核电厂安全级低压开关柜抗震鉴定试验的研究

纪桂强

（广东正超电气有限公司，广东汕头 515041）

0 引言

我国的第一座核电厂秦山核电厂建造于20世纪80年代初期，从秦山核电厂建造开始，为保证核电站所使用设备的安全可靠性，国家核安全局就已经提出了对于所有核安全级设备必须完成设备鉴定。抗震鉴定是核安全级电气设备鉴定的一个重要的环节。地震是最常见、危害最大的自然灾害，它可能导致核电厂各物项同时失效（即共因故障），因此，需对在地震期间及之后执行其预期功能的物项进行抗震鉴定[1]。安全级低压开关柜安装于核电厂核岛厂房内，负责对核电厂安全系统供电；若安全级低压开关柜在发生地震时失效，可能对核安全造成无法估量的影响。安全级低压开关柜须按相关标准进行抗震试验考核，本文阐述了核电厂安全级低压开关柜的抗震鉴定试验目的、方法、样机选择和试验过程。

1 抗震鉴定的目的

核安全级电气设备的设备鉴定目的是证明该设备在其寿命期内（如40年），在各种预期的运行和事故工况下，都能可靠的动作和运行，履行其规定的安全功能。地震事件作为核电厂和缓环境下唯一设计基准事件，抗地震性能对于安全级低压开关柜来说是重点的考核项目。安全级低压开关柜只有通过抗震鉴定试验，验证开关柜在核电厂地震事故状态下，设备仍能执行其预期的功能，保证核电厂安全系统供电，才能应用于核电厂。

进行抗震鉴定试验的目的在于测定设备的自振频率，考核设备结构及其部件的刚度、强度，验证设备在地震时和地震后能否正常动作，保持其结构完整性，以执行相关的安全功能。

2 抗震鉴定的方法

抗震鉴定可通过试验、分析或分析与试验相结合的方法进行。HAF-J0053规定：一般来说，对于能动（即通过机械运动实现其安全功能）的机械设备和1E级电气设备，在原型样机第一次抗震鉴定时，宜采用试验方法[2]。安全级低压开关柜属于IE级电气设备，因此，对于安全级低压开关柜的样机的第一次抗震鉴定时，采用试验方法。

安全级低压开关柜抗震试验是质量鉴定的一个重要环节。质量鉴定的次序应按老化试验、抗震试验、LOCA环境试验的顺序在同一套试验样机上进行。对需要进行功能评价的样品，应监测其在试验前、试验中和试验后的性能[3]。

按照HAF J0053和RCC-E等相关标准的要求，样机进行抗震试验采用三轴时程试验法，并考虑10%的裕度，在试验前，先对设备进行动态特性检测，然后进行5次OBE运行基准地震试验和1次SSE安全停堆地震试验，强信号区段至少持续时间为10 s，信号总持续时间最少为30 s；阻尼比5%；OBE水平方向包络频谱如表1所示，OBE垂直方向包络频谱如表2所示，SSE反应谱按照OBE反应谱的2倍选取。进行每次OBE和SSE试验过程中，设备通电并对各二次回路进行至少1次分合闸操作，并监视下列器件状态：

（1）一次回路导体应能承受操作电压和瞬间过电压；

（2）断路器应能闭合、承载、断开最严酷应用条件下所规定的负载电流；

（3）断路器应能闭合、承载、断开最严酷应用条件下所规定的短路电流；

（4）断路器只能在得到指令时操作，进行分断、闭合一次或二次回路；

（5）保护元器件、控制和辅助系统应能支持一次回路的功能性要求。

表1 OBE水平方向反应谱

表2 OBE垂直方向反应谱

3 抗震鉴定试验样机的选择

安全级低压开关柜抗震试验样机（下简称：样机）应是经老化试验的样机。抗地震鉴定试验一般采用1∶1模型，即以原型设备进行试验[6]。鉴定试验样机的结构、元器件选择应具有代表性，以保证样机性能足以代表1E级低压抽屉式成套开关设备的典型特性。

样机的结构必须有足够的机械强度，具有较强的抗地震性能，样机结构机械强度是影响设备抗地震性能的关键因素。可从壳体材料、制造工艺、特殊加强结构来提升样机的机械强度，使样机结构具备足够的机械强度，是设备抗地震性能的基本保障。此外，特别指出的是，由于样机上各抽屉单元采用接插连接结构，其抗震动能力最差，需要采取特殊的机构对抽屉单元进行锁定，防止抽屉单元在震动过程中发生位移或脱离现象。设备结构有足够的机械强度和抽屉单元的可靠锁定是开关柜具有较强抗地震性能的重要因素。

样机回路隔室的布置对设备的抗地震性能也有关键影响，样机应按照试验最不利的因素考虑各回路隔室的位置，为实际安装应用提供最大的自由度。样机设计时，应将质量最大和对振动最敏感的单元尽可能靠近设备顶部，将重心位置升高，以提高试验严酷性；但在产品实际使用时，则必须尽量将质量最大和对振动最敏感的单元尽可能靠近设备底部，设备重心降低，减小地震事件对设备带来的不利影响。

4 抗震鉴定试验过程

应针对抗震试验样机编制相应的抗震试验质量计划和鉴定大纲，制订鉴定的方法和程序，对样机进行抗震鉴定试验。

（1）抗震试验前样机老化处理

抗震试验前必须对样机进行老化处理。在安全级低压开关柜实际运行中，存在一些因素会引起设备产生老化，明显影响设备的抗震性能。因此，在抗震试验前，需要对样机进行热老化、辐照老化、振动老化和湿热交变老化等一系列老化处理。

（2）抗震试验前样机检查

样机进行抗震试验前，需要进行功能检查，主要检查样机的结构紧固件和导线是否拧紧，电气插接是否可靠，保护电路采取措施保证良好接触，可活动的机械零部件是否动作灵活，各功能回路的状态指示是否正确等。

（3）样机的安装要求和测点布置

样机的安装方式与其在核电厂的实际安装条件一致，用螺栓将样机安装在钢制支架上。支架必须有足够刚度，以减少因支架对鉴定结果的影响[5]。设备与试验台之间的安装固定方法和加速度传感器的位置应根据实际的情况来确定[4]。样机安装时，模拟现场的安装状态，用M16的螺栓按照规定的拧紧力矩将样机安装在钢制基座上，柜间采用M10的螺栓并柜连接，最后将钢制基座和振动试验台台面进行刚性连接。选择对样机有功能影响的典型部位，布置足够的加速度、位移、应力、应变传感器，每个测点均含有X、Y、Z三个方向，以监测抗震试验中设备输入运动和设备典型部位的响应。

（4）抗震试验前探测试验

进行动态特性探测试验，查明试验样机的自振频率和阻尼比，了解样机的固有动态特性。输入幅值不大于0.2g的正弦波连续扫描在0.5～50 Hz范围内，作探测试验，扫描速度不超过2倍频程/min。通过试验样机对输入运动在不同频率处的放大来探测试验样机结构的自振频率和阻尼比。

（5）抗震试验考核

抗震试验过程依次经过5次OBE和1次SSE地震考核试验。试验中试验样机输入的试验反应谱应包络设备安装所在位置的楼层反应谱。

按阻尼比为0.05的楼层反应谱设计人工地震波，分X、Y、Z三个方向，用SSE考核试验的振动台面输入波形，如图1所示。人工地震波互为独立，其相关系数如图2所示，OBE试验为SSE试验的1/2。在OBE、SSE考核试验时，对X、Y、Z三个方向输入的人工地震波进行适当放大，以保证实验时的人工地震波的反应谱TRS能包络样机要求的试验反应谱RRS。人工地震波总持续时间为30 s，其中强震部分20 s。

（6）状态监测

样机在试验期间是否通电取决于技术规格书中对待鉴定设备安全功能的规定[7]。试验期间，对样机上每个回路进行最少一次分合闸操作，并分别监视一、二次回路的动作情况。由于一次回路处于通电状态，因此主回路的状态监测通过元器件的辅助接点进行，同时，电压监测回路输出信号也必须进行状态监测。

（7）试验后功能检验

图8 输送线三维总体设计图

图9 输送线使用现场

样机在抗震试验前后均进行功能试验，根据功能试验结果，对样机的抗震性能作出评价。力资源，生产节拍提高到每道工序只需要3 s，不受人为因素影响，生产效率更高。减少了企业用工成本开支，保证了高质量产品的稳定生产，受到企业的欢迎，已经形成示范性，带动了本地区电饭煲企业的升级换代。