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

滕飞张录楠

(中国核电工程有限公司北京100840)

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

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，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，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，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。

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。

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。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。

参考文献：

[1]宋济,齐索妮,姚立珊.核电厂地震概率安全评价中的电气设备易损度计算[J].核科学与工程,2017,37（02）:276-286.

[2]朱建斌.H核电站抗震裕度评价研究[D].华北电力大学,2017.

[3]方庆贤.核电厂设备抗震鉴定的审评[J].核动力工程,1995,（05）:394-400.

[4]姚惠钦.核电站仪控设备鉴定技术研究[D].华东理工大学,2013.

[5]焦丽玲,王根生.我国核电厂安全级电气设备鉴定标准体系简析[J].核标准计量与质量,2016,（01）:30-34.