核安全級隔離放大器的抗震設計

楊文龍 王 凱 俞亦軍 熊偉華

(浙江中控自動化儀表有限公司1，浙江 杭州 310053;秦山第三核電有限公司2，浙江 海鹽 314300)

0 引言

秦山三期核電站是我國首座商用重水堆核電站，是我國“九五”重點工程之一。電站采用成熟的加拿大CANDU-6重水堆核電技術，建有2臺700 MW級核電機組，每臺機組都設有2個完全獨立的停堆系統［1］。停堆系統即安全停閉反應堆的系統，它既是防止反應堆狀態參數超出安全限值、減輕事故后果、最終停閉反應堆的系統，又是保證核電站可以可靠進入安全狀態的核心系統。

中控集團研制的SBN3000系列隔離放大器(以下簡稱隔離放大器)用于秦山三期核電站停堆系統，它的功能是隔離現場信號和控制室信號，屬于核安全級抗震I類設備。為保證核電站停堆系統的安全運行，隔離放大器在地震荷載作用期間和作用后均需保持正常工作，抗震設計指標需達到核安全級抗震I類設備(DBE-B)抗震等級。本文主要關注其抗震的設計方法和抗震試驗等級的評估。

1 產品內部結構

隔離放大器由電源模塊、功能模塊、底座和金屬蓋組成，其結構以及功能模塊結構分別如圖1、圖2所示。

電源模塊與功能模塊安裝于底座上，金屬蓋將電源模塊和功能模塊壓緊于底座上，并與底座固定在一起，組成一個隔離放大器。

電源模塊和功能模塊以玻纖外殼作為結構體，將主機板安裝于玻纖外殼內，再灌封導熱硅膠，最后使用黏結劑將外殼和底板黏結成一體。

2 抗震設計要求

隔離放大器的抗震設計要求產品在承受若干個運行基準地震作用后，再承受一個安全停堆地震，在地震力的作用期間和作用后，產品仍保持其完整性和可運行性，可以履行要求的隔離控制功能。同時，由于SBN3000系列隔離放大器用于加拿大研制的CANDU-6系統，因此，其抗震設計要求滿足DBE-B抗震等級。

DBE-B抗震等級為加拿大儀器儀表抗震鑒定標準，指運行設備在運行壽期內，在發生設計基準地震時設備仍然能夠維持其功能。

3 抗震設計原理

抗震關系到產品精度和壽命特性等指標，是核安全級產品必須考慮的主要問題之一。為保證隔離放大器與系統具有良好的兼容性，隔離放大器的底座和金屬外殼均不用重新設計。下面主要探討電源模塊和功能模塊的抗震設計。

3.1 結構體系設計

本產品采用剛性結構的玻纖外殼，其熱變形溫度大于140℃，抗拉強度大于20 MPa，抗彎強度大于15 MPa，肖氏硬度為80～85。該玻纖外殼獨特的設計是在其內部安裝四道卡槽，用于固定裝入的主機板，以減弱震動引起的主機板搖動。與柔性固定方式相比，這不僅提高了產品的抗震性能，且有效地阻止了主機板與玻纖外殼共振現象的發生。

3.2 調整配重

為保證產品重量小于設定值，在選用器件和結構材料時，需從器件的封裝、重量等指標嚴格選擇重量輕且引腳多的器件。如在設計工頻變壓器時，在效率和溫升滿足要求的情況下，優先選用小型號的骨架，以及優先選用厚度為0.35 mm的硅鋼片。

3.3 延性減震設計

電源模塊和功能模塊內部均使用雙組份導熱硅膠進行灌封。硅膠固化后為黏彈性體:一方面可以有效地避免主機板與外殼間發生共振現象;另一方面，利用其延性減少震動能量，可以有效地提高隔離放大器的抗震能力。

3.4 阻尼器減震設計

電源模塊和功能模塊底板使用基于Multilam(多點接觸)設計原理的、帶有彈性的香蕉插頭作為連接器。由于香蕉插頭彈性部分與底座接觸面積最大，因此在模塊與底座之間起到阻尼器的作用。震動時其可以把外來震動能量轉換為震動內能，達到消減震動能量的目的，從而有效地提高隔離放大器的抗震能力。

4 抗震評估方法

目前，在國內評價核設備抗震能力的方法有抗震分析和抗震鑒定試驗兩種。抗震分析只能對產品的物理結構加以評估，無法對產品的電氣特性進行分析，為了全方位評估停堆系統隔離放大器的抗震性能，本產品采用抗震鑒定試驗。

在SBN3000系列隔離放大器的抗震鑒定試驗中，需要測定自振頻率，評估放大器本身及其部件的剛度和強度，驗證放大器在地震荷載作用時和作用后能否正常工作并保持其完整性和可運行性，履行其隔離控制功能［2］。

抗震鑒定試驗的具體做法是將經過熱老化試驗設備運行溫度50℃、壽期達到40 a的試驗樣品［3］，分別安裝于控制柜的上部、中部和底部，再將控制柜置于力學測試與模擬(mechanical testing＆simulation，MTS)地震動臺上;在試驗樣品滿負載運行的情況下，完成整個試驗頻率范圍內包絡要求反應譜的試驗反應譜并超出10%，阻尼比為0.2，確認試驗樣品在地震作用過程中和地震作用后的電氣性能穩定性和結構完整性。

4.1 初始檢測

以符合停堆系統現場實際使用情況的安裝方式，將經過熱老化試驗(試驗溫度為110℃、活化因子取0.95、加速老化時間為1680 h)的樣品放入機柜后，通電檢測工作特性(即在最大負載時測試試驗樣品的精度指標)并記錄數據。

4.2 中間檢驗

試驗樣品通電檢測，使用無紙記錄儀記錄試驗樣品的數據，通過震動臺監測儀表觀察并記錄設備震動過程中和震動后的工作狀況，評價其功能特性和參數的變化以及是否在允許誤差范圍內，并檢測試驗樣品的工作特性。具體試驗內容和要求如下:① 驗證隔離放大器在地震作用過程中及其之后的結構完整性;②測定隔離放大器的自振頻率;③對隔離放大器進行5次運行基準地震S1 Earthquake(operational basical earthquake，OBE)考核試驗，持續時間均為30 s;④ 對隔離放大器進行1次安全停堆地震S2 Earthquake(safety shutdown earthquake，SSE)考核試驗，持續時間為30 s［4］。

4.3 最終檢驗和合格判定

試驗樣機在完成抗震性能試驗后，對設備的外形、結構和基準性能進行檢查和測試，并與試驗前的基準數據相比較，以證明樣機設備在地震試驗后的完整性、功能性和可運行性。

4.4 結論

試驗結果表明，中控集團研制的SBN3000系列隔離放大器在完成了上述抗震試驗后，結構保持完好，工作性能沒有發生變化，滿足抗震設計要求［5］。

5 結束語

本文介紹了核安全級抗震I類設備隔離放大器的抗震設計方案，包括設計要求、設計原理和抗震評估方法。通過采用結構體系設計、調整配重、延性減震設計和加阻尼器等技術措施，從多個方面提高了產品的抗震能力。產品抗震效果和可靠性通過了土木工程防災國家重點實驗室的鑒定試驗，滿足DBE-B抗震等級要求，符合核安全級產品要求。

［1］顧樹川，張國茗.秦山三期CANDU6型重水堆核電站［J］.能源研究與信息，1996(4):43－48.

［2］國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 12727-2002核電廠安全系統電氣設備質量鑒定［S］.北京:中國標準出版社，2003.

［3］上海市電機技術研究所.SBN3000系列隔離放大器熱老化模擬試驗［R］.上海市電氣絕緣及熱老化重點實驗室，上海，2009.

［4］國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 13625-92核電廠安全系統電氣設備抗震鑒定［S］.北京:中國標準出版社，1993.

［5］同濟大學土木工程防災國家重點實驗室振動臺試驗室.SBN3000系列隔離放大器抗震試驗報告［R］.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室振動臺試驗室，上海，2009.