三代核电防火阀控制箱设备的研制

叶益明，陆建忠

（苏州东仪核电科技股份有限公司，江苏 苏州 215101）

0 引言

台山核电站是引进的EPR（欧洲第三代核电）技术，通风控制系统是首次由国内供货的系统，当时在国内还没有相关先例。

防火阀就地控制箱属于核安全级设备，在核电站在役期间，必须始终处于完好状态。

防火阀就地控制箱是为了保证核岛厂房各房间的通风空调正常运行，保证各房间的空气温度和湿度处于正常范围之内。防火阀平时处于开启状态，当核岛厂房内某房间发生火灾时，为避免火灾的扩大和蔓延，同时还能防止放射性物质的对外扩散，必须迅速关闭该房间的防火阀，使该房间与其他房间之间隔离开来。

根据不同的环境条件，核岛厂房选用3种型号的防火阀，有Highwell1、Highwell2和Vraco。这 些 防 火 阀属电动驱动型阀门，阀门的启、闭程序较为复杂，且不能自动检测防火阀处于的状态，现有的控制箱系统没有满足要求的PLC可选用。在实际使用中容易发生火灾处理事故不及时，造成重大的损失，无法满足核电站中对防火阀控制系统的高要求。

自主研发核电站防火阀控制箱设备是为克服现有技术的不足而提供一种核电站防火阀，接受DCS 控制单元，实现就地关闭和开启，同时具有向DCS控制单元反馈阀门状态、故障报警信号功能的核电站防火阀控制箱设备的电路结构。

1 主要技术指标

1.1 主要技术指标

防火阀控制箱设备通过极端环境条件试验、老化试验等K2/K3鉴定试验后，保证设备在地震工况条件下的完整性和可运行性。

1.2 其它技术指标[1]

1）功能等级：F1B

2）电气等级：EE2

3）仪控等级：EE1

4）地震等级：SC1

5）鉴定等级：K3

6）防护等级：IP42 /IK07

7）适用环境条件：温度5℃～45℃，湿度70%

8）外形尺寸：750×600×550（高×宽×深，单位：mm）

9）安装方式：挂墙安装

2 项目技术研发

2.1 设计技术要求

本项目研制用于核电站防火阀就地关闭和通过接受主控室命令，实现就地关闭和开启防火阀的逻辑控制装置。该装置接受反馈信号，在箱面指示，同时具有向主控室反馈阀门状态、故障报警等信号的功能。防火阀控制箱内通过对配电盘提供的电源进行AC/DC转换和分配，以获得防火阀的动力电源和控制箱内二次回路控制电源。电源具有冗余设计，并且对AC电源和DC电源进行监测，具有短路保护、故障报警功能；控制箱接受外部仪控DCS控制命令和阀门状态信号，并向仪控DCS反馈阀门状态信号、控制箱报警信号等。

2.2 控制原理

来自上级配电盘的230VAC电源进入控制箱内断路器001JS，再经过分断路器002JS和003JS进行保护后，通过开关电源001RD和002RD使230VAC转化成48VDC，再经过直流断路器004JS～007JS向防火阀的执行机构和控制回路提供电源。001RD和002RD电源互为备用，当一路电源损坏时，还有一路电源能正常工作。通过001XR对供电电源230VAC进行监测，当进线电源欠压和过压故障时，向DCS发出230VAC电源报警信号，002XR和003XR分别对001RD和002RD进行监测；当001RD或002RD发生故障时，通过004XR向DCS发出48VDC电源故障报警信号，001XR～004XR分别由001FU～004FU进行保护。见图1供电电源和电源监测。

图1 供电电源和电源监测Fig.1 Power supply and power monitoring

中间继电器101XR和102XR接收来自DCS的开关命令，经过中间继电器103XR和104XR，通过时间继电器101XT和102XT的延时功能，对控制继电器101JA和102JA进行时间逻辑控制，从而对就地防火阀进行开启和关闭控制，通过箱门按钮101TO关闭防火阀，DCS具有优先的权利。见图2DCS启停控制和箱门按钮控制。

图2 DCS启停控制和箱门按钮控制Fig.2 DCS start-stop control and box door button control

就地防火阀的开、关状态信号通过中间继电器105XR、106XR发送至DCS，并在箱门上通过指示灯101HA、102HA进行指示，102TO为试灯按钮。见图3阀门状态反馈和指示。

图3 阀门状态反馈和指示Fig.3 Valve status feedback and indication

2.3 技术创新点

1）采用继电器逻辑控制方案，对核电站通风系统各类防火阀进行启停控制。

2）对配电盘输入进行电源转换，以获得阀门动力电源和箱内二次回路电源；接受仪控DCS控制命令和向DCS反馈阀门状态信号、控制箱箱号。

3）安全可靠的控制方案和箱体的结构设计，通过安全级产品系列质量鉴定试验，使研发的控制箱产品在地震载荷作用下能够正常工作，并保持设备的完整性和可运行性。

3 样机的鉴定试验

3.1 样机选择

由于电源箱内仅安装断路器和接线端子，电源箱的尺寸也比防火阀控制箱小，根据整批设备的外形尺寸、结构型式、箱内配置元器件的数量来选择一个尺寸适当、结构复杂、箱内元器件数量较多、现场安装条件最苛刻的产品作为样机，故选择防火阀控制箱（8SR34 750×600×550，单位：mm）作为试验样机。

控制箱通过箱面的控制按钮，用来控制现场的阀门；指示灯指示现场阀门的开、闭状态，箱内安装的断路器、中间继电器、时间继电器、接触器、魏德米勒接线端子等，用以满足阀门的控制和信号的连接或扩展。

3.2 鉴定试验要求

3.2.1 基准性能试验

1）介电强度试验

试验依据《RCC-E压水堆核电站核岛电气设备设计和建造规则》（2005版）MC卷 MC3100电介质试验进行。

验收准则：如果试验时不出现局部放电、击穿或闪络，而且如果泄漏电流在用交流电试验时保持低于10mA，则认为该试验合格[2]。

2）绝缘电阻试验

试验依据《RCC-E压水堆核电站核岛电气设备设计和建造规则》（2005版）M卷 MC3200绝缘电阻试验检查和试验方法。

验收准则：如果测量值超过设备技术规格书中的规定值，则应认为这项试验是满意的。在缺少规定值时，对于各项设备该值应选为100MΩ，对于设备组件这个值可不小于10MΩ[2]。

3）接地电阻连续性试验

试验依据：《RCC-E 压水堆核电站核岛电气设备设计和建造规则》（2005）MC卷 MC3200机械结构接地连续性试验。

验收准则：在任何情况下，实测电阻值应低于0.1Ω[2]。

4）功能试验

◇试验目的验证控制箱的功能和技术性能分别满足详细设计图纸的要求。

◇试验方法

根据图纸的要求，对箱内元器件通过对外端子排进行通电试验。检查有显示功能的元器件能否正确显示，有操作功能的元器件能否正确操作，端子排能否正确地输出等。

◇试验前检查

在进行试验前，检查箱内元器件是否符合图纸要求。导线的安装符合图纸或标准要求，应已完成设备完整性检查，核实试验电源电压等级准确无误。

◇通电试验

根据图纸要求，对元器件进行通电试验，确认满足图纸要求。

3.2.2 机械振动老化试验

通过机械振动试验，用以确定样机设备经受规定严酷正弦振动的能力[3]，充分验证样机设备在机械振动的作用下能否正常工作，保持其完整性和可运行性，以履行其功能。试验参照GB/T2423.10《电工电子产品环境试验第2部分 试验方法试验Fc和导则：振动（正弦）要求》进行。

试验包括对3个规定轴（OX-OY-OZ）的每一个轴相继进行的下述3个阶段试验。

阶段1：探查关键频率（共振频率或者标识运行设备故障的频率）。

阶段2：用频率扫描进行耐久试验，按照规定的试验条件改变频率。

阶段3：探查关键频率（同阶段1）。

注：关键频率仅供参考用。如果阶段1和阶段3所得的关键频率相差大于5%，需对样机进行检查以确认是否有结构变形或损坏。

3.2.3 EMC试验

电磁的骚扰引起的严重误动作、损坏等使设备危险增加[4]，通过EMC电磁兼容性试验来确定控制箱样机在电磁环境条件下的抗干扰能力，使设备能满足安全可靠的使用技术要求。试验依据标准GB/T17626-2018《电磁兼容性试验和测量技术》进行，具体试验参数如下：

1）静电放电抗扰度试验

试验依据GB/T17626.2-2018《电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度》试验进行，参数如下：

◇接触放电

试验等级：2级 ±4kV 放电时间间隔≥1s

◇空气放电

试验等级：3级 ±8kV 放电时间间隔≥1s

2）射频电磁场辐射抗扰度试验

试验依据GB/T17626.3-2016《电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验》进行，参数如下：

◇试验等级：3级

◇频率范围：80MHz～1000MHz

◇试验场强：10V/m

3）电快速瞬变脉冲群抗扰度试验

试验依据GB/T17626.4-2018《电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》进行，参数如下：

◇试验等级：3级

◇试验电压（电源端）：2kV±10%

◇试验电压（信号端）：1kV±10%

◇重复频率：5kHz±20%

◇试验时间：≥1 min

4）浪涌（冲击）抗扰度试验

试验依据GB/T17626.5-2016《电磁兼容 试验和测量技术 浪涌（冲击）抗扰度试验》进行，参数如下：

试验等级：

AC电源：相与地3级

相与相2级

输入或输出端：2级

5）射频场效应的传导骚扰抗扰度试验

试验依据GB/17626.6-2017《电磁兼容试验和测量技术射频场感应的传导骚扰抗扰度》进行，参数如下：

◇试验等级：3级

◇调幅：（1 kHz）80%

◇试验电压：10V

6）工频磁场抗扰度试验

试验依据GB/T17626.8-2006《电磁兼容试验和测量技术工频磁场抗扰度试验》进行，参数如下：

◇试验等级：3级

◇磁场强度：10A/m

◇试验时间：1min

◇感应线圈位置：平行与正面、平行与侧面、平行与底面

7）共模传导骚扰抗扰度试验

试验依据GB/T17626.16-2007《电磁兼容 试验和测量技术 OHz～150kHz共模传导骚扰抗扰度试验》进行，参数如下：

◇试验等级：3级

◇试验频率范围：15kHz～150kHz

◇磁场强度：10V/m

3.2.4 湿热试验

试验参照IEC 60068-2-30《环境试验 试验循环湿热试》进行，在相对较高空气湿度下，以循环温度交变组合对电气产品的运行和存贮做出质量评价[5]。

主要试验参数如下：

1）设备不通电。

2）试验温度：55℃±2℃，相对湿度不低于95%±3%。

3）试验时间：两个循环，48 h。

3.2.5 加速热老化试验

加速热老化试验有助于避免设计缺陷和暴露故障[6]，加速热老化应尽可能精确地模拟由于显著老化机理设备在整个鉴定期内的老化降质[7]。

★加速热老化试验

1）试验温度及时间

采用阿伦纽斯模型进行加速热老化模拟，鉴定试验对需要进行热老化模拟元器件的合格寿命目标定为10年。

2）试验方法和要求

加速热老化模拟试验具体步骤依序如下：

◇所有需进行加速热老化的元器件在试验前应进行性能测试，记录测试结果并判别是否合格。

◇在最后完成加速热老化后，元器件从热老化箱取出，待冷却至室温，并按要求对结束热老化的元器件进行最终的性能测试和失效判定，以确定各元件在合格寿命末的运行能力和技术状态。

★运行老化试验

运行老化试验包括了对存在能动部件的断路器、按钮和各类继电器进行的机械老化试验，每个器件应在正常和异常环境条件下运行，并达到设备技术规格书所规定的全部性能和电气特征参数[8]，试验按照NB/T20074《核电厂安全级电动机控制中心质量鉴定》要求实施。

3.2.6 辐照试验

通过进行辐照试验，考核控制箱样机的耐辐照性能情况。具体要求如下：

剂量率：8.4Gy/h±4.2Gy/h

总剂量率：2.1kGy±15%

3.2.7 抗震试验

1）试验目的

为了验证样机设备在发生地震期间和（或）地震后，能执行其安全功能[9]，保持其完整性和可运行性，保证设备在地震工况及地震后的使用功能，同时也不危及其它安全设备的正常运行。试验前，样机背部先与支架用螺栓固定，支架底座再与功能试验台固定；试验过程中，样机正常通电，使设备处于工作状态。

2）抗震试验的设备和仪器

试验设备采用上海同济大学与美国TS公司制造的模拟振动试验台，STEX3、96通道数据采集系统。

3）试验反应谱

根据电站各厂房包络谱并结合其余相关技术要求设定试验的包络谱，阻尼比选取5%，试验时增加10%裕度，做相应5次SL-1及1次SL-2试验，其中SL-1试验谱值为SL-2试验谱值的50%。

3.3 试验方法及试验结果

3.3.1 基准性能试验

★介电强度试验

试验内容：辅助回路24V、48VDC；试验电压：交流500V。

主回路400V 试验电压：交流2500V电压施加到每一个电气上独立的电路与所有其他相互连接并接地的电路之间。

试验结果：试验时间1min，试验时不出现局部放电、击穿或闪络，泄流电流保持低于10mA。

★绝缘电阻测量

试验内容：每次测量时施加电压为直流500V，电压施加到每一个电气上独立的电路与所有其他相互连接并接地的电路之间，仪表指示保持稳定至少10s之后，记录测量值。

试验结果：绝缘电阻不小于100MΩ。

★机械接地的电气连续性检查

试验内容：使用接地电阻测试仪，在由机械地线构成的各个回路中形成不低于2 A的电流。

测量在接地连接与下列各地线间进行：

——门。

——门把手。

——框架、安装板。

——安装导轨。

——金属保护外壳。

在正常不应该带电的金属外壳之间，不少于5点。

试验要求：接地电阻值要求小于0.1Ω

★基准数据测量

试验内容：对试验设备根据电气元件各自的电气特性，进行功能特性试验。

试验结果：根据记录数据为合格，并作为后续试验的基准数据。

3.3.2 非地震振动试验

试验内容：检查由于安装环境（振动）对设备的影响量。

试验结果：通过验证振动时设备的功能特性，试验结果合格。

3.3.3 电磁干扰试验

试验内容：检查由于安装环境（电磁干扰）对设备的影响量。

试验结果：通过验证电磁干扰时设备的功能特性，试验结果合格。

3.3.4 湿热试验

试验内容：根据设备技术规格书要求，试验温度：50℃；相对湿度：85%；48h，两个热循环。

试验要求：验证设备在高温、高湿环境使用和贮存的适应性。

3.3.5 老化试验

试验内容包括加速热老化：10年，约128天（15年，约192天）；运行老化试验：各可动元件进行电气和手动操作。

试验结果：按基准性能试验进行测试，元件均在预期寿命内合格。

3.3.6 辐照老化试验

试验内容：根据设备规格书要求，确定设备累积剂量。

试验结果：通过验证设备在辐照后的性能，试验结果合格。

3.3.7 地震试验

试验内容：根据用户提供的控制箱所安装楼层的地震反应谱，按阻尼比0.5设计人工反应谱，分X，Y，Z三方向输入波形，对设备进行5次OBE，1次SSE考核试验。

试验结果：在地震试验前、试验中、试验后，对设备始终进行功能性试验，通过验证，试验结果合格。

3.3.8 重复基准性能试验

试验内容：同序号3.3.1。

试验内容：验证设备在预计寿命末期还保持原有的性能。

上述试验结论均为合格。

4 研制成果

根据上述鉴定试验程序，按照核电产品质量保证大纲和质量计划要求开展了防火阀控制箱样机的鉴定试验工作，通过试验结果证明研制成功的防火阀控制箱能满足设计文件、鉴定试验程序等规定要求，满足了台山核电项目通风系统防火阀控制的使用要求。

防火阀控制箱设备的研制成功，还获得了一项实用新型发明专利《一种核电站防火阀控制箱系统的电路结构》（专利号：ZL 2014 2 0617558.X），对于科研投入的知识产权保护及市场推广方面具有重要的意义。