三代核電防火閥控制箱設(shè)備的研制

葉益明，陸建忠

（蘇州東儀核電科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215101）

0 引言

臺山核電站是引進的EPR（歐洲第三代核電）技術(shù)，通風(fēng)控制系統(tǒng)是首次由國內(nèi)供貨的系統(tǒng)，當時在國內(nèi)還沒有相關(guān)先例。

防火閥就地控制箱屬于核安全級設(shè)備，在核電站在役期間，必須始終處于完好狀態(tài)。

防火閥就地控制箱是為了保證核島廠房各房間的通風(fēng)空調(diào)正常運行，保證各房間的空氣溫度和濕度處于正常范圍之內(nèi)。防火閥平時處于開啟狀態(tài)，當核島廠房內(nèi)某房間發(fā)生火災(zāi)時，為避免火災(zāi)的擴大和蔓延，同時還能防止放射性物質(zhì)的對外擴散，必須迅速關(guān)閉該房間的防火閥，使該房間與其他房間之間隔離開來。

根據(jù)不同的環(huán)境條件，核島廠房選用3種型號的防火閥，有Highwell1、Highwell2和Vraco。這 些 防 火 閥屬電動驅(qū)動型閥門，閥門的啟、閉程序較為復(fù)雜，且不能自動檢測防火閥處于的狀態(tài)，現(xiàn)有的控制箱系統(tǒng)沒有滿足要求的PLC可選用。在實際使用中容易發(fā)生火災(zāi)處理事故不及時，造成重大的損失，無法滿足核電站中對防火閥控制系統(tǒng)的高要求。

自主研發(fā)核電站防火閥控制箱設(shè)備是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種核電站防火閥，接受DCS 控制單元，實現(xiàn)就地關(guān)閉和開啟，同時具有向DCS控制單元反饋閥門狀態(tài)、故障報警信號功能的核電站防火閥控制箱設(shè)備的電路結(jié)構(gòu)。

1 主要技術(shù)指標

1.1 主要技術(shù)指標

防火閥控制箱設(shè)備通過極端環(huán)境條件試驗、老化試驗等K2/K3鑒定試驗后，保證設(shè)備在地震工況條件下的完整性和可運行性。

1.2 其它技術(shù)指標[1]

1）功能等級：F1B

2）電氣等級：EE2

3）儀控等級：EE1

4）地震等級：SC1

5）鑒定等級：K3

6）防護等級：IP42 /IK07

7）適用環(huán)境條件：溫度5℃～45℃，濕度70%

8）外形尺寸：750×600×550（高×寬×深，單位：mm）

9）安裝方式：掛墻安裝

2 項目技術(shù)研發(fā)

2.1 設(shè)計技術(shù)要求

本項目研制用于核電站防火閥就地關(guān)閉和通過接受主控室命令，實現(xiàn)就地關(guān)閉和開啟防火閥的邏輯控制裝置。該裝置接受反饋信號，在箱面指示，同時具有向主控室反饋閥門狀態(tài)、故障報警等信號的功能。防火閥控制箱內(nèi)通過對配電盤提供的電源進行AC/DC轉(zhuǎn)換和分配，以獲得防火閥的動力電源和控制箱內(nèi)二次回路控制電源。電源具有冗余設(shè)計，并且對AC電源和DC電源進行監(jiān)測，具有短路保護、故障報警功能；控制箱接受外部儀控DCS控制命令和閥門狀態(tài)信號，并向儀控DCS反饋閥門狀態(tài)信號、控制箱報警信號等。

2.2 控制原理

來自上級配電盤的230VAC電源進入控制箱內(nèi)斷路器001JS，再經(jīng)過分斷路器002JS和003JS進行保護后，通過開關(guān)電源001RD和002RD使230VAC轉(zhuǎn)化成48VDC，再經(jīng)過直流斷路器004JS～007JS向防火閥的執(zhí)行機構(gòu)和控制回路提供電源。001RD和002RD電源互為備用，當一路電源損壞時，還有一路電源能正常工作。通過001XR對供電電源230VAC進行監(jiān)測，當進線電源欠壓和過壓故障時，向DCS發(fā)出230VAC電源報警信號，002XR和003XR分別對001RD和002RD進行監(jiān)測；當001RD或002RD發(fā)生故障時，通過004XR向DCS發(fā)出48VDC電源故障報警信號，001XR～004XR分別由001FU～004FU進行保護。見圖1供電電源和電源監(jiān)測。

圖1 供電電源和電源監(jiān)測Fig.1 Power supply and power monitoring

中間繼電器101XR和102XR接收來自DCS的開關(guān)命令，經(jīng)過中間繼電器103XR和104XR，通過時間繼電器101XT和102XT的延時功能，對控制繼電器101JA和102JA進行時間邏輯控制，從而對就地防火閥進行開啟和關(guān)閉控制，通過箱門按鈕101TO關(guān)閉防火閥，DCS具有優(yōu)先的權(quán)利。見圖2DCS啟停控制和箱門按鈕控制。

圖2 DCS啟停控制和箱門按鈕控制Fig.2 DCS start-stop control and box door button control

就地防火閥的開、關(guān)狀態(tài)信號通過中間繼電器105XR、106XR發(fā)送至DCS，并在箱門上通過指示燈101HA、102HA進行指示，102TO為試燈按鈕。見圖3閥門狀態(tài)反饋和指示。

圖3 閥門狀態(tài)反饋和指示Fig.3 Valve status feedback and indication

2.3 技術(shù)創(chuàng)新點

1）采用繼電器邏輯控制方案，對核電站通風(fēng)系統(tǒng)各類防火閥進行啟停控制。

2）對配電盤輸入進行電源轉(zhuǎn)換，以獲得閥門動力電源和箱內(nèi)二次回路電源；接受儀控DCS控制命令和向DCS反饋閥門狀態(tài)信號、控制箱箱號。

3）安全可靠的控制方案和箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過安全級產(chǎn)品系列質(zhì)量鑒定試驗，使研發(fā)的控制箱產(chǎn)品在地震載荷作用下能夠正常工作，并保持設(shè)備的完整性和可運行性。

3 樣機的鑒定試驗

3.1 樣機選擇

由于電源箱內(nèi)僅安裝斷路器和接線端子，電源箱的尺寸也比防火閥控制箱小，根據(jù)整批設(shè)備的外形尺寸、結(jié)構(gòu)型式、箱內(nèi)配置元器件的數(shù)量來選擇一個尺寸適當、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、箱內(nèi)元器件數(shù)量較多、現(xiàn)場安裝條件最苛刻的產(chǎn)品作為樣機，故選擇防火閥控制箱（8SR34 750×600×550，單位：mm）作為試驗樣機。

控制箱通過箱面的控制按鈕，用來控制現(xiàn)場的閥門；指示燈指示現(xiàn)場閥門的開、閉狀態(tài)，箱內(nèi)安裝的斷路器、中間繼電器、時間繼電器、接觸器、魏德米勒接線端子等，用以滿足閥門的控制和信號的連接或擴展。

3.2 鑒定試驗要求

3.2.1 基準性能試驗

1）介電強度試驗

試驗依據(jù)《RCC-E壓水堆核電站核島電氣設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》（2005版）MC卷 MC3100電介質(zhì)試驗進行。

驗收準則：如果試驗時不出現(xiàn)局部放電、擊穿或閃絡(luò)，而且如果泄漏電流在用交流電試驗時保持低于10mA，則認為該試驗合格[2]。

2）絕緣電阻試驗

試驗依據(jù)《RCC-E壓水堆核電站核島電氣設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》（2005版）M卷 MC3200絕緣電阻試驗檢查和試驗方法。

驗收準則：如果測量值超過設(shè)備技術(shù)規(guī)格書中的規(guī)定值，則應(yīng)認為這項試驗是滿意的。在缺少規(guī)定值時，對于各項設(shè)備該值應(yīng)選為100MΩ，對于設(shè)備組件這個值可不小于10MΩ[2]。

3）接地電阻連續(xù)性試驗

試驗依據(jù)：《RCC-E 壓水堆核電站核島電氣設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》（2005）MC卷 MC3200機械結(jié)構(gòu)接地連續(xù)性試驗。

驗收準則：在任何情況下，實測電阻值應(yīng)低于0.1Ω[2]。

4）功能試驗

◇試驗?zāi)康尿炞C控制箱的功能和技術(shù)性能分別滿足詳細設(shè)計圖紙的要求。

◇試驗方法

根據(jù)圖紙的要求，對箱內(nèi)元器件通過對外端子排進行通電試驗。檢查有顯示功能的元器件能否正確顯示，有操作功能的元器件能否正確操作，端子排能否正確地輸出等。

◇試驗前檢查

在進行試驗前，檢查箱內(nèi)元器件是否符合圖紙要求。導(dǎo)線的安裝符合圖紙或標準要求，應(yīng)已完成設(shè)備完整性檢查，核實試驗電源電壓等級準確無誤。

◇通電試驗

根據(jù)圖紙要求，對元器件進行通電試驗，確認滿足圖紙要求。

3.2.2 機械振動老化試驗

通過機械振動試驗，用以確定樣機設(shè)備經(jīng)受規(guī)定嚴酷正弦振動的能力[3]，充分驗證樣機設(shè)備在機械振動的作用下能否正常工作，保持其完整性和可運行性，以履行其功能。試驗參照GB/T2423.10《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分 試驗方法試驗Fc和導(dǎo)則：振動（正弦）要求》進行。

試驗包括對3個規(guī)定軸（OX-OY-OZ）的每一個軸相繼進行的下述3個階段試驗。

階段1：探查關(guān)鍵頻率（共振頻率或者標識運行設(shè)備故障的頻率）。

階段2：用頻率掃描進行耐久試驗，按照規(guī)定的試驗條件改變頻率。

階段3：探查關(guān)鍵頻率（同階段1）。

注：關(guān)鍵頻率僅供參考用。如果階段1和階段3所得的關(guān)鍵頻率相差大于5%，需對樣機進行檢查以確認是否有結(jié)構(gòu)變形或損壞。

3.2.3 EMC試驗

電磁的騷擾引起的嚴重誤動作、損壞等使設(shè)備危險增加[4]，通過EMC電磁兼容性試驗來確定控制箱樣機在電磁環(huán)境條件下的抗干擾能力，使設(shè)備能滿足安全可靠的使用技術(shù)要求。試驗依據(jù)標準GB/T17626-2018《電磁兼容性試驗和測量技術(shù)》進行，具體試驗參數(shù)如下：

1）靜電放電抗擾度試驗

試驗依據(jù)GB/T17626.2-2018《電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 靜電放電抗擾度》試驗進行，參數(shù)如下：

◇接觸放電

試驗等級：2級 ±4kV 放電時間間隔≥1s

◇空氣放電

試驗等級：3級 ±8kV 放電時間間隔≥1s

2）射頻電磁場輻射抗擾度試驗

試驗依據(jù)GB/T17626.3-2016《電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 射頻電磁場輻射抗擾度試驗》進行，參數(shù)如下：

◇試驗等級：3級

◇頻率范圍：80MHz～1000MHz

◇試驗場強：10V/m

3）電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗

試驗依據(jù)GB/T17626.4-2018《電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》進行，參數(shù)如下：

◇試驗等級：3級

◇試驗電壓（電源端）：2kV±10%

◇試驗電壓（信號端）：1kV±10%

◇重復(fù)頻率：5kHz±20%

◇試驗時間：≥1 min

4）浪涌（沖擊）抗擾度試驗

試驗依據(jù)GB/T17626.5-2016《電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 浪涌（沖擊）抗擾度試驗》進行，參數(shù)如下：

試驗等級：

AC電源：相與地3級

相與相2級

輸入或輸出端：2級

5）射頻場效應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗

試驗依據(jù)GB/17626.6-2017《電磁兼容試驗和測量技術(shù)射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度》進行，參數(shù)如下：

◇試驗等級：3級

◇調(diào)幅：（1 kHz）80%

◇試驗電壓：10V

6）工頻磁場抗擾度試驗

試驗依據(jù)GB/T17626.8-2006《電磁兼容試驗和測量技術(shù)工頻磁場抗擾度試驗》進行，參數(shù)如下：

◇試驗等級：3級

◇磁場強度：10A/m

◇試驗時間：1min

◇感應(yīng)線圈位置：平行與正面、平行與側(cè)面、平行與底面

7）共模傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗

試驗依據(jù)GB/T17626.16-2007《電磁兼容 試驗和測量技術(shù) OHz～150kHz共模傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗》進行，參數(shù)如下：

◇試驗等級：3級

◇試驗頻率范圍：15kHz～150kHz

◇磁場強度：10V/m

3.2.4 濕熱試驗

試驗參照IEC 60068-2-30《環(huán)境試驗 試驗循環(huán)濕熱試》進行，在相對較高空氣濕度下，以循環(huán)溫度交變組合對電氣產(chǎn)品的運行和存貯做出質(zhì)量評價[5]。

主要試驗參數(shù)如下：

1）設(shè)備不通電。

2）試驗溫度：55℃±2℃，相對濕度不低于95%±3%。

3）試驗時間：兩個循環(huán)，48 h。

3.2.5 加速熱老化試驗

加速熱老化試驗有助于避免設(shè)計缺陷和暴露故障[6]，加速熱老化應(yīng)盡可能精確地模擬由于顯著老化機理設(shè)備在整個鑒定期內(nèi)的老化降質(zhì)[7]。

★加速熱老化試驗

1）試驗溫度及時間

采用阿倫紐斯模型進行加速熱老化模擬，鑒定試驗對需要進行熱老化模擬元器件的合格壽命目標定為10年。

2）試驗方法和要求

加速熱老化模擬試驗具體步驟依序如下：

◇所有需進行加速熱老化的元器件在試驗前應(yīng)進行性能測試，記錄測試結(jié)果并判別是否合格。

◇在最后完成加速熱老化后，元器件從熱老化箱取出，待冷卻至室溫，并按要求對結(jié)束熱老化的元器件進行最終的性能測試和失效判定，以確定各元件在合格壽命末的運行能力和技術(shù)狀態(tài)。

★運行老化試驗

運行老化試驗包括了對存在能動部件的斷路器、按鈕和各類繼電器進行的機械老化試驗，每個器件應(yīng)在正常和異常環(huán)境條件下運行，并達到設(shè)備技術(shù)規(guī)格書所規(guī)定的全部性能和電氣特征參數(shù)[8]，試驗按照NB/T20074《核電廠安全級電動機控制中心質(zhì)量鑒定》要求實施。

3.2.6 輻照試驗

通過進行輻照試驗，考核控制箱樣機的耐輻照性能情況。具體要求如下：

劑量率：8.4Gy/h±4.2Gy/h

總劑量率：2.1kGy±15%

3.2.7 抗震試驗

1）試驗?zāi)康?/p>

為了驗證樣機設(shè)備在發(fā)生地震期間和（或）地震后，能執(zhí)行其安全功能[9]，保持其完整性和可運行性，保證設(shè)備在地震工況及地震后的使用功能，同時也不危及其它安全設(shè)備的正常運行。試驗前，樣機背部先與支架用螺栓固定，支架底座再與功能試驗臺固定；試驗過程中，樣機正常通電，使設(shè)備處于工作狀態(tài)。

2）抗震試驗的設(shè)備和儀器

試驗設(shè)備采用上海同濟大學(xué)與美國TS公司制造的模擬振動試驗臺，STEX3、96通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3）試驗反應(yīng)譜

根據(jù)電站各廠房包絡(luò)譜并結(jié)合其余相關(guān)技術(shù)要求設(shè)定試驗的包絡(luò)譜，阻尼比選取5%，試驗時增加10%裕度，做相應(yīng)5次SL-1及1次SL-2試驗，其中SL-1試驗譜值為SL-2試驗譜值的50%。

3.3 試驗方法及試驗結(jié)果

3.3.1 基準性能試驗

★介電強度試驗

試驗內(nèi)容：輔助回路24V、48VDC；試驗電壓：交流500V。

主回路400V 試驗電壓：交流2500V電壓施加到每一個電氣上獨立的電路與所有其他相互連接并接地的電路之間。

試驗結(jié)果：試驗時間1min，試驗時不出現(xiàn)局部放電、擊穿或閃絡(luò)，泄流電流保持低于10mA。

★絕緣電阻測量

試驗內(nèi)容：每次測量時施加電壓為直流500V，電壓施加到每一個電氣上獨立的電路與所有其他相互連接并接地的電路之間，儀表指示保持穩(wěn)定至少10s之后，記錄測量值。

試驗結(jié)果：絕緣電阻不小于100MΩ。

★機械接地的電氣連續(xù)性檢查

試驗內(nèi)容：使用接地電阻測試儀，在由機械地線構(gòu)成的各個回路中形成不低于2 A的電流。

測量在接地連接與下列各地線間進行：

——門。

——門把手。

——框架、安裝板。

——安裝導(dǎo)軌。

——金屬保護外殼。

在正常不應(yīng)該帶電的金屬外殼之間，不少于5點。

試驗要求：接地電阻值要求小于0.1Ω

★基準數(shù)據(jù)測量

試驗內(nèi)容：對試驗設(shè)備根據(jù)電氣元件各自的電氣特性，進行功能特性試驗。

試驗結(jié)果：根據(jù)記錄數(shù)據(jù)為合格，并作為后續(xù)試驗的基準數(shù)據(jù)。

3.3.2 非地震振動試驗

試驗內(nèi)容：檢查由于安裝環(huán)境（振動）對設(shè)備的影響量。

試驗結(jié)果：通過驗證振動時設(shè)備的功能特性，試驗結(jié)果合格。

3.3.3 電磁干擾試驗

試驗內(nèi)容：檢查由于安裝環(huán)境（電磁干擾）對設(shè)備的影響量。

試驗結(jié)果：通過驗證電磁干擾時設(shè)備的功能特性，試驗結(jié)果合格。

3.3.4 濕熱試驗

試驗內(nèi)容：根據(jù)設(shè)備技術(shù)規(guī)格書要求，試驗溫度：50℃；相對濕度：85%；48h，兩個熱循環(huán)。

試驗要求：驗證設(shè)備在高溫、高濕環(huán)境使用和貯存的適應(yīng)性。

3.3.5 老化試驗

試驗內(nèi)容包括加速熱老化：10年，約128天（15年，約192天）；運行老化試驗：各可動元件進行電氣和手動操作。

試驗結(jié)果：按基準性能試驗進行測試，元件均在預(yù)期壽命內(nèi)合格。

3.3.6 輻照老化試驗

試驗內(nèi)容：根據(jù)設(shè)備規(guī)格書要求，確定設(shè)備累積劑量。

試驗結(jié)果：通過驗證設(shè)備在輻照后的性能，試驗結(jié)果合格。

3.3.7 地震試驗

試驗內(nèi)容：根據(jù)用戶提供的控制箱所安裝樓層的地震反應(yīng)譜，按阻尼比0.5設(shè)計人工反應(yīng)譜，分X，Y，Z三方向輸入波形，對設(shè)備進行5次OBE，1次SSE考核試驗。

試驗結(jié)果：在地震試驗前、試驗中、試驗后，對設(shè)備始終進行功能性試驗，通過驗證，試驗結(jié)果合格。

3.3.8 重復(fù)基準性能試驗

試驗內(nèi)容：同序號3.3.1。

試驗內(nèi)容：驗證設(shè)備在預(yù)計壽命末期還保持原有的性能。

上述試驗結(jié)論均為合格。

4 研制成果

根據(jù)上述鑒定試驗程序，按照核電產(chǎn)品質(zhì)量保證大綱和質(zhì)量計劃要求開展了防火閥控制箱樣機的鑒定試驗工作，通過試驗結(jié)果證明研制成功的防火閥控制箱能滿足設(shè)計文件、鑒定試驗程序等規(guī)定要求，滿足了臺山核電項目通風(fēng)系統(tǒng)防火閥控制的使用要求。

防火閥控制箱設(shè)備的研制成功，還獲得了一項實用新型發(fā)明專利《一種核電站防火閥控制箱系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)》（專利號：ZL 2014 2 0617558.X），對于科研投入的知識產(chǎn)權(quán)保護及市場推廣方面具有重要的意義。