鄭開(kāi)云，楊 曉，陳 智

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海 200240）

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基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)的電氣貫穿件鑒定試驗(yàn)研究

鄭開(kāi)云，楊 曉，陳 智

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海 200240）

摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了核電廠安全殼電氣貫穿件以及相關(guān)的鑒定標(biāo)準(zhǔn)，并著重介紹了IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)的演變歷程。闡述了基于IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)的電氣貫穿件鑒定試驗(yàn)方案的制定，并針對(duì)AP/ CAP系列核電電氣貫穿件的鑒定提供了鑒定試驗(yàn)序列的實(shí)例。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析討論了按照IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施鑒定試驗(yàn)過(guò)程中存在的問(wèn)題及解決方法。相關(guān)研究結(jié)果可為核電行業(yè)應(yīng)用IEEE標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展核電設(shè)備鑒定提供借鑒。

關(guān)鍵詞：電氣貫穿件；設(shè)備鑒定；IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)；型式試驗(yàn)

核電是可大規(guī)模利用的清潔能源，我國(guó)主張?jiān)诖_保安全的基礎(chǔ)上高效發(fā)展核電。為確保核電廠安全運(yùn)行，核電廠安全級(jí)設(shè)備必須通過(guò)嚴(yán)格的鑒定才能生產(chǎn)、投運(yùn)［1］。鑒于我國(guó)多種核電技術(shù)路線并存發(fā)展的現(xiàn)狀，針對(duì)不同技術(shù)規(guī)范核電廠，須采用不同的核電設(shè)備鑒定標(biāo)準(zhǔn)、方法和程序。隨著我國(guó)核電技術(shù)的發(fā)展和設(shè)備國(guó)產(chǎn)化研制的廣泛開(kāi)展，行業(yè)內(nèi)對(duì)于核電設(shè)備鑒定的重要性的認(rèn)識(shí)也在不斷提高，并且對(duì)核電設(shè)備鑒定標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用和實(shí)踐開(kāi)展了研究，并提供良好經(jīng)驗(yàn)反饋［2 -5］。

近年來(lái)，我國(guó)引進(jìn)、消化、吸收美國(guó)西屋公司AP1000核電技術(shù)，并自主開(kāi)發(fā)了CAP系列三代核電型號(hào)，在國(guó)內(nèi)掀起AP/ CAP系列三代核電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化研制的熱潮。這些設(shè)備的鑒定須采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，其中電氣設(shè)備鑒定基于電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（Institute of Electrical and Electronics Engineers，簡(jiǎn)稱(chēng)IEEE）標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)械設(shè)備鑒定基于美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)（American Society of Mechanical Engineers，簡(jiǎn)稱(chēng)ASME）標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)在核電設(shè)備鑒定領(lǐng)域形成了包括聯(lián)邦法律、核管會(huì)監(jiān)管導(dǎo)則、國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的完備的法制、管理和技術(shù)體系，所以美國(guó)核電設(shè)備鑒定標(biāo)準(zhǔn)比較成熟和完善［6］。本文研究了基于美國(guó)IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)的電氣貫穿件鑒定方案，并探討了在鑒定實(shí)施的過(guò)程中的有關(guān)問(wèn)題，旨在為行業(yè)內(nèi)應(yīng)用IEEE標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展核電設(shè)備鑒定提供借鑒。

1 電氣貫穿件及其鑒定標(biāo)準(zhǔn)

1. 1 電氣貫穿件簡(jiǎn)介

電氣貫穿件為核電廠設(shè)備提供貫穿安全殼的電氣通路，通過(guò)其中裝配的各類(lèi)饋通線為安全殼內(nèi)部的設(shè)備提供動(dòng)力和控制信號(hào)，并將相關(guān)的監(jiān)測(cè)信號(hào)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋信號(hào)傳送到安全殼外。電氣貫穿件的饋通線按功能用途主要可分為表1中所列五種類(lèi)型。

表1 電氣貫穿件饋通線分類(lèi)Table 1 Classification of feedthroughs in electric penetration assemblies

電氣貫穿件廣泛采用雙密封設(shè)計(jì)，導(dǎo)體饋通線模塊穿過(guò)一個(gè)充有一定壓力氮?dú)獾匿撝仆搀w，這一結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在殼外連續(xù)監(jiān)測(cè)泄漏。電氣貫穿件筒體與安全殼套管焊接，并穿過(guò)安全殼（單殼或雙殼）至核島輔助廠房。饋通線導(dǎo)體兩端與電纜連接，并在電氣貫穿件兩頭安裝端子箱以保護(hù)導(dǎo)體接線端子。電氣貫穿件的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電氣貫穿件結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structural schematic diagram of electric penetration assembly

相比其它的電氣設(shè)備，電氣貫穿件的獨(dú)特之處在于其設(shè)計(jì)和鑒定的規(guī)范既要滿足核電廠電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)規(guī)范又要滿足機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)規(guī)范，其安全功能包括保持安全殼壓力邊界完整性（機(jī)械完整性）和電氣完整性兩個(gè)方面。

1. 2 電氣貫穿件鑒定標(biāo)準(zhǔn)

電氣貫穿件屬于安全級(jí)設(shè)備，在用于核電廠之前，電氣貫穿件樣機(jī)必須通過(guò)一系列的鑒定試驗(yàn)，以驗(yàn)證其在核電廠正常工況、異常工況和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故條件下均能保持安全功能。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行用于電氣貫穿件鑒定的標(biāo)準(zhǔn)主要有：

（1）IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)，最新版本為IEEE 317 - 2013 IEEE Standard for Electric Penetration Assemblies in Containment Structures for Nuclear Power Generating Stations（核電站安全殼電氣貫穿件）；

（2）IEC 60772 - 1983 Electrical Penetration Assemblies in Containment Structures for Nuclear Power Generating Stations（核電站安全殼電氣貫穿件）；

（3）GB/ T 13538 -1992核電廠安全殼電氣貫穿件（此標(biāo)準(zhǔn)主要參照IEC 60772 - 1983標(biāo)準(zhǔn)）；

（4）GB/ T 25837 - 2010核電廠安全殼電氣貫穿件的質(zhì)量鑒定。

其中，IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)包括電氣貫穿件設(shè)計(jì)、制造、鑒定、試驗(yàn)、安裝等方面的要求，就鑒定方面而言，它是IEEE 323標(biāo)準(zhǔn)的子標(biāo)準(zhǔn)［7］，屬I(mǎi)EEE系列核電設(shè)備鑒定標(biāo)準(zhǔn)之一；IEC 60772 -1983是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)也參照制定了GB/ T 13538 - 1992，也涉及電氣貫穿件設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、安裝、維護(hù)等多方面的內(nèi)容；GB/ T 25837 -2010標(biāo)準(zhǔn)主要適用于基于法國(guó)RCC系列規(guī)范建造的核電廠安全殼電氣貫穿件，是關(guān)于設(shè)備鑒定的專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)。

本文討論基于IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)的電氣貫穿件鑒定方案，該標(biāo)準(zhǔn)自1971年首次出版以來(lái)，已修改四次，后續(xù)版本分別是1972、1976、1983和2013。美國(guó)核管會(huì)導(dǎo)則文件“REGULATORY GUIDE 1. 63（1978）ELECTRIC PENETRATION ASSEMBLIES IN CONTAINMENT STRUCTURES FOR LIGHT - WATER - COOLED NUCLEAR POWER PLANTS（輕水核電廠安全殼電氣貫穿件）”認(rèn)可了IEEE 317 -1976、“REGULATORY GUIDE 1. 63（1987）ELECTRIC PENETRATION ASSEMBLIES IN CONTAINMENT STRUCTURES FOR NUCLEAR POWER PLANTS（核電廠安全殼電氣貫穿件）”認(rèn)可了IEEE 317 -1983。到1983版時(shí)，IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展成熟，標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定采取型式試驗(yàn)的方式進(jìn)行鑒定，并將試驗(yàn)分為設(shè)計(jì)試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)兩部分，這也是相比其他IEEE系列鑒定標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)特之處。相比1983版，2013版增加了電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，簡(jiǎn)稱(chēng)EMC）試驗(yàn)和有關(guān)光纖的試驗(yàn)，并且作為可選項(xiàng)增加嚴(yán)重事故工況的試驗(yàn)，其他鑒定試驗(yàn)相關(guān)條款未作實(shí)質(zhì)性修改。由于IEEE 317 -2013版的標(biāo)準(zhǔn)更加符合當(dāng)前電氣貫穿件的產(chǎn)品發(fā)展要求，本文以下均采用IEEE 317 -2013標(biāo)準(zhǔn)展開(kāi)論述。

2 電氣貫穿件鑒定方案

2. 1 鑒定要求的識(shí)別

核電設(shè)備鑒定要求的識(shí)別起始于設(shè)備規(guī)范書(shū)，設(shè)備規(guī)范書(shū)給出了設(shè)備描述、設(shè)備服役條件、設(shè)備所在系統(tǒng)及其接口、設(shè)備功能要求等。設(shè)備鑒定開(kāi)始前，對(duì)于設(shè)備規(guī)范書(shū)中關(guān)于設(shè)備鑒定要求的識(shí)別被轉(zhuǎn)換成設(shè)備鑒定大綱，如果采取型式試驗(yàn)方法，大綱闡明代表性樣件的選取、鑒定依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、鑒定試驗(yàn)序列、鑒定試驗(yàn)方法和驗(yàn)收準(zhǔn)則。在鑒定正式實(shí)施前，設(shè)備鑒定大綱需要得到采購(gòu)方或業(yè)主確認(rèn)。由于不同的核電堆型的環(huán)境條件和運(yùn)行工況是不同的，即便是同一堆型，不同廠址的環(huán)境條件也不盡相同，所以設(shè)備鑒定大綱通常是針對(duì)特定的核電廠的。

電氣貫穿件鑒定要求的識(shí)別和轉(zhuǎn)化過(guò)程亦如上所述，IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)可以為鑒定大綱的制定提供技術(shù)路線，并為鑒定的實(shí)施提供方法和步驟。實(shí)際開(kāi)展鑒定時(shí)還需要結(jié)合核電廠的工況（正常運(yùn)行、預(yù)計(jì)運(yùn)行事件、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故、嚴(yán)重事故），對(duì)鑒定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)化和補(bǔ)充，并且應(yīng)選擇設(shè)備所處的最嚴(yán)苛環(huán)境工況作為鑒定輸入條件［8］。

根據(jù)IEEE 323標(biāo)準(zhǔn)，鑒定的目的是為了確定設(shè)備的鑒定壽命［9］。IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)要求電氣貫穿件整體的鑒定壽命不小于其安裝壽命（如：60年），對(duì)于可替換部件，其鑒定壽命可小于電氣貫穿件的安裝壽命，但必須在其鑒定壽命終止前重新更換。

2. 2 樣機(jī)選取

根據(jù)IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)，電氣貫穿件鑒定試驗(yàn)樣機(jī)的選取必須滿足以下三個(gè)原則：

（1）與產(chǎn)品具有相同的設(shè)計(jì)；

（2）采用代表性的生產(chǎn)設(shè)備和工藝制作；

（3）樣機(jī)的配置能夠產(chǎn)生代表被鑒定設(shè)計(jì)的熱、電和機(jī)械效應(yīng)。

樣機(jī)選取的關(guān)鍵是能夠代表被鑒定的設(shè)備產(chǎn)品。針對(duì)國(guó)內(nèi)的壓水堆核電站安全殼電氣貫穿件，主要分為中壓動(dòng)力貫穿件、低壓動(dòng)力/控制貫穿件和儀表貫穿件，鑒定試驗(yàn)樣機(jī)的選取可采用如下方案：中壓動(dòng)力貫穿件用于連接安全殼內(nèi)的反應(yīng)堆冷卻劑泵電機(jī)和殼外的三相交流電源，安裝在核電廠的中壓電氣貫穿件是相同的，所以中壓電氣貫穿件鑒定樣機(jī)可以制作成與產(chǎn)品一致；安裝在核電廠的各個(gè)低壓動(dòng)力/控制貫穿件之間的差異在于饋通線的配置，所以低壓電氣貫穿件樣機(jī)裝配的饋通線可選取具有代表性的線規(guī)，其產(chǎn)生熱、電和機(jī)械效應(yīng)足夠嚴(yán)苛；儀表貫穿件樣機(jī)可單獨(dú)選取和配置，也可以在低壓電氣貫穿件樣機(jī)中裝配具有代表性的儀表饋通線形成搭配式的樣機(jī)。對(duì)于光纖饋通線，可以將代表性的樣件搭配在低壓或儀表貫穿件樣機(jī)中。

2. 3 鑒定試驗(yàn)序列

電氣貫穿件的鑒定采用型式試驗(yàn)方法，試驗(yàn)包括設(shè)計(jì)試驗(yàn)和鑒定壽命試驗(yàn)兩方面。設(shè)計(jì)試驗(yàn)用于證明那些與老化無(wú)關(guān)的設(shè)計(jì)要求是否得到充分滿足，所以設(shè)計(jì)試驗(yàn)可以用未老化的樣機(jī)按任意順序試驗(yàn)。鑒定壽命試驗(yàn)用于證明電氣貫穿件達(dá)到既定鑒定壽命目標(biāo)，必須按規(guī)定的試驗(yàn)序列進(jìn)行，包括對(duì)樣機(jī)的老化預(yù)處理。對(duì)于既是設(shè)計(jì)試驗(yàn)也是壽命試驗(yàn)的項(xiàng)目，可分別進(jìn)行也可合并至壽命試驗(yàn)中進(jìn)行。

由于不同堆型的核電廠對(duì)于設(shè)備鑒定往往有個(gè)性化的要求，所以對(duì)于具體的設(shè)備一般難以形成普適和通用的鑒定方案。針對(duì)本文所研究的電氣貫穿件的鑒定，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以AP/ CAP系列三代非能動(dòng)壓水堆核電廠安全殼電氣貫穿件的鑒定為例，對(duì)鑒定試驗(yàn)序列進(jìn)行論述。在AP/ CAP系列核電站中，電氣貫穿件屬抗震I類(lèi)、安全B級(jí)設(shè)備，ASME B&PV III NE分卷MC類(lèi)安全殼部件［10］。根據(jù)其用途，電氣貫穿件分為中壓動(dòng)力、低壓動(dòng)力、低壓控制、儀控電氣貫穿件；作為電氣設(shè)備，也可根據(jù)其安全功能分為1E級(jí)和非1E級(jí)（不要求在事故工況下執(zhí)行安全相關(guān)的電氣功能）［10］。AP/ CAP系列電氣貫穿件鑒定壽命目標(biāo)為60年，要求在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故前、中和后期保持機(jī)械完整性和電氣完整性（1E級(jí)），設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后保持可運(yùn)行性的時(shí)間為1年［10］。

AP/ CAP系列核電廠電氣貫穿件的鑒定試驗(yàn)序列見(jiàn)表2，表中與IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)條款作了對(duì)照。該鑒定序列制定的原則是將IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)的要求和設(shè)備規(guī)范書(shū)的要求進(jìn)行融合，并充分考慮了實(shí)施過(guò)程的可操作性。鑒定試驗(yàn)序列包括IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)計(jì)試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)、中間及最終功能試驗(yàn)，另外還包括AP/ CAP系列核電廠設(shè)備鑒定特別要求的試驗(yàn)。鑒于目前對(duì)于嚴(yán)重事故工況鑒定試驗(yàn)尚處于研究階段［11，12］，上述鑒定試驗(yàn)序列未考慮嚴(yán)重事故相關(guān)的試驗(yàn)項(xiàng)目。另外需要指出的是，IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電氣貫穿件的耐火設(shè)計(jì)提出了要求，其中電纜及連接件要求按照IEEE 383 -2003標(biāo)準(zhǔn)條款8通過(guò)鑒定，其它有機(jī)非金屬材料要求物理阻燃或者材料阻燃特性達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但耐火試驗(yàn)不列入鑒定試驗(yàn)范圍。

表2 電氣貫穿件鑒定試驗(yàn)序列Table 2 Qualification test sequence of electric penetration assembly

根據(jù)表2所列，鑒定試驗(yàn)開(kāi)始需要執(zhí)行七項(xiàng)初始試驗(yàn)，包括：氣體泄漏率試驗(yàn)、氣壓試驗(yàn)、介電強(qiáng)度試驗(yàn)、絕緣電阻試驗(yàn)、導(dǎo)體連續(xù)性和標(biāo)識(shí)試驗(yàn)、局部放電（電暈）試驗(yàn)、光纖衰減試驗(yàn)，同時(shí)合并完成對(duì)應(yīng)的五項(xiàng)設(shè)計(jì)試驗(yàn)。連續(xù)電流和電磁兼容性兩項(xiàng)設(shè)計(jì)試驗(yàn)放在預(yù)處理試驗(yàn)前進(jìn)行比較合理，短時(shí)過(guò)載電流試驗(yàn)和短路試驗(yàn)先后進(jìn)行主要是考慮到這些試驗(yàn)通常在同一實(shí)驗(yàn)室完成。設(shè)計(jì)試驗(yàn)中的短路試驗(yàn)和抗震試驗(yàn)放在對(duì)應(yīng)的壽命試驗(yàn)中進(jìn)行。安裝焊接試驗(yàn)用于驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)焊接不會(huì)對(duì)電氣貫穿件造成損傷，可以與抗震試驗(yàn)?zāi)M安裝支架的焊接一并進(jìn)行，不需要單獨(dú)進(jìn)行試驗(yàn)。鑒定壽命試驗(yàn)項(xiàng)目，包括預(yù)處理、短路、抗震、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（Design Basis Accident，簡(jiǎn)稱(chēng)DBA）模擬和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故環(huán)境電氣試驗(yàn)，需按照規(guī)定順序安排。另外，補(bǔ)充設(shè)備規(guī)范書(shū)特定要求的兩項(xiàng)試驗(yàn)，加壓循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M安全殼氣壓試驗(yàn)時(shí)對(duì)殼內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生的外壓力作用，異常工況熱沖擊試驗(yàn)?zāi)M異常工況殼內(nèi)溫度快速上升過(guò)程，可以將樣機(jī)直接安裝在DBA試驗(yàn)倉(cāng)進(jìn)行這兩項(xiàng)試驗(yàn)。中間和最終功能試驗(yàn)包括氦泄漏率、介電強(qiáng)度、絕緣電阻、導(dǎo)體連續(xù)性和標(biāo)識(shí)四項(xiàng)試驗(yàn)或其中部分試驗(yàn)，在表2所列其它壽命試驗(yàn)后也可酌情補(bǔ)充中間功能試驗(yàn)，功能試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足驗(yàn)收指標(biāo)要求。

通過(guò)對(duì)上述鑒定試驗(yàn)序列的實(shí)施，并形成文件化的證據(jù)，最終建立電氣貫穿件的設(shè)備鑒定。

3 鑒定實(shí)施相關(guān)問(wèn)題討論

3. 1 部件試驗(yàn)與局部試驗(yàn)

電氣貫穿件安裝于核電廠安全殼開(kāi)孔，根據(jù)不同的核電廠設(shè)計(jì)，需要穿過(guò)單層或雙層安全殼，所以電氣貫穿件整機(jī)尺寸較大，其長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)米。對(duì)于環(huán)境鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目，考慮到試驗(yàn)設(shè)施的容納能力，在可行的情況下，有些試驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)際上可以采取部件試驗(yàn)代替整機(jī)試驗(yàn)。根據(jù)IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合電氣貫穿件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和設(shè)備鑒定的基本原理，對(duì)于針對(duì)特定材料或部件的試驗(yàn)，可以篩選相關(guān)的部件進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于熱老化和輻照老化試驗(yàn)可以只選取含有有機(jī)高分子材料的部件，例如，將饋通線、端子排、密封圈等部件拆下進(jìn)行試驗(yàn)，而其他的金屬結(jié)構(gòu)件不參與試驗(yàn)。但是，對(duì)于裝運(yùn)與儲(chǔ)存模擬試驗(yàn)和熱運(yùn)行循環(huán)模擬試驗(yàn)，采取部件試驗(yàn)的方法需要更加慎重。這兩項(xiàng)試驗(yàn)均模擬的是溫度循環(huán)變化，驗(yàn)證極限溫度（高溫、低溫）和溫度變化是否對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)和材料產(chǎn)生影響，特別是對(duì)密封結(jié)構(gòu)的作用。由于溫度的影響是作用在設(shè)備整體的，涉及到部件和部件之間的接口，因此部件試驗(yàn)結(jié)果并不一定能代替整機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果，建議進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)。

電氣貫穿件橫跨安全殼內(nèi)外，殼內(nèi)的環(huán)境遠(yuǎn)比殼外嚴(yán)酷，殼外端通常不需要考慮輻照和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故環(huán)境，因此，可以采取局部試驗(yàn)的方法。在進(jìn)行輻照試驗(yàn)時(shí)，可以選取位于殼內(nèi)部分的電氣貫穿件部件進(jìn)行局部的輻照試驗(yàn)。類(lèi)似地，在進(jìn)行設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故模擬試驗(yàn)時(shí)，可以模擬電氣貫穿件實(shí)際安裝狀態(tài)，將殼內(nèi)端置于試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)，僅使其局部經(jīng)歷設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故環(huán)境的高溫、高壓、化學(xué)噴淋等環(huán)境條件的考驗(yàn)（如圖2所示）。

圖2 電氣貫穿件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故模擬試驗(yàn)Fig. 2 DBA simulation test of electric penetration assembly

3. 2 加速熱老化試驗(yàn)參數(shù)確定

熱老化試驗(yàn)結(jié)果是確定鑒定壽命的重要依據(jù)，電氣貫穿件鑒定的熱老化試驗(yàn)參數(shù)的確定基于如下分析［13］：

（1）識(shí)別設(shè)備中對(duì)熱老化敏感的部件（薄弱環(huán)節(jié)）；

（2）確定上述部件的（最保守的）服役溫度，包括環(huán)境溫度和由于設(shè)備運(yùn)行（通電）引起的溫升；

（3）確定上述部件材料或結(jié)構(gòu)的熱老化壽命曲線（阿倫尼烏斯曲線），熱老化激活能；

（4）識(shí)別設(shè)備在核電廠的服役時(shí)間對(duì)上述部件材料或結(jié)構(gòu)壽命的影響，判定顯著老化機(jī)制；

（5）確定加速熱老化試驗(yàn)的溫度和時(shí)間。

電氣貫穿件的安全相關(guān)功能包括確保安全殼壓力邊界完整性和電氣完整性，正常服役工況中的熱老化對(duì)安全功能相關(guān)的金屬部件和材料沒(méi)有顯著影響，但是可能造成有機(jī)高分子材料性能的劣化。由此可確定饋通線組件的密封、絕緣，以及端子排、電纜端接、密封圈等是熱老化敏感的部件。

核電廠安全殼內(nèi)正常環(huán)境溫度通常不超過(guò)50℃，安全殼外的正常環(huán)境溫度不超過(guò)30℃。電氣貫穿件在服役的過(guò)程中，還需要考慮饋通線通電產(chǎn)生的焦耳熱，通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)中的連續(xù)電流試驗(yàn)，可以實(shí)測(cè)饋通線以及其他熱老化敏感部位的溫升。通常電氣貫穿件饋通線按照額定溫度90℃設(shè)計(jì)，并將此溫度保守地視為服役溫度。

對(duì)于有些外購(gòu)的有機(jī)高分子材料或部件，如，端子排、電纜端接、密封圈等，可以通過(guò)供貨廠商獲取有關(guān)熱老化激活能或者熱老化壽命曲線，也可以通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料獲得。對(duì)于電氣貫穿件饋通線，包括不同的絕緣材料組成的復(fù)合絕緣以及絕緣材料與金屬材料組成的密封結(jié)構(gòu)，需要通過(guò)熱老化壽命試驗(yàn)和評(píng)定得到熱老化壽命曲線［14］。IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)附錄D提供了試驗(yàn)程序。根據(jù)熱老化壽命曲線可以外推部件在服役溫度下的預(yù)期壽命估計(jì)，如果預(yù)期壽命遠(yuǎn)超核電廠服役時(shí)間，則可認(rèn)為熱老化不是此部件的顯著老化機(jī)制，部件可免除熱老化試驗(yàn)。但是僅有激活能數(shù)據(jù)無(wú)法判定熱老化是否屬顯著老化機(jī)制。根據(jù)熱老化壽命曲線，或者按照阿倫尼烏斯公式計(jì)算，可以確定加速熱老化試驗(yàn)的溫度和時(shí)間。為便于實(shí)際試驗(yàn)，可以保守地選取其中最嚴(yán)苛的一套試驗(yàn)參數(shù)用于電氣貫穿件的熱老化試驗(yàn)。

類(lèi)似的加速試驗(yàn)方法也可用于模擬設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后長(zhǎng)時(shí)試驗(yàn)過(guò)程，以縮短試驗(yàn)周期。

3. 3 β輻照的等效轉(zhuǎn)換

輻照老化試驗(yàn)需要考慮正常運(yùn)行工況的γ輻照以及設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下的γ輻照和β輻照。如果β輻照非常保守地轉(zhuǎn)換為等劑量的γ輻照，則可能對(duì)設(shè)備造成過(guò)度損傷。因此，需要考慮將β輻照等效轉(zhuǎn)換為γ輻照，合并成總的γ輻照劑量后對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行輻照老化試驗(yàn)。

根據(jù)電氣貫穿件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其輻照老化敏感的部件均封閉于鋼制端子箱內(nèi)部，受到鋼板的屏蔽作用，β射線（高能電子束）幾乎無(wú)法穿透端子箱鋼板，但是必須考慮β射線與鋼板產(chǎn)生軔致輻射效應(yīng)。需要指出的是，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況下可能有氣載β放射性物質(zhì)進(jìn)入端子箱內(nèi)部，但是端子箱內(nèi)部體積遠(yuǎn)小于安全殼內(nèi)部空間體積，因此可忽略這部分物質(zhì)的β輻照份額。

軔致輻射效應(yīng)產(chǎn)生X射線（可視為低能γ射線），其能量與入射β射線的能量之比可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。β粒子的能量分布是連續(xù)譜，核反堆內(nèi)放射性物質(zhì)衰變產(chǎn)生β輻射的能量一般分布在0～3 MeV之間，根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式可估計(jì)軔致輻射能量份額［15］：

式中，Eβmax為β粒子最大能量，MeV；Z為屏蔽材料原子序數(shù)。取Eβmax=3MeV，Z =26，代入式（1）可得到軔致輻射能量占總?cè)肷淠芰康姆蓊~約為2. 6%。由于軔致輻射產(chǎn)生的射線也并非全部進(jìn)入端子箱，實(shí)際上到達(dá)端子箱內(nèi)部的軔致輻射能量份額更低。β輻照效應(yīng)也可更精確地通過(guò)蒙特卡羅數(shù)值模擬計(jì)算工具（如FLUKA軟件）進(jìn)行計(jì)算。圖3所示為270Mrad的β射線從端子箱前端面照射時(shí)，端子箱內(nèi)部沿垂直端面方向的空氣吸收劑量變化曲線，其中最大劑量約為1. 1Mrad，約為總?cè)肷鋭┝康?. 4%。因此，可將β輻照劑量按不超過(guò)10%的比例保守地轉(zhuǎn)換為等效的γ輻照劑量。

圖3 β射線前端面照射時(shí)空氣中輻射劑量變化曲線Fig. 3 Curve of dose distribution in air with front face as incident β radiation plane

3. 4 短路電流試驗(yàn)相關(guān)問(wèn)題

短路試驗(yàn)針對(duì)電氣貫穿件中的動(dòng)力和控制導(dǎo)體，包括短路電流試驗(yàn)和短路熱容量試驗(yàn)，前者用于驗(yàn)證電氣貫穿件承受短路電動(dòng)力效應(yīng)的能力，后者用于驗(yàn)證電氣貫穿件承受短路熱效應(yīng)的能力。在進(jìn)行短路試驗(yàn)時(shí)，電氣貫穿件中在同一回路中的導(dǎo)體應(yīng)同時(shí)通過(guò)額定短路電流，并且對(duì)其他導(dǎo)體施加額定電流。對(duì)于交流短路試驗(yàn)，受試導(dǎo)體一端短接，另一端與試驗(yàn)電路連接。

電氣貫穿件短路電流試驗(yàn)通常采用交流電試驗(yàn)電路，需要注意我國(guó)的交流電頻率與美國(guó)不同，我國(guó)是50Hz，美國(guó)是60Hz，IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于短路試驗(yàn)參數(shù)的給定是基于美國(guó)交流電頻率，因此，在國(guó)內(nèi)采用此標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)根據(jù)表3給出的參數(shù)對(duì)比進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。

3. 5 電氣試驗(yàn)的環(huán)境溫度要求

在電氣貫穿件鑒定試驗(yàn)中的電氣試驗(yàn)，包括連續(xù)電流、短時(shí)過(guò)載電流和短路試驗(yàn)，要求試驗(yàn)環(huán)境溫度模擬正常服役工況或設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況的最高環(huán)境溫度。在電氣貫穿件設(shè)計(jì)試驗(yàn)中的連續(xù)電流試驗(yàn)和短時(shí)過(guò)載電流試驗(yàn)要求試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)計(jì)正常服役環(huán)境的最高溫度，要求溫升穩(wěn)定后導(dǎo)體的最高溫度不超過(guò)設(shè)計(jì)限值（如90℃）。電氣貫穿件設(shè)計(jì)試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)中的短路試驗(yàn)雖然允許在室溫進(jìn)行，但是要求試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)導(dǎo)體溫度達(dá)到連續(xù)電流試驗(yàn)時(shí)的最高穩(wěn)定溫度。電氣貫穿件完成設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故環(huán)境模擬試驗(yàn)后，還需要進(jìn)行設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故環(huán)境短時(shí)過(guò)載電流和短路試驗(yàn)，模擬設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故期間最?lèi)毫忧闆r下發(fā)生過(guò)載和短路，要求試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)導(dǎo)體溫度達(dá)到設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故環(huán)境模擬試驗(yàn)的最高溫度，并且筒體充氣壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力值。對(duì)于雙密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電氣貫穿件，雖然作為最終壓力邊界殼外側(cè)始終處于正常環(huán)境溫度，但是在模擬正常環(huán)境的室溫條件進(jìn)行電氣試驗(yàn)不夠嚴(yán)謹(jǐn)，可根據(jù)所在環(huán)境區(qū)段，采用特制環(huán)境箱或其他辦法對(duì)樣機(jī)相關(guān)部位進(jìn)行加熱，在目標(biāo)溫度下保溫適當(dāng)時(shí)間后對(duì)導(dǎo)體施加額定電流、短時(shí)過(guò)載電流或短路電流。

表3 不同交流電頻率的短路電流試驗(yàn)參數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison of short circuit test parameters at different AC frequency

3. 6 電磁兼容性試驗(yàn)項(xiàng)目選取

在2013版IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)中，提出了電磁兼容性試驗(yàn)的要求，包括對(duì)動(dòng)力貫穿件的發(fā)射試驗(yàn)和儀表貫穿件的抗擾度試驗(yàn)。電磁兼容性鑒定試驗(yàn)的實(shí)施可參考美國(guó)核管會(huì)導(dǎo)則文件“REGULATORY GUIDE 1. 180（2003）GUIDELINES FOR EVALUATING ELECTROMAGNETIC AND RADIO-FREQUENCY INTERFERENCE IN SAFETY-RELATED INSTRUMENTATION AND CONTROL SYSTEMS（安全相關(guān)儀表和控制系統(tǒng)電磁和射頻干擾評(píng)價(jià)指南）”，采用美軍標(biāo)MIL - STD - 461E或IEC 61000系列標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于電氣貫穿件電磁兼容性試驗(yàn)項(xiàng)目的選取，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目的適用性進(jìn)行分析論證，其中針對(duì)電源/信號(hào)線的測(cè)試項(xiàng)目不適用于貫穿件，僅選取針對(duì)受試設(shè)備（Equipment under Test，簡(jiǎn)稱(chēng)EUT）的測(cè)試項(xiàng)目，一種可選的試驗(yàn)方案見(jiàn)表4。

表4 電磁兼容性試驗(yàn)項(xiàng)目Table 4 EMC test items

4 總結(jié)

本文基于IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)，研究了核電站電氣貫穿件的鑒定方案，并制定了針對(duì)AP/ CAP系列核電廠電氣貫穿件的鑒定試驗(yàn)序列。同時(shí)，結(jié)合鑒定實(shí)踐，討論了按照IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施電氣貫穿件鑒定試驗(yàn)中需要注意的問(wèn)題及解決方法。由于IEEE 317標(biāo)準(zhǔn)更多的是給出了通用的原則和方法，不可能全面地細(xì)化到具體核電廠的鑒定要求和鑒定實(shí)施的步驟，因此，在實(shí)際的鑒定過(guò)程中，還需要根據(jù)核電廠運(yùn)行環(huán)境工況、設(shè)備的安全功能、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特點(diǎn)等全面分析，制定合理可行的鑒定方案。通過(guò)對(duì)于電氣貫穿件鑒定的研究，也可為其他核安全級(jí)電氣設(shè)備參照美國(guó)IEEE標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展鑒定提供借鑒。

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Study on the Qualification Test of Electric Penetration Assembly Based on IEEE Standard

ZHENG Kaiyun，YANG Xiao，CHEN Zhi
（Shanghai Power Equipment Research Institute，Shanghai 200240，China）

Abstract：This paper briefly introduces the electric penetration assemblies in the containment for nuclear power plants（NPPs）and its related qualification standards，especially the evolution history of IEEE 317 standard，describes the preparation of qualification test program of electric penetration assemblies on the basis of IEEE 317，and then provides a qualification test caseon electric penetration assemblies for AP/ CAP series. Combining with practical experience，the paper analyzes and discusses someissues and their solutions intheimplementation of qualification test based on IEEE 317. The result can be used by nuclear industry as a reference to conduct nuclear equipment qualification with the application of IEEE standards.

Key words：electric penetration assembly；equipment qualification；IEEE 317 Standard；type test

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 623. 4

文章標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5360（2016）02-0070-07

收稿日期：2016-01-07 修回日期：2016-03-16

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)，項(xiàng)目編號(hào) 2013ZX06005004

作者簡(jiǎn)介：鄭開(kāi)云（1980—），男，浙江寧波人，高級(jí)工程師/博士，現(xiàn)主要從事核安全設(shè)備鑒定方面的工作