一种反应堆保护系统可靠性分析

李铁柱 王眷卫 杨睿琬 文亦龙 魏旭峰

中核控制系统工程有限公司 北京 100000

1 可靠性分析要求及方法

可靠性指标采用目标值与门限值两种形式，通过目标值与门限值指标明确地规定设计工作的可靠性目标和必须满足的可靠性门槛条件。

根据该系统技术规格中的有关规定，在该系统的设计寿期内，其可靠性满足下列要求：①每个变量的系统安全故障率（误停堆率）不大于每年一次；②每个变量在要求保护动作时，系统因随机故障而不动作的概率不大于10-5。

故障树分析是一种定性或定量的分析技术，是把在故障模式和后果分析中所得的信息用图表示、联系起来的一种方法。故障树是系统的一种故障模型，其形式是树状结构[1]。

故障树分析方法的优点是：

①促使分析者积极地以演绎方式寻找故障事件；②故障树是一种直观的、易于理解的、显示系统是如何故障的数学模型。它指出了系统行为的主要方面，为评估修改提供参考；③为确定系统的多故障和共因故障机理提供依据，也为进行定量分析提供了系统性依据；④便于定量计算，是系统可靠性分析中最常用的方法；⑤故障树技术也提供了与设计过程中考虑的故障特性相一致的、清楚的文件。

故障树不包括组成系统的全部元、部件的所有可能的故障模式，它只包括对引起顶事件有贡献的那些故障模式。

2 系统结构及功能

2.1 系统描述

该系统由三个相同又相互独立的保护信号处理逻辑通道组成，三个通道结构、布置基本相同。信号处理通道主要由AI信号采集调理模块、NX放大阈值模块、DV表决模块组成。

2.2 系统功能

该系统的主要功能是监测保护参数，当相关保护参数达到动作整定值时，输出停堆驱动信号，触发停堆断路器动作。

该系统主要功能如下[2]：

①接收现场测量仪表或其他I&C系统信号，通过定值比较，局部三取二符合后，向停堆断路器屏和第二停堆断路器屏输出停堆驱动信号；②具有运行旁通和维修旁通功能；③具有定期试验功能；④通过硬接线向主控制室KIC发送保护参数显示；⑤通硬接线向主控制室KIC和BUP发送警告、报警信号；⑥提供设备自身报警信息（机柜门开、机柜内温度高、插件离柜、电源故障等）。

2.3 系统表决规则

该系统主要由三个独立的处理构成“三取二”系统，输出停堆信号为“0”触发信号，采用“三取二”结构，因此，该系统的可靠性框图如图1所示。

图1 系统逻辑装置可靠性框图

2.4 系统信号传导模型

根据停堆功能信号处理流程的分析，各个处理单元的内部结构如图2所示（以通道1为例）

图2 停堆信号处理逻辑通道结构图

3 可靠性指标计算

3.1 拒动概率

基于各个功能信号流程分析，确定系统中各个模块间的关系，建立系统模型，通过模块的故障发生概率计算拒动概率。

针对模块的不可诊断故障，定义其可靠性模型为“定期测试部件”，即这些故障通过定期试验的方式进行检测，依据《GB-T-9225-1999安全系统可靠性分析的一般原则》可知模块的不可诊断故障引起的不可用性为[3]：

其中， 为不可诊断故障产生的失效率，TI为定期试验周期（暂定为6个月）。

与该系统输出失效相关的卡件输出失效率如表1所示：

表1 卡件输出失效率

以AI隔离模块为例，由表1可知AI的不可诊断故障率为1.36162928×10-6/h，TI=4380h，带入式（1）可得：

则：AI隔离模块不可诊断故障的可用性为：

ANSA =1- QNSA = 0.997018

依据上述方法可以计算得出各个处理单元的可用性（可用性=1-不可用性）。

那么单通道的停堆功能可用性数值为：

根据以上描述的可靠性结构和计算得出单通道停堆功能可靠性指标如下：

A单通道= 99.9147759%

而系统采用三取二结构，所以整体的停堆功能可用性指标为：

可用性=99.9997822%

不可用性=1-可用性= 2.1777×10-6，则拒动概率=2.1777×10-6。

3.2 误动率

基于各个功能信号流程分析，确定系统中各个模块间的关系，建立系统模型，通过模块的故障发生概率计算误动率。计算误动率时，只考虑系统发生不可诊断故障引起的误动作。系统误动率模型上，采用保守的“串联”模型。

通道1误动率为R通道1=0.000789753次/h；

通道2误动率为R通道2=0.000789753次/h；

通道3误动率为R通道3=0.000789753次/h 。

而该系统采用三取二结构，故整体的误动率为：

R=1.87×10-6次/h=0.016382次/年

4 结束语

本文以某反应堆保护系统为分析对象，根据该系统自身结构组成及功能特性表决规则，详细计算了可用性及拒动概率，并通过故障树法计算出误动率的过程。此方法不仅验证了设计提出的可靠性目标要求。本文所述方法和实践也可用于其他类型相似反应堆保护系统的可靠性分析计算提供了有价值的参考，对定量评估反应堆保护系统的拒动率、勿动率等可靠性指标具有较重要实用意义。