★北京广利核系统工程有限公司刘春明
关键词:核级设备;RPS;设备鉴定;型式试验法
核电厂仪控系统控制着整个核电厂的正常运行和各类工况处理过程,对保障核电厂安全、可靠、稳定、经济运行发挥着重要的作用,是核电厂运行的关键设备之一。按照核安全相关法律法规要求,在规定的运行条件和环境条件下,核电厂安全级仪控系统设备须满足设计要求,完成其预定的功能,达到相应的性能指标。核电厂安全级设备运行前必须要完成设备鉴定活动,以验证安全重要物项在其整个设计运行寿期内的环境条件下能够执行安全功能。
通过对设备鉴定相关标准的分析和鉴定对象的研究,本文提出了一种适合核电厂安全级仪控系统设备的型式试验鉴定方法,为核电厂安全级仪控系统设备鉴定提供了指导。
1 标准研究
国际上核电领域的标准基本已经成熟,一般比较通用的是IAEA与IEC两个系列。在国内使用的时候,通常将两个系统标准进行结合。法规IAEANS-R-1给出了核电厂的质量保证与安全设计总体要求。导则IAEA NS-G-1.1对核电厂安全重要仪控系统提出了要求。在IEC关于核电领域的一系列标准中,IEC61513在遵循国际原子能机构法规导则的基础上,提出了核电厂安全重要系统的仪器仪表和控制设备系统的一般要求;IEC60780作为质量领域的顶层标准,给出了质量鉴定的总体要求;IEC60068系列标准提出了环境试验的要求;IEC61000系列标准给出了电磁兼容试验的要求;IEC60980给出了抗震试验的要求。这些标准形成了一整套完善的国际通用核级设备鉴定标准体系,如图1所示。
图1 国外核级设备鉴定适用标准体系
我国核电发展起步较晚,借鉴美国、法国等核电技术先进国家的经验,经过数十年的摸索,在国际标准的基础上,结合自身经验总结,形成了一系列行业标准、国家标准。我国核电站设计制造的顶层法律法规是HAF和HAD,其中HAF102由IAEA NS-R-1转化而来,HAD102/10与HAD102/14由IAEA NS-G-1.1转化而来。作为我国核安全数字化仪控系统顶层标准,GB/T40444是由IEC61513转化而来。除此之外,还有GB/T 12727、GB/T 13625、GB/T 2423、GB/T 17626、GB/T 17799、NB/T 20040等质量鉴定相关的标准。
为便于对现质量鉴定相关标准的理解和使用,将现有标准分为:鉴定顶层标准、鉴定指导标准、鉴定执行标准。鉴定顶层标准规定设备鉴定的总体要求、一般过程和方法等,缺少详细的说明,只能作为总体纲领,执行起来存在一定困难;鉴定指导标准,针对某些鉴定试验科目进行详细说明,从中可以找到的试验等级及试验指标是具有一定的指导性的;鉴定执行标准,给出了某一项试验的具体步骤、试验指标,以及选取指标的建议,具有非常强的可执行性。
1.1 鉴定顶层标准
GB/T 12727由IEC60780转化而来,同时借鉴美国的IEEE323和RCC-EB卷要求,GB/T 12727与IEEE323及RCC-EB卷中规定鉴定试验内容及鉴定试验可以使用的方法基本一致。因此采用我国自己的GB/T 12727作为鉴定试验的鉴定顶层标准不会违背IEEE323及RCC-EB卷要求,故采用GB/T 12727-2002作为鉴定顶层标准,同时参考IEEE 323-2003及RCC-E 2005的相关要求。
1.2 鉴定指导标准
在环境试验方面,EJ/T 1197-2007《核安全级电气设备质量鉴定试验方法和环境条件》是依据RCC-E并结合我国在核电厂的设计建造过程中的经验总结而成。该标准明确指出,其作为GB/T 12727-2002的配套标准,与GB/T 12727-2002配套使用。
在EMC试验方面,国内核级设备设计制造过程中一般采用美国RG1.180中规定的全部试验项目,其对电磁兼容的要求比较严格。RG1.180指向了IEC61000系列标准,EMC试验按照IEC61000系列标准指导进行。
在抗震试验方面,我国GB 13625及HAF J0053分别由IEC60980及IEEE344转化而来,抗震试验可以根据这两个标准的指导进行。
1.3 鉴定执行标准
在环境试验方面,EJ/T 1197-2007不够详细,在细节方面,它指向了GB/T 2423系列。GB/T 2423系列给出了详细的参数和试验方法,因此环境试验可以参照该标准执行。
在EMC试验方面,GB/T 17626及GB/T 17799系列分别由IEC61000-4及IEC61000-6系列标准转化而来。这两个标准给出了EMC的详细参数和试验方法,因此EMC试验将参照这两个标准执行。
在抗震试验方面,GB 13625及HAF J0053已经相对比较详细,而且能源局行业标准NB/T 20040也给出了非常详细的抗震参数和试验方法,因此抗震试验可以参照GB13625、HAF J0053及NB/T 20040执行。
2 设备鉴定对象及试验项
2.1 设备鉴定对象
设备鉴定对象是核电厂安全级仪控系统设备,由于核电厂安全级仪控系统设备一般规模较大,型式试验可以不直接在整个系统设备上进行,选取典型功能及技术性能、典型配置的设备,搭建鉴定样机,开展鉴定试验。设备鉴定样机的选取应覆盖所有的设备类型,具备设备的典型功能、性能、系统架构,以及典型应用软件、典型应用硬件配置等。
2.2 试验项及顺序
根据GB/T 12727-2002《核电厂安全系统电气设备质量鉴定》5.4.2节对试验顺序的要求,鉴定试验应分为三组,其中第一组要求首先进行设备检查,然后进行正常环境条件下的特性检查和极限使用条件下的特性检查,包括供电电压和频率的极限、温度极限、传导和辐射的电力电磁干扰的影响试验;第二组要求验证设备的抗震性能;第三组要求验证设备在事故和事故后环境条件下的性能。核电厂安全级仪控系统设备属于K3类设备,不受事故和事故后环境条件的影响,故不进行第三组试验中要求的事故和事故后环境条件下的试验以及事故工况之前的模拟实际老化试验。
EJ/T 1197-2007中4.3节对K3类设备质量鉴定试验内容进行了规定。其中要求的试验对应于GB/T 12727-2002中5.4.2.1中第一组试验、5.4.2.3中第三组中a)评价性能随时间变化的老化试验,以及5.4.2.2中的第二组试验。EJ/T 1197-2007中6.1规定K3类质量鉴定程序一般包括环境条件的标准质量鉴定程序和地震试验程序。其中标准质量鉴定程序包括基准试验、正常运行环境条件下的极限值试验、机械强度试验和/或耐久性试验。
综合以上标准分析,鉴定试验包括基准试验、环境试验、EMC试验、抗震试验及最终检查在内的所有试验,并按照图2顺序执行。
基准试验主要包括正常环境下的电气安全、功能性能等试验,以产生基准数据,作为后面鉴定试验的原始依据。环境试验包括极限温度、湿度等极限环境条件下的试验。EMC试验包括ESD试验、EMI/RFI试验、浪涌抗扰度试验。抗震试验用于验证设备的抗震性能。
图2 鉴定试验顺序示意图
3 设备鉴定试验方法
3.1 基准试验
基准试验可在设备调试大厅进行,不受试验场地空间限制。基准试验对象是设备鉴定样机所有设备构成的整个系统,试验内容包括对鉴定样机的功能试验和性能试验。
3.2 环境试验
依据GB/T 12727-2002章节5.4.1.6要求,型式试验法进行设备鉴定时,可通过提高试验的严酷程度,确保设备具有足够的鉴定裕度。依据此两点要求给出最终需要模拟的环境条件,如表1所示。
在低温试验、高温试验、交变湿热试验、温度变化试验、机械振动试验前,对鉴定设备进行检测,记录相关数据,试验后鉴定设备通电监测其性能。试验后鉴定设备可以按照预定的功能运行,输入、输出、通信、诊断性能指标不下降。在温湿综合试验、长期运行试验过程中持续监视鉴定设备的功能、性能,试验后鉴定设备可以按照预定的功能运行,性能不降低。机械振动试验对象可以根据试验场地、试验仪器等客观条件对鉴定对象适当删减,试验时必须从完成环境试验机柜中抽取典型机箱和模块。
表1 环境试验表
3.3 EMC试验
EMC试验的主要目的是考察设备发射干扰的水平,同时验证设备经受外界干扰的时候也能达到既定功能和性能,例如:ESD试验、EMI/RFI试验、浪涌等电磁干扰。根据试验不同,试验对象的位置也不近尽相同,例如对于传导相关的试验,试验对象是典型设备的典型电气端口,包括:220VAC输入电源线、24V直流电源线、I/O信号线;对于ESD试验,试验对象是设备运行过程中人可能触及的典型位置,包括:机柜外壳、机柜门把手及周边区域、机柜接地线、安全显示屏和外壳、柜内机箱面板、钥匙开关、助拔器、网络接口、硬接线接口、指示灯、数码管阵列、复位按钮附近等手能接触的位置。
按照GB/T 17626及GB/T 17799的电磁条件进行模拟,制定试验条件如表2所示。在EMI/RFI干扰期间,鉴定设备需要通电运行,并持续进行性能监测,要求设备不损坏,处理器连续运行(不死机),通信不出现导致整个功能丧失的中断,数字量I/O状态不发生异常变化,模拟量I/O变化不超过3%,如果冗余设备发生故障,但是没有破坏这个系统设备的运行,是可接受的。
3.4 抗震试验
抗震鉴定所采用的反应谱应包络设备所在厂房楼层反应谱,并包络审查水平地震(RLE)下的楼层反应谱。同时,对于安装方式,必须与设备工程现场安装方式保持一致。在抗震试验时,鉴定设备需要通电运行,并持续进行性能监测,要求设备达到既定的功能、性能指标。
4 设备鉴定方法应用实践
以某核电厂安全级仪控系统RPS设备为例,设备鉴定样机中各设备的版本应与最终交付某核电厂现场的设备版本一致,设备鉴定样机所使用到的设备类型应覆盖RPS系统范围内所有产品类型及型号,设备鉴定样机应具备鉴定范围内设备的典型安全功能及主要技术性能。设备鉴定样机在搭建时,典型性方面必须包括以下要求:
(1)系统架构应体现RPS系统架构主要特点;
(2)覆盖RPS系统典型的接口类型;
(3)内部通信应具备RPS系统中实际使用到的所有通信方式,且网络通信架构应保证网络负荷不低于RPS系统的网络负荷。
依据某核电厂安全级仪控系统RPS设计说明书,在正常环境下,对RPS系统进行功能试验和性能试验,试验项如表3所示。
表3 RPS功能、性能试验表
根据上文鉴定试验方法开展基准试验、环境试验、EMC试验、抗震试验,鉴定设备经过试验后,运行状态正常,预定功能全部实现,性能指标未降低。
5 结论
根据核安全相关标准要求,核电厂安全级仪控系统设备鉴定是设计、生产制造核安全级产品必不可少的活动。我们通过对行业标准的分析,结合实际工作经验,梳理出适用于核电厂安全级仪控系统设备鉴定的试验项、试验对象,以及一套完整的鉴定方法。该方法已经成功在某核电厂工程项目中应用实践,证明了其具备良好的适用性和可执行性。
作者简介:
刘春明(1983-),男,北京人,高级工程师,硕士,现就职于北京广利核系统工程有限公司,主要从事仪控系统研发及项目管理方向的研究。
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摘自《自动化博览》2024年10月刊