中國電工技術學會主辦，2017年8月19-21日在北京鐵道大廈舉辦，本屆大會主題為“能源大變革時代——電工裝備行業創新與發展之路”。浏覽會議詳情和在線報名參會請長按識别二維碼。

文章正文開始

中廣核工程有限公司的研究人員俞紀維，在2017年第2期《電氣技術》雜志上撰文指出，停堆斷路器是核電廠反應堆停堆開關裝置的核心部件，也是反應堆保護系統停堆功能的最終執行機構，其安全可靠性，對于核電廠的安全運行十分重要。

本文從有關停堆斷路器設備鑒定的一般方法出發，結合國内的實際情況，對停堆斷路器設備鑒定相關标準的理解和方法的運用提出一些探讨。

目前國内在停堆斷路器設備鑒定方面的标準尚不完備，從而在一定程度上影響了我國停堆斷路器研制的進度和水平，也給購買方增加了困難。

國内制造商對此設備制訂的鑒定大綱往往是在綜合美國和法國的相關标準及業主方的采購要求，借鑒國外制造商的經驗來完成的。

本文從停堆斷路器設備鑒定的一般方法出發，結合國内的實際情況，對停堆斷路器鑒定相關标準的理解和方法的運用提出一些探讨。

1 設備簡介

停堆斷路器又名RTB，為“REACTOR TRIP BREAKER”縮寫，其外形結構如圖1所示，也是一種低壓成套設備（開關櫃），因此也稱為停堆斷路器（RTB）櫃（盤）。

圖1 停堆斷路器

停堆斷路器為1E級設備，質保等級為Q1，其基本原理如圖2所示，功能是：在反應堆及其輔助系統中發生威脅反應堆安全運行的事故時，切斷所有給控制棒驅動機構的供電電源。

圖2 停堆斷路器基本原理

停堆斷路器由兩列盤櫃組成，分别為RPA001TB和RPB001TB；每列盤櫃各包含4台框架斷路器，每台開關采用斷電脫扣（欠壓脫扣器）的方式，并外加通電脫扣器（分閘線圈），且不配置熱磁保護裝置；對于每列盤櫃，按照廠房房間的空間布置，既可以雙面布置，也可以單面布置。

停堆斷路器的主要技術參數如下：電源260VAC，50Hz，3Phase N PE；母線額定載流量1000A；短路耐受強度20kA/1s；防護等級IP41。

2 設備鑒定的含義

從廣義上講，設備鑒定即确保設備一經要求就能投入運行且滿足系統性能要求的證據的産生與維持（包括“再鑒定”，即在電廠正常運行期間驗證、維持設備與系統的性能）。

而通常廠家在做設備鑒定時僅需考慮确保設備一經要求就能投入運行且滿足系統性能要求的證據的産生（指在試驗室中進行的驗證設備有能力完成安全功能的試驗行為，即從狹義層面完成設備鑒定工作）。

3 設備鑒定的策劃

設備鑒定是一個持續性的過程，始于核電廠的設計，直至設備的服役壽期終結。

對于停堆斷路器的設備鑒定，首先需要确定鑒定設備（即RTB樣機選擇）和确定鑒定功能與環境條件。RTB試驗樣機選擇2台低壓開關櫃，包括1台框架斷路器單櫃和1台進線空櫃，如圖3所示。

圖3 停堆斷路器試驗樣櫃

鑒定功能與環境條件的确定通過以下三部分鑒定程序驗證來完成：1）在正常環境條件下，通過标準鑒定程序驗證；2）在地震負荷條件下，通過抗震鑒定程序驗證；3）抗内部故障電弧能力的驗證。

在驗證階段，停堆斷路器的設備鑒定通常由一系列試驗和/或分析組成。按法國RCC系列标準，停堆斷路器須按K3質量鑒定程序來鑒定。K3質量鑒定程序用來驗證安裝在安全殼外的設備在正常環境和地震載荷下以及設備某些項目規定的事故工況下能完成其指定的功能。

4 設備鑒定的實施過程

停堆斷路器的設備鑒定，按K3類設備的鑒定程序，分以下四個階段進行：第一階段，程序準備和基準試驗；第二階段，型式試驗和相關試驗的分析；第三階段，地震試驗；第四階段，内部燃弧試驗。

4.1 程序準備和基準試驗

程序準備及标識文件的準備，包括：設備結構和分類說明、功能特性介紹、投運和運行說明、标記、試驗的一般介紹、鑒定試驗大綱等。基準試驗即設備初始試驗，指為準備設備鑒定而進行的性能檢測，包括：标識檢查、功能特性試驗、介電強度試驗和絕緣電阻測量。

4.2 型式試驗和相關試驗的分析

型式試驗和相關試驗的分析主要包括：外殼防護等級的驗證、溫升的驗證、機械操作的驗證、短路耐受強度的驗證、接地回路有效性驗證、電氣間隙和爬電距離的驗證、欠壓和分閘時停堆斷路器動作時間的測量，以及電磁兼容（EMC）性能的分析、阻燃性能的驗證、老化性能分析與驗證。

其中停堆斷路器外殼防護等級的驗證、機械操作的驗證、短路耐受強度的驗證、接地回路有效性驗證、電氣間隙和爬電距離的驗證的試驗要求、方法及驗收準則，與低壓成套開關設備的型式試驗無明顯區别。

因此，下文着重闡述溫升的驗證、欠壓和分閘時停堆斷路器動作時間的測量，以及對EMC、阻燃、老化性能進行分析，從中體現對停堆斷路器設備鑒定相關标準的理解和方法的運用。

1）溫升的驗證

按GB7251.1（等同于IEC60439-1）的規定，溫升試驗的方法為：進線回路通以額定電流，每條出線回路通過的電流為其額定電流乘以額定分散系數。試驗時使用的外接導體的尺寸和布置方式也應載入試驗報告。

試驗持續的時間應足以使溫度上升到穩定值（一般不超過8h）。實際上，當溫度變化不超過1K/h時，即認為達到穩定溫度。

環境溫度應在試驗周期的最後四分之一期間内測量，至少要用兩個熱電偶或溫度計均勻地布置在RTB櫃的周圍，在高度約等于RTB櫃的二分之一，并離開RTB櫃1m遠的地方安裝。另外，應防止空氣流動和熱輻射對溫度計和熱電偶的影響。

試驗結束時的溫升應不超過GB7251.1表2中規定的數值。電器元件在RTB櫃内部溫度下，并在其規定的電壓極限範圍内應良好地工作。

2）欠壓和分閘時停堆斷路器動作時間的測量

停堆斷路器動作時間指測量RTB框架斷路器的欠壓脫扣器從檢測到失壓信号（門限值為16.8V-33.6V）和/或分閘線圈檢測到分閘信号開始，到RTB框架斷路器（隔離開關）主觸頭完全打開（電弧完全熄滅）的時間，要求這個時間值不大于150ms。試驗電路參數：電流117A（有效值），時間常數97ms 2%。用示波器從施加欠壓/分閘信号開始計時，記錄到主觸頭完全打開止的時間。

3）電磁兼容（EMC）性能的分析

按GB7251.1中7.10.1有關EMC環境的定義，應用于核電廠核島電氣廠房的停堆斷路器（RTB）櫃所處的環境屬于環境2：與低壓非公共電網或工業電網有關。

RTB櫃作為成套設備隻是一次性生産和組裝，按GB7251.1中7.10.2規定，如果滿足下面兩項條件，則不要求在最終的RTB櫃上進行EMC抗幹擾或輻射試驗：

（1）按GB7251.1中7.10.1中規定的環境進行設計的組合器件和元件符合相關的産品标準或通用的EMC标準；

（2）按照元器件制造商的說明書進行内部安裝及接線，其互相影響，已在電纜屏蔽和接地等方面有過考慮和安排。

RTB櫃所選用的框架斷路器本身符合其産品标準，且額定電流為50Hz低頻，櫃中又無電子設備（斷路器不含過電流保護脫扣器）或數字元器件，因此不存在EMC方面的影響。

RTB櫃生産時，嚴格按照各元器件制造商說明書進行連線，按GB7251.1中7.8規定，從電纜屏蔽、接地等方面降低電磁幹擾和相互影響。

通過以上分析可見，停堆斷路器（RTB）櫃滿足EMC性能的要求，不需進行EMC的試驗。

4）阻燃性能的驗證

聚合材料的阻燃性能和灼熱絲的點燃溫度按照工業标準（尤其是IEC60439-1，IEC60947-1及IEC60947-3标準）的要求進行評估。

5）老化性能分析與驗證

根據IEEE std 323-2003，老化主要有熱老化、操作老化和輻射老化。安裝在安全殼外的1E級設備不受輻射影響，因此隻需考慮熱老化和操作老化。對于RTB所選用的框架斷路器，本身已經過CCC認證，其機械壽命和電氣壽命遠遠大于實際使用次數要求，因此，在壽命周期内，可以不用考慮操作老化的影響。

熱老化主要與環境溫度和元器件本身發熱有關。停堆斷路器（RTB）櫃長期運行環境溫度為0~40℃，由于主開關與主母線的實際運行電流約為額定電流的一半左右，因此主開關與主母線的絕緣支撐件在實際運行中沒有重大的老化機理。由于沒有重大的老化機理出現，按照IEEE Std323-2003中6.2.1節規定，不需要進行老化試驗。

同時，停堆斷路器（RTB）櫃聚合材料絕緣件和開關殼體等聚合材料已通過模拟加速老化試驗驗證，壽命可達40年，可見其材料老化性能分析報告。

對于長期處于通電狀态的欠壓脫扣器需要進行老化壽命分析及驗證。對線圈而言，其壽命主要取決于溫升。方法是在額定控制電壓48VDC下持續通電至線圈溫升不再變化，即達到平衡，來測量線圈的溫升。

4.3 地震試驗

1）關鍵件影響量極限值的驗證

對關鍵元器件，按照RCC-E D2000規定先分析在影響量極限值公稱值範圍内在極限條件下設備的功能特性，除分析外，還應進行試驗驗證，該試驗在地震試驗的試驗前和試驗後進行。

根據技術規格書描述，RTB的關鍵件影響量主要是溫度和電壓。RTB在工作/運輸儲存溫度完全能滿足技術規格書要求，因此，僅對控制電壓的極限值進行驗證。

根據RCC-E D2330，對110VDC系統，電壓範圍為88V-121V，48VDC系統電壓範圍要求為39V-53V。結合停堆斷路器技術規格書的要求，對110VDC系統中的分閘線圈檢測範圍為77V-121V；對48VDC系統中的框架斷路器欠電壓脫扣器，其動作門限值範圍為16.8V-33.6V。

2）地震試驗

通過地震試驗，測定停堆斷路器（RTB）櫃的自振頻率，考核RTB櫃的剛度、強度，驗證RTB櫃在地震作用時和作用後能否正常工作，保持其完整性，以履行其相關的安全功能。

具體試驗内容如下：（1）測試RTB櫃的自振頻率和阻尼比；（2）對RTB櫃進行5次運行基準地震（OBE）考核試驗；（3）對RTB櫃進行1次安全停堆地震（SSE）考核試驗。

地震試驗時主回路不受電，控制回路受電。試驗布置5個加速度測點，每個測點均含X、Y、Z三個方向。在地震試驗前、試驗後，對RTB櫃進行性能測試。在抗震試驗中，對RTB櫃的工作性能進行監測。

試驗方法和步驟如下：

（1）自振頻率和阻尼比的測定

采用頻率範圍為0.5～50Hz 的白噪聲随機波分别在X、Y、Z 三個軸向進行激勵，輸入加速度為0.2g。通過白噪聲試驗測定RTB櫃的自振頻率和阻尼比。

（2）抗震考核試驗

地震試驗樣機模拟運行時可能經受與其安裝樓闆上相同地震條件（适用核電廠電氣及連接廠房（LX-WX-DA） 0.00m層的樓層反應譜，阻尼比ξ=0.05）進行試驗，先進行5次運行基準地震（OBE），然後進行1次安全停堆地震（SSE），OBE反應譜的幅值等于SSE反應譜的一半。

OBE 和SSE 考核試驗人工地震波互為獨立，X、Y、Z 三方向的相關系數小于0.3。

試驗在最不利的“包絡線試驗譜”或人工合成的“包絡線試驗譜”下進行，并考慮10%的裕度，以保證試驗時的人工地震波的反應譜TRS包絡要求的反應譜RRS，以便最大限度地使“包絡線試驗譜”能夠适用國内更多的核電廠。

在OBE與SSE地震試驗期間需要對一次回路和二次回路進行如下監測和試驗：通過二次控制回路控制斷路器的分斷和閉合；監視斷路器主觸頭、輔助觸頭的常閉和常開觸點的狀态。

SSE地震試驗後需要首先進行外觀、機械結構檢查，櫃體不得有裂縫，螺釘螺母不得有松動、脫落，支架不得有松動、變形等不正常現象，機械操作元件、連鎖、鎖扣等部件的功能保持完好，開關櫃的各功能單元在運行、試驗、隔離等位置的操作靈活。

經檢查符合要求，再進行性能測試，開關櫃的各功能單元能夠正常運行、關合、開斷及實現各種保護設計功能，并且各項性能要求符合要求。同時，還需經過電氣與機械功能試驗、介電試驗、絕緣電阻試驗的再次驗證。

4.4 内部燃弧試驗

内部燃弧試驗目的在于考核停堆斷路器（RTB）櫃耐受内部故障電弧的能力，以評估短路條件下故障電弧是否對人身造成傷害或其他破壞的程度。内部燃弧試驗是破壞性試驗（如圖4所示），要在經過地震試驗後的2台RTB試驗樣機上進行。

圖4 内部燃弧試驗

1）試驗要求

試驗應遵循GB/Z18859（IEC/TR361641）的相關要求。預期短路電流為20kA（峰值40kA）；試驗電壓為400V（380V 5%）；試驗持續時間為0.3s；要做2個點的燃弧試驗，第一個點在電纜進線櫃的水平母排上，第二個點在開關的進線排上。

2）試驗方法

電弧應在不接地的相間引燃，用一個裸銅引燃線以最短距離與臨近導體連接，而且連到三相上。銅引燃線的規格為0.75mm2。如果試驗電流受限流保護器件影響，引燃線應根據該器件的允通電流從GB/Z18859(IEC/TR361641)的表1選擇。

引燃點應進行選擇，使其生成的電弧效應在停堆斷路器櫃内産生最大壓力。

引燃導線僅應連接到可接近的裸導體上。當引燃線連接時，導體上的絕緣蓋闆或套管不應被損壞、移去或穿孔。所有導體都被絕緣的任何隔室不需要試驗。

注：電弧不能用穿過固體絕緣材料的方法引燃。

3）驗收準則

按照GB/Z18859（IEC/TR361641）的條款5規定的5個準則進行判定，也即符合下述5個要求，則認為試驗通過。

（1）門、蓋闆等處于正确的使用狀态，沒有被打開；（2）沒有可能引起危險的設備部件飛落（這些部件包括大的部件或有鋒銳邊緣的部件，如：用金屬或塑料制成的觀察窗、蓋闆等）；（3）電弧的燃燒或其他效應在成套設備外殼可自由觸及的外表上沒有造成孔洞；（4）垂直放置的指示器沒有被點燃；（5）外殼的可接近部件的等電位連接仍然有效。

5 結論

回顧上述停堆斷路器的設備鑒定過程内容，可得出以下結論：

1）确保設備一經要求就能投入運行且滿足系統性能要求的證據的産生與維持，是設備鑒定的最廣泛内涵。

2）确保設備一經要求就能投入運行且滿足系統性能要求的證據的産生，及通過一系列試驗和/或分析這一綜合方法，完成鑒定程序驗證工作，是設備鑒定最普遍做法。

3）樣機的選擇，鑒定功能與環境條件的分析、确定（包括試驗項目的選擇、試驗細節内容的斟酌及有關試驗順序的安排等），直接考驗鑒定工作的最終成效，體現對設備鑒定相關标準的理解程度和方法運用的熟練程度。

4）RTB停堆斷路器按K3質量鑒定程序來鑒定，對設備鑒定相關标準的理解和方法的運用這一有益實踐，對核電廠其他1E級電氣設備質量鑒定有重要借鑒指導意義。

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