核電廠核級電磁繼電器關鍵特性分析

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(蘇州熱工研究院有限公司深圳分公司，廣東深圳，518124)

1 引言

電磁繼電器是一種利用電磁力產生預定響應的機電繼電器，在核電廠有廣泛的使用。核電廠繼電器分為核級和非核級，核級繼電器執行安全功能，非核級執行非安全功能。非核級繼電器從市場上采購，滿足普通工業標準。核級繼電器從具有核級資質的供應商采購，滿足核級標準。國內在運核電廠的核級繼電器數量龐大，但均由國外廠商供貨。大亞灣核電廠一臺機組V23系列核級單穩態繼電器(AXICOM供貨)的數量大約有6000多只。即便是采用數字化儀控系統的寧德核電廠，一臺機組MY4ZN核級繼電器(OMRON供貨)的數量也超過1600只。隨著運行時間的增加，繼電器由于老化而需要更換。但由于訂單不足，一些型號的繼電器已經停產，核電廠無法采購。解決備件不足有兩個方法，從核級供應商定制繼電器，或者從市場上采購非核級繼電器進行適用性確認(Commercial Grade Dedication，CGD)。不論采用什么方法，都需要對繼電器執行安全功能所必需的關鍵特性進行識別，定制或采購的產品，需滿足關鍵特性的要求。

當前用于指導繼電器關鍵特性分析的標準和規范較少，在具體實踐中，系統供應商或核電廠的差異較大，有些僅從原繼電器的技術規格書中選定關鍵特性，有些未全面分析極端條件下對繼電器的要求，因此造成關鍵特性識別不完整、不準確或者過多的情況。關鍵特性不完整或不準確將給核電廠安全運行帶來隱患，關鍵特性過多則增加選型難度和驗證成本。本文提出了一套依托生命周期模型分析繼電器關鍵特性的方法：對于運行階段，根據系統狀態機、影響條件，識別繼電器的關鍵特性；安裝、運輸、儲存、調試、維護階段，根據各階段目的和要求、限制條件，識別繼電器的關鍵特性。該方法能夠解決工程實踐中繼電器關鍵特性識別的問題，保證關鍵特性的完整性、準確性，為繼電器選型提供有效技術指導。

2 關鍵特性分析方法

繼電器執行安全功能所必需的特性是關鍵特性。繼電器是系統的組成部件，繼電器安全功能來源于系統安全功能。系統安全功能指停堆、專設驅動等工藝功能，工藝功能分解為儀控系統的采集、運算、輸出功能。設備的功能是建立在物理實體之上的，關鍵特性可分為物理特性、性能特性。物理特性是對設備物理屬性的描述，例如結構、材料、形狀、尺寸、接口、型號、版本等。性能特性是對設備在設計環境下執行預期功能、以及應達到的性能的描述。環境包括溫度、濕度，功能可看著函數表達式，可以有多個輸入和輸出變量，性能是一些量化指標，包括精度、響應時間、容量、可靠性。物理特性是性能特性的物理基礎。關鍵特性還包括研制過程特性。研制過程特性是設備在設計、生產制造過程中的質量保證和過程控制屬性，按照同一過程特性生產的不同批次的產品，它們的物理特性和性能特性是一致的。數字化設備的研制過程特性還包括與軟件研制生存周期過程有關的特性，例如軟件驗證與確認、配置管理、危害分析。本文僅討論物理特性和性能特性。

繼電器的關鍵特性存在于系統生命周期的各階段：

1)安裝、運輸、儲存、調試、維護階段：根據各階段目的和要求、限制條件，識別繼電器關鍵特性。限制條件與具體應用有關，例如安裝方式(安裝的集密程度、水平/垂直安裝、固定方式)、運輸方式(海運/汽運)、儲存方式(露天/室內)、調試方法(是否需要強置或觀察繼電器輸出狀態)、維護方法(狀態觀察、在線更換)。

2)運行階段：根據系統狀態機、影響條件，識別繼電器關鍵特性。系統在狀態機的各種狀態下分配給繼電器安全功能是不相同的。影響條件包括環境、接口、電源，分析各影響條件對不同狀態下安全功能的影響，并確定關鍵特性。

圖1 設備在運行階段的狀態機

關鍵特性分析的重點是如何確定運行階段繼電器的安全功能。繼電器安全功能來源于系統安全功能。系統安全功能并不僅僅指系統上電后正常運行時所執行的功能，也包括系統在啟動、失電、故障時必需輸出的狀態。依照狀態機模型對運行階段的安全功能進行分析。系統狀態機模型見圖1。一般情況下，繼電器安全功能只是繼電器全部功能的一部分，例如繼電器具有通、斷兩種功能，安全功能只是其中的一種。

關鍵特性分析的難點是影響條件對安全功能的影響分析。影響繼電器功能的外部條件眾多，分為電源、環境、接口。分析方法如下：

1)電源影響分析。包括供電電源(含連接導線)失效模式對繼電器的影響分析，以及繼電器失效模式對供電電源的影響分析。分析應達到的目的：供電電源在設計范圍內波動時，應不影響繼電器功能；供電電源喪失后進入失電態，失電時繼電器的輸出應滿足系統失電態的要求；繼電器故障時應不影響供電電源對其他設備的供電。

2)環境影響分析。環境分為正常環境、極限環境、電磁環境、事故環境。正常環境和極限環境指的是自然環境(溫度、濕度、振動、灰塵、鹽霧)；電磁環境對設備的電磁兼容性做出了要求；對于安裝在安全殼外的儀控設備，地震是唯一的事故環境。環境對性能有直接影響，例如精度、響應時間、可靠性。繼電器一般安裝在機柜盤臺內部，應考慮機柜盤臺內部發熱、通風、結構等對性能的影響。分析應達到的目的：明確繼電器運行階段的各種環境要求，以及這些環境下性能可接受的程度。在相關國際、國家和行業標準中，已經規定了環境影響的基本要求，例如K3類核級設備鑒定標準中極限條件下、事故和事故后環境條件下的要求。

3)接口影響分析。接口包括輸入設備、輸出設備、連接介質，如圖2所示。接口分析包括兩部分：接口方異常時對繼電器的影響，繼電器異常時對接口方的影響。接口異常包括接口失效模式和接口瞬態特性兩類，瞬態特性是指隨時間快速變化的物理或電氣特性，例如感性負載通/斷瞬間的浪涌電流和反向電動勢特性。接口失效包括人因失誤、接口設備失效、連接介質失效。分析應達到的目的：不論是接口方對繼電器的影響，還是繼電器對接口方的影響，都不應造成對安全功能的影響，都不應造成設備永久性的損壞。接口分析后所采取的措施，有些在設備之外實現，有些由設備本身實現。例如對反向電動勢的抑制，由繼電器本身實現(安裝吸收反向電動勢的齊納二極管)，對短路的防范，由空開或保險(而不是繼電器本身)實現。常見的一些接口失效模式如下：

√ 人因失誤：例如在鍵盤上輸入錯誤的數據、誤擊鼠標、誤按下按鈕、將字符“O”看著數字“0”。有些繼電器帶有對觸點導通或斷開狀態進行人工強置的裝置，應避免誤觸誤碰。

√ 接口設備失效：例如輸入信號超出量程范圍、導線或通訊線斷線/短路、鍵盤按鍵不能彈起、觸屏上某個觸點故障、屏幕沾污、指示燈不亮、執行機構拒動/誤動。繼電器的接口設備為線圈輸入側和觸點輸出側的設備，輸出側的負載特性和失效模式是需要重點分析的內容。

√ 連接介質失效：例如硬接線、通訊線的斷線、短路。輸入設備的連接介質失效，可等效到輸入設備的失效模式上，例如信號超量程、通信應答超時。

圖2 設備外部接口模型

3 繼電器關鍵特性

下面以單穩態電磁繼電器為例，說明關鍵特性的分析方法。單穩態電磁繼電器是核電廠用量最大的繼電器，主要由電磁鐵和機械觸點組成，封裝方式包括密閉和非密閉兩種。

1)安裝階段

安裝工程師將繼電器在機柜盤臺內固定。安裝階段的限制條件、以及與此有關的關鍵特性如表1所示：

表1 繼電器安裝階段的關鍵特性

2)運輸和儲存階段

繼電器或安裝了繼電器的機柜從工廠運輸到目的地，并儲存。運輸和儲存階段的限制條件，以及關鍵特性如表2所示。一些限制條件可以通過其他方式滿足，并不一定要求產品達到限制條件所要求的質量。例如儲存環境濕度超出產品本身的技術指標，可通過防潮包裝解決該問題。

表2 繼電器運輸和儲存階段的關鍵特性

3)調試階段

調試工程師對繼電器及相關回路的功能進行調試。調試階段的調試要求、以及與此有關的關鍵特性如表3所示。

表3 繼電器調試階段的關鍵特性

4)運行階段

繼電器完成信號通/斷功能。通過繼電器觸點的串/并關系，完成復雜的控制邏輯，完成小信號驅動大功率設備的驅動功能，如圖3所示。該原理廣泛應用于反應堆保護系統、應急柴油機控制系統中。本文以圖3的J1繼電器為例，分析其關鍵特性。

圖3 繼電器控制回路原理圖

J1繼電器的安全功能和關鍵特性如表4所示。

表4 繼電器運行階段的關鍵特性

J1繼電器影響條件分析：

√ 電源影響分析：繼電器并不需要電源供電。

√ 環境影響分析：如表5所示。

√ 接口分析：J1繼電器的輸入接口一般是其他繼電器的觸點，輸入連接介質為硬接線。輸入接口失效模式表現為觸點抖動、觸點粘連、觸點接觸電阻大。連接介質的失效模式表現為斷路、短路、虛接。由于這些失效模式的發生概率小，一般采用定期試驗的方式檢測和識別。連接介質短路可能造成供電電源因短路而故障，因此在輸入供電回路中增加空開以防范短路造成的危害。繼電器輸入線圈的失效模式為匝間短路、線圈斷線，匝間短路的后果是導致電源因過載而故障，輸入回路觸點因電流過載而影響壽命，因此在輸入供電回路中增加空開或熔斷器以防范持續過載造成的危害。線圈斷線不會造成接口設備故障。另外，線圈為儲能元件，當輸入回路(24/48V直流信號)斷開時，線圈產生的反向電動勢可高達1000V(瞬態特性)，為防止反向電動勢對輸入回路的影響，需增加對反向電動勢進行吸收的措施，例如采用二極管、或者壓敏電阻進行吸收。J1繼電器的輸出接口為另一個繼電器的線圈。其分析過程和結果類似于輸入接口。分析結果如表6所示。

表5 繼電器環境影響條件下的關鍵特性

表6 繼電器接口影響條件下的關鍵特性

5)維護階段

對繼電器功能和性能進行檢查、對故障繼電器進行診斷和更換。在提高維護效率、減少維護活動給系統正常運行介入的風險、增加維護功能而投入的成本等方面需進行綜合評價，最終確定適當的維護功能，以及關鍵特性。表7是一個例子。

表7 繼電器維護階段的關鍵特性

4 結束語

為解決核級繼電器供應商匱乏、備件不足的問題，不論是采用定制核級繼電器，或者從市場上采購非核級繼電器進行適用性確認的方法，都需要對繼電器執行安全功能所必需的關鍵特性進行識別，以定制或采購相應的產品。本文描述了從生命周期各階段識別繼電器關鍵特性的方法。該方法能夠保證關鍵特性的完整性、準確性，為繼電器的定制或選型提供有效技術指導。該方法也可作為其他儀控設備關鍵特性識別的參考。