE 考核试验人工地震波互为独立，X、Y、Z 三方向的相关系数小于0.3。
试验在最不利的“包络线试验谱”或人工合成的“包络线试验谱”下进行，并考虑10%的裕度，以保证试验时的人工地震波的反应谱TRS包络要求的反应谱RRS，以便最大限度地使“包络线试验谱”能够适用国内更多的核电厂。
在OBE与SSE地震试验期间需要对一次回路和二次回路进行如下监测和试验：通过二次控制回路控制断路器的分断和闭合；监视断路器主触头、辅助触头的常闭和常开触点的状态。
SSE地震试验后需要首先进行外观、机械结构检查，柜体不得有裂缝，螺钉螺母不得有松动、脱落，支架不得有松动、变形等不正常现象，机械操作元件、连锁、锁扣等部件的功能保持完好，开关柜的各功能单元在运行、试验、隔离等位置的操作灵活。
经检查符合要求，再进行性能测试，开关柜的各功能单元能够正常运行、关合、开断及实现各种保护设计功能，并且各项性能要求符合要求。同时，还需经过电气与机械功能试验、介电试验、绝缘电阻试验的再次验证。
4.4 内部燃弧试验
内部燃弧试验目的在于考核停堆断路器（RTB）柜耐受内部故障电弧的能力，以评估短路条件下故障电弧是否对人身造成伤害或其他破坏的程度。内部燃弧试验是破坏性试验（如图4所示），要在经过地震试验后的2台RTB试验样机上进行。
图4 内部燃弧试验
1）试验要求
试验应遵循GB/Z18859（IEC/TR361641）的相关要求。预期短路电流为20kA（峰值40kA）；试验电压为400V（380V+5%）；试验持续时间为0.3s；要做2个点的燃弧试验，第一个点在电缆进线柜的水平母排上，第二个点在开关的进线排上。
2）试验方法
电弧应在不接地的相间引燃，用一个裸铜引燃线以最短距离与临近导体连接，而且连到三相上。铜引燃线的规格为0.75mm2。如果试验电流受限流保护器件影响，引燃线应根据该器件的允通电流从GB/Z18859(IEC/TR361641)的表1选择。
引燃点应进行选择，使其生成的电弧效应在停堆断路器柜内产生最大压力。
引燃导线仅应连接到可接近的裸导体上。当引燃线连接时，导体上的绝缘盖板或套管不应被损坏、移去或穿孔。所有导体都被绝缘的任何隔室不需要试验。
注：电弧不能用穿过固体绝缘材料的方法引燃。
3）验收准则
按照GB/Z18859（IEC/TR361641）的条款5规定的5个准则进行判定，也即符合下述5个要求，则认为试验通过。
（1）门、盖板等处于正确的使用状态，没有被打开；（2）没有可能引起危险的设备部件飞落（这些部件包括大的部件或有锋锐边缘的部件，如：用金属或塑料制成的观察窗、盖板等）；（3）电弧的燃烧或其他效应在成套设备外壳可自由触及的外表上没有造成孔洞；（4）垂直放置的指示器没有被点燃；（5）外壳的可接近部件的等电位连接仍然有效。
5 结论
回顾上述停堆断路器的设备鉴定过程内容，可得出以下结论：
1）确保设备一经要求就能投入运行且满足系统性能要求的证据的产生与维持，是设备鉴定的最广泛内涵。
2）确保设备一经要求就能投入运行且满足系统性能要求的证据的产生，及通过一系列试验和/或分析这一综合方法，完成鉴定程序验证工作，是设备鉴定最普遍做法。
3）样机的选择，鉴定功能与环境条件的分析、确定（包括试验项目的选择、试验细节内容的斟酌及有关试验顺序的安排等），直接考验鉴定工作的最终成效，体现对设备鉴定相关标准的理解程度和方法运用的熟练程度。
4）RTB停堆断路器按K3质量鉴定程序来鉴定，对设备鉴定相关标准的理解和方法的运用这一有益实践，对核电厂其他1E级电气设备质量鉴定有重要借鉴指导意义。