核电厂电气设备抗震能力鉴定方法探讨

核电厂电气设备抗震能力鉴定方法探讨

阮善发，初文婷，吴梅英

(河海大学 结构抗震实验室，江苏 南京 210098)

摘 要：探讨了核电设备抗震能力鉴定试验基本过程及评价方法，试验采用的阻尼比通常采用白噪声扫描或正弦扫描的方法测得，提出了阻尼比及地震反应谱量级的确定原则，确定鉴定结论的可接受性。针对目前抗震考核中电气设备的安装环境模拟存在不足之处，给出了改进措施与方法。根据核电站不同电气设备工作的复杂性和多样性特点，列出了几种常用的电气性能监测电路原理图，并给出了具体的电气性能评价方法。

关键词：核电站；反应谱；地震波；抗震能力鉴定；阻尼比

中图分类号：TM506 文献标识码：B 文章编号：1007-3175(2019)01-0046-04

Discussion on Aseismatic Capability Qualification Method of Electrical

Equipment for Nuclear Power Plant

RUAN Shan-fa, CHU Wen-ting, WU Mei-ying

（Laboratory of Structural and Aseismatic Engineering, Hohai University, Nanjing 2󰀱009󰀸, China）

Abstract: This paper discussed the basic process and evaluation method of nuclear power equipment seismic capacity qualification test. The adopted damping ratio in the test could be obtained by white noise scanning or sinusoidal scanning.This paper proposed the certainty principle of damping ratio and earthquake response spectrum order and determined the acceptability of qualification conclusion.Aiming at the installation environment of electrical equipment in current aseismatic examination, this paper simulated the shortcomings and gave the improved measurements and methods.According to the complicated work and diverse characteristics of different electrical equipment in nuclear power plants, this paper listed the several kinds of common electrical performance monitoring circuit schematic and gave the specific evaluation methods for electrical performance.

Key words: nuclear power station; response spectrum; seismic wave; shock resistance appraisal; damping ratio

0 引言

随着国家新能源战略的实施，清洁能源的发展是整个国民经济可持续发展和增长最基本的驱动力。然而核电因强震造成的安全事故不容忽视，如何控制事态的发展，其重任就落在各种核安全的电气设备上。负责核电厂安全的设备必须进行抗震鉴定。我国核电设备鉴定主要依据美国的IEEE和法国的RCC-E系列标准[1]，也有采用前苏联标准的，而抗震鉴定是核电设备环境试验中的重要一环，其目的是验证样机是否满足设计要求，其抗震鉴定所涉及的内容包括几何参数、抗地震荷载能力、地震发生时及前后整机的工作状态、机械性能、电气特性等。如何对电气设备进行合理的抗震考核，对全

面评价其抗震性能非常重要。

1 设备抗震鉴定前后外观检查

电气设备框架多以型钢焊接或螺栓连接而成，经长途运输可能会导致结构紧固件松动、焊接处出现裂纹或构件自身变形等。在抗震试验之前，须由技术人员根据产品装配工艺要求对产品的外观、几何尺寸及机械性能等进行细致检查，以免造成误判。对一些损坏或变形严重构件需使用同型号的产品进行更换，并做相应的记录，以便后续分析评价。抗震试验后再次对产品进行同样的动传递关系，监测数据也会不同，所以要进行检查。因某些设备不要求进行应力监测，所以地震考核试验前后的几何尺寸变化从另一方面反映了试件的永久变形程度。设

作者简介：阮善发(1963- )，男，副教授，硕士，研究方向为电气设备与工程结构抗震。

󰀴󰀶

核电厂电气设备抗震能力鉴定方法探讨备变形程度是设备抗震能力的参考依据，但不是必要的判断标准，有些样品抗震考核后，其几何形状虽有变化，但仍保持其应有的结构强度与电气功能，除进行必要的结构加强外无需其它的设计变更。

2 设备安装及抗震考核量级的确定

2.1 设备安装及其对试验结果的影响

支架设计必须考虑现场的安装情况、被鉴定设备的重量与大小、振动台台面的尺寸与安装孔的尺寸等因素。支架必须有足够刚度，以减少因支架对鉴定结果的影响。实际试验中曾出现因支架焊接变形及刚度太弱导致设备出现自激振动现象，设备的振动处于失控状态，无法达到考核目的，在对支架进行加固与处理后问题解决。

被鉴定设备需根据其设计的安装条件来模拟其在振动台上的安装。核安全级设备的抗震鉴定除检验设备自身的抗震能力外，还应考察现场设备连接支架及连接方式可能存在的缺陷。一旦连接方式固定，振动台与设备之间的振动传递关系就已经建立，设备的鉴定结果是以这种传递关系为依据的，不同的支架及安装方式将会出现不同的振动，安装形式应以试验的安装状态为参考，有些设备现场安装是不需要转接支架的，直接由地脚螺栓连接，这样的安装方式由于设备的安装高度降低，安装的连接刚度也会增加，其地震响应要比通过转接支架的安装方式小，对设备的抗震是有利的。2.2 阻尼比的确定

结构的阻尼比除与结构的自身特性如构造特性、连接形式、摩擦阻力等有关外，还与结构阻尼比测试时输入量级有关，对一个非刚性结构，当激励量级增大时，阻尼比随之增大。

设备阻尼比的选用直接关系到设备的考核量级。核设计院及有关规范对某类设备的阻尼比有一个建议值，但这个值只是估计值。实践中一般采用

采用正弦扫描的方式对被鉴定设备进行激励，用设备重心位置监测的加速度信号计算阻尼比。参考文献[2-3]对控制盘、控制柜的临界阻尼比定为7%(在焊接情况下为4%)。

由于某些核电设备整体性差，内部结构相对复杂，很难确定其重心并放置监测传感器。由于组成设备各单元的共振特性不尽相同，实际抗震考核时

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以设备哪部分的共振特性代表设备的共振特性非常重要，需要在做抗震鉴定之前对设备整体结构进行分析，确定抗震鉴定所要达到的预期目标。对于具有电脑控制的电气开关柜来说，其核心部件应为微电脑控制器及断路器，地震发生前后以及发生时的工作状态直接反映设备能否履行其功能。所以阻尼比的确定应充分考虑被鉴定设备的整体结构特点、所履行的功能、关键部件所担负的职责等因素。对无法在重心位置设置监测传感器的设备，可在某一重要构件、整体框架及重心附近等处设置监测传感器，测得结构阻尼比及共振特性。但安装传感器的位置不应产生过多的次生振动干扰，以免因结构振动的不确定性影响测量结果。所有传感器的设置均有文字和图形说明，以备试验结果分析用。2.3 反应谱的确定

核设计院在充分考虑包络性后为每类设备选择一个或几个具有代表性样机进行抗震鉴定[4]，考核核电站所在地区将来可能发生的地震对设备的影响。地震荷载一般由核设计院提供的设计地震反应谱(RRS)来确定[5]，而RRS是根据核电站所在地区历年来已发生地震的概率统计、综合判断及计算得到的统计平均值，是一个宽频的包络谱线，与实际发生地震比具有更宽的幅频特性，其形状与设备的阻尼比、安装的楼层高度、楼层结构自身的振动特性等有关。图1、图2是某核电站1E级电气设备两个不同高程水平向设计反应谱，图中从上到下阻尼比分别为2%、4%、5%、7%、10%。设计反应谱量级的确定有两个途径，其一是根据设计院给定的设备阻尼比确定反应谱的谱线，其二是根据结构实测的阻尼比来确定抗震考核的反应谱的谱线。

10.00g

1.00g

加速度0.10g0.01g

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频率/Hz

图1 19m高程水平向楼层反应谱

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10.00g

1.00g度加速0.10g

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频率/Hz

图2 20m高程水平向楼层反应谱

设备抗震考核输入的地震波是由设计反应谱反演计算生成，抗震鉴定所采用的三个方向的地震波互相关系数应小于或等于0.3，这样避免不同方向激励时各向响应之间的交互影响。2.4 阻尼比的验证

一般RRS与TRS所采用的阻尼比是由抗震考核的设计文件给定，或通过对被鉴定设备进行白噪声或正弦扫描得到。由于阻尼比受结构自身特点影响，低量级驱动与高量级驱动及多次振动后的阻尼比可能会发生变化，这就需要通过对高量级的地震波信号进行传递函数分析，获得高量级情况下的阻尼比，如果该值大于或等于正弦波或白噪声波扫描得到的阻尼比，那么该试验的鉴定结果是可接受的，否则鉴定结果需进一步验证。一般非刚性结构设备，其阻尼比随激励量级的增加而增大。虽然用地震响应信号做传递函数分析理论上说是有缺陷的，因为其频率范围是有界的，且自功率谱密度也是不均匀的，但一般设备的共振频率均在振动响应信号的有效频率范围内，作为对阻尼比的验证是一个可以接受的方法。

3 电气设备抗震考核中使用环境模拟

核安全设备抗震验证样机绝大部分采用原型机，而对于体积大、重量重的产品如核电站安全壳、堆内构件等采用缩小比尺模型进行试验，通过相似关系推算原型的地震响应。由于某种原因一些产品实际使用及安装状态与在振动台上安装状态不相吻合，导致地震考核结果难以代表实际技术要求，如核电站的仪表屏、电气开关柜等在现场󰀴󰀸

核电厂电气设备抗震能力鉴定方法探讨是联排安装方式，但目前实际抗震鉴定中往往采用单机安装，这种安装方式导致地震发生时设备之间耦合影响无法体现出来。为避免这种情况，

在条件允许的情况下采用多设备联排安装做抗震鉴定。对于一些具有输入与输出母线或柔性电缆的电气设备，一些国外标准明确要求抗震鉴定时

需考虑设备的外围连接状态，而目前核电抗震鉴定试验仅仅考虑设备的主体结构，忽视了地震发生时外围连接母线或柔性电缆对设备内的支架或

绝缘端子造成的破坏。在对一些地区发生高烈度地震后的电力设施调查发现，强震会造成电气设备的母线及支架严重变形、绝缘端子碎裂等现象，这是许多电力设备地震作用下破坏的一个主要原因[6]。图3为某核电站电气开关柜振动台抗震鉴定时外引柔性电缆模拟图，其方法之一就是：将模拟电缆的一端与开关柜联接，另一端固定在反力墙上，根据实际连接状态，在电缆上布置加重块，并保持一定的张力，模拟自重及拉力荷载。对比试验表明，在没有模拟电缆的设备抗震鉴定试验后，连接电缆的铜排与绝缘端子完好无损，而模拟了柔性电缆连接状况的设备在抗震试验后，电缆连接及绝缘端子处产生扭曲变形，需修复后才能投入使用。

电缆加重块电器开关柜反力墙支架台面图3 某电气开关柜振动台试验电缆连接模拟图

为了研究电气柜抗震试验时电缆对电器柜整体结构的影响，另一种方法就是在机柜上加配重块来模拟内外电缆的连接荷载。本文认为核电设备的抗震考核试验也可引入这种模拟方式，配重块的轻重与实际电缆的安装状态有关，通过这样的模拟安装方式能尽可能再现设备实际的工作状态，使得设备的抗震考核更加完善，尽可能暴露设备抗震的设计与制造缺陷。目前现行的所有核电设备抗震技术要求或标准中均未涉及电缆荷载模拟的问题，技术文

核电厂电气设备抗震能力鉴定方法探讨献中也未就相关的问题进行讨论过。

4 电气性能考核

电气性能考核在参考文献[3-4]中有明确规定，即电气设备除抗震试验前及结束后进行电气性能检验外，还应对设备振动试验期间的电气性能进行直接监测或间接监测。这是因为被鉴定设备的某些电气单元在强震作用下，瞬间出现误动作现象，对于像蓄电池、UPS电源及应急柴油发电机等备用电源类设备则表现为输出电压波动甚至无输出的现象。除被鉴定设备永久性损坏外，许多设备在模拟地震量级降低或解除后能恢复到正常的工作状态。所以震后的电气性能检验正常并不代表设备无缺陷，而地震发生期间设备电气性能的变化反应其履行职能的能力，因此设备抗震试验期间需进行运行操作并监测设备的工作状态。图4为某开关柜在抗震考核期间监测的时程曲线，其初始状态为合闸状态，在抗震考核期间进行开合闸操作。若监测信号出现非正常的跳变，需分析被监测触点所承担的功能及跳变信号的时间宽度，某些电气设备允许交流接触器或继电器等部件在抗震试验期间的瞬间跳变，但对跳变的时间间隔有一定的限制，允许跳变的时间长度需根据具体的设备来决定，即二次回路的跳变不影响设备整体功能的履行。

106V/2电压-2-6-10

0

4

8

1216202428323640

时间/s

图4 某电气开关柜断路器状态监测曲线图

由于各种电气设备的工作原理不尽相同，电气部分复杂，抗震试验期间电气性能监测存在一定的难度，这就需要在试验前了解设备的工作原理，制定一个切实可行的监测方案。如对于电气开关柜类设备，可对一次回路、二次回路及断路器等部件电气触点的工作状态进行监测。但由于开关类设备的电气触点很多，监测系统的资源有限，无法一一监测，为解决这类问题，可采用串并联的方式对触点合并监测。图5至图8是各种电气参数监测的常用电路原理图。

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电气触点电池R至数据采集系统图5 电气设备触点并联监测电路

电气触点电池R至数据采集系统图6 电气设备触点串联监测电路

T1T2T3R测试电压输入D至数据采集系统图7 绕组类电气设备监测电路

VCCR158+被监测电压VIn67R-至数据24采集系统图8 电气设备电压监测电路

5 电气设备机械性能鉴定

电气设备机械性能鉴定主要涉及机电一体化设备的抗震性能鉴定，如含有断路器的电气设备除了考核其电气性能外，还需对其机械性能进行考核，因为地震可能导致能动或非能动设备的疲劳性损伤甚至失效，如电气开关柜在抗震考核期间必须对其进行运行操作，观测断路器、继电器及交流接触器等的开闭状态，以及传动机构有没有出现运行失灵现象。鉴定试验后还需对结构的机械性能进行观察，如结构的变形情况及螺栓连接状态、焊接状态等。除进行直观观察外，如有必要应对设备某些应力集中部位进行应力监测。

6 结语

核电设备的抗震试验安装方式决定设备抗震考核的动态响应与抗震能力，当设备现场安装方式与试验安装方式不一致时，需对试验结论作进一步验证。决定反应谱量级的阻尼比更为合理的选择方式

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基于改进型频率正反馈孤岛检测研究 电工电气 (20󰀱9 No.󰀱)

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5 结语

通过分析现有的孤岛检测方法，提出一种改进型频率正反馈的孤岛检测方法，有效抑制了电流谐波畸变，并减少了检测出孤岛的时间。该方法通过周期性扰动量使PCC点处频率偏移，未进入孤岛状态前减少扰动量以保持系统稳定，进入孤岛状态后，通过扰动函数的正反馈作用，加大扰动量，加快频率偏移，使其超出限值，从而实现孤岛效应的快速检测，仿真结果表明，该方法减少了对电能质量的影响，在给定品质因数时无检测盲区，检测时间为0.0583s,比传统AFDPF算法在相同情况下快了0.0417s,说明了该方法的可行性。

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收稿日期：2018-08-01

(上接第49页)

是采用实测阻尼比，而由白噪声或正弦扫描测得的阻尼比合理与否可由地震波响应信号分析得到的阻尼比进行验证。设备的抗震考核除一般性的动态特性监测外，还需通过技术手段尽可能全面监测设备抗震考核试验期间的机械性能、电气性能及设备其它有关履行其功能的能力。实践表明，核电站某些执行安全功能的电气设备在地震发生时往往无法履行其应有的功能，而停震后某些功能又恢复正常。核安全设备合理有效的抗震试验及抗震能力的分析，可防患于未然，杜绝安全隐患的发生。

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修稿日期：2018-09-26

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