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(蘇州熱工研究院有限公司深圳分公司，廣東深圳，518124)

1 引言

電磁繼電器是一種利用電磁力產(chǎn)生預(yù)定響應(yīng)的機(jī)電繼電器，在核電廠有廣泛的使用。核電廠繼電器分為核級(jí)和非核級(jí)，核級(jí)繼電器執(zhí)行安全功能，非核級(jí)執(zhí)行非安全功能。非核級(jí)繼電器從市場上采購，滿足普通工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。核級(jí)繼電器從具有核級(jí)資質(zhì)的供應(yīng)商采購，滿足核級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)在運(yùn)核電廠的核級(jí)繼電器數(shù)量龐大，但均由國外廠商供貨。大亞灣核電廠一臺(tái)機(jī)組V23系列核級(jí)單穩(wěn)態(tài)繼電器(AXICOM供貨)的數(shù)量大約有6000多只。即便是采用數(shù)字化儀控系統(tǒng)的寧德核電廠，一臺(tái)機(jī)組MY4ZN核級(jí)繼電器(OMRON供貨)的數(shù)量也超過1600只。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，繼電器由于老化而需要更換。但由于訂單不足，一些型號(hào)的繼電器已經(jīng)停產(chǎn)，核電廠無法采購。解決備件不足有兩個(gè)方法，從核級(jí)供應(yīng)商定制繼電器，或者從市場上采購非核級(jí)繼電器進(jìn)行適用性確認(rèn)(Commercial Grade Dedication，CGD)。不論采用什么方法，都需要對(duì)繼電器執(zhí)行安全功能所必需的關(guān)鍵特性進(jìn)行識(shí)別，定制或采購的產(chǎn)品，需滿足關(guān)鍵特性的要求。

當(dāng)前用于指導(dǎo)繼電器關(guān)鍵特性分析的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范較少，在具體實(shí)踐中，系統(tǒng)供應(yīng)商或核電廠的差異較大，有些僅從原繼電器的技術(shù)規(guī)格書中選定關(guān)鍵特性，有些未全面分析極端條件下對(duì)繼電器的要求，因此造成關(guān)鍵特性識(shí)別不完整、不準(zhǔn)確或者過多的情況。關(guān)鍵特性不完整或不準(zhǔn)確將給核電廠安全運(yùn)行帶來隱患，關(guān)鍵特性過多則增加選型難度和驗(yàn)證成本。本文提出了一套依托生命周期模型分析繼電器關(guān)鍵特性的方法：對(duì)于運(yùn)行階段，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)、影響條件，識(shí)別繼電器的關(guān)鍵特性；安裝、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、調(diào)試、維護(hù)階段，根據(jù)各階段目的和要求、限制條件，識(shí)別繼電器的關(guān)鍵特性。該方法能夠解決工程實(shí)踐中繼電器關(guān)鍵特性識(shí)別的問題，保證關(guān)鍵特性的完整性、準(zhǔn)確性，為繼電器選型提供有效技術(shù)指導(dǎo)。

2 關(guān)鍵特性分析方法

繼電器執(zhí)行安全功能所必需的特性是關(guān)鍵特性。繼電器是系統(tǒng)的組成部件，繼電器安全功能來源于系統(tǒng)安全功能。系統(tǒng)安全功能指停堆、專設(shè)驅(qū)動(dòng)等工藝功能，工藝功能分解為儀控系統(tǒng)的采集、運(yùn)算、輸出功能。設(shè)備的功能是建立在物理實(shí)體之上的，關(guān)鍵特性可分為物理特性、性能特性。物理特性是對(duì)設(shè)備物理屬性的描述，例如結(jié)構(gòu)、材料、形狀、尺寸、接口、型號(hào)、版本等。性能特性是對(duì)設(shè)備在設(shè)計(jì)環(huán)境下執(zhí)行預(yù)期功能、以及應(yīng)達(dá)到的性能的描述。環(huán)境包括溫度、濕度，功能可看著函數(shù)表達(dá)式，可以有多個(gè)輸入和輸出變量，性能是一些量化指標(biāo)，包括精度、響應(yīng)時(shí)間、容量、可靠性。物理特性是性能特性的物理基礎(chǔ)。關(guān)鍵特性還包括研制過程特性。研制過程特性是設(shè)備在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造過程中的質(zhì)量保證和過程控制屬性，按照同一過程特性生產(chǎn)的不同批次的產(chǎn)品，它們的物理特性和性能特性是一致的。數(shù)字化設(shè)備的研制過程特性還包括與軟件研制生存周期過程有關(guān)的特性，例如軟件驗(yàn)證與確認(rèn)、配置管理、危害分析。本文僅討論物理特性和性能特性。

繼電器的關(guān)鍵特性存在于系統(tǒng)生命周期的各階段：

1)安裝、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、調(diào)試、維護(hù)階段：根據(jù)各階段目的和要求、限制條件，識(shí)別繼電器關(guān)鍵特性。限制條件與具體應(yīng)用有關(guān)，例如安裝方式(安裝的集密程度、水平/垂直安裝、固定方式)、運(yùn)輸方式(海運(yùn)/汽運(yùn))、儲(chǔ)存方式(露天/室內(nèi))、調(diào)試方法(是否需要強(qiáng)置或觀察繼電器輸出狀態(tài))、維護(hù)方法(狀態(tài)觀察、在線更換)。

2)運(yùn)行階段：根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)、影響條件，識(shí)別繼電器關(guān)鍵特性。系統(tǒng)在狀態(tài)機(jī)的各種狀態(tài)下分配給繼電器安全功能是不相同的。影響條件包括環(huán)境、接口、電源，分析各影響條件對(duì)不同狀態(tài)下安全功能的影響，并確定關(guān)鍵特性。

圖1 設(shè)備在運(yùn)行階段的狀態(tài)機(jī)

關(guān)鍵特性分析的重點(diǎn)是如何確定運(yùn)行階段繼電器的安全功能。繼電器安全功能來源于系統(tǒng)安全功能。系統(tǒng)安全功能并不僅僅指系統(tǒng)上電后正常運(yùn)行時(shí)所執(zhí)行的功能，也包括系統(tǒng)在啟動(dòng)、失電、故障時(shí)必需輸出的狀態(tài)。依照狀態(tài)機(jī)模型對(duì)運(yùn)行階段的安全功能進(jìn)行分析。系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)模型見圖1。一般情況下，繼電器安全功能只是繼電器全部功能的一部分，例如繼電器具有通、斷兩種功能，安全功能只是其中的一種。

關(guān)鍵特性分析的難點(diǎn)是影響條件對(duì)安全功能的影響分析。影響繼電器功能的外部條件眾多，分為電源、環(huán)境、接口。分析方法如下：

1)電源影響分析。包括供電電源(含連接導(dǎo)線)失效模式對(duì)繼電器的影響分析，以及繼電器失效模式對(duì)供電電源的影響分析。分析應(yīng)達(dá)到的目的：供電電源在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，應(yīng)不影響繼電器功能；供電電源喪失后進(jìn)入失電態(tài)，失電時(shí)繼電器的輸出應(yīng)滿足系統(tǒng)失電態(tài)的要求；繼電器故障時(shí)應(yīng)不影響供電電源對(duì)其他設(shè)備的供電。

2)環(huán)境影響分析。環(huán)境分為正常環(huán)境、極限環(huán)境、電磁環(huán)境、事故環(huán)境。正常環(huán)境和極限環(huán)境指的是自然環(huán)境(溫度、濕度、振動(dòng)、灰塵、鹽霧)；電磁環(huán)境對(duì)設(shè)備的電磁兼容性做出了要求；對(duì)于安裝在安全殼外的儀控設(shè)備，地震是唯一的事故環(huán)境。環(huán)境對(duì)性能有直接影響，例如精度、響應(yīng)時(shí)間、可靠性。繼電器一般安裝在機(jī)柜盤臺(tái)內(nèi)部，應(yīng)考慮機(jī)柜盤臺(tái)內(nèi)部發(fā)熱、通風(fēng)、結(jié)構(gòu)等對(duì)性能的影響。分析應(yīng)達(dá)到的目的：明確繼電器運(yùn)行階段的各種環(huán)境要求，以及這些環(huán)境下性能可接受的程度。在相關(guān)國際、國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)規(guī)定了環(huán)境影響的基本要求，例如K3類核級(jí)設(shè)備鑒定標(biāo)準(zhǔn)中極限條件下、事故和事故后環(huán)境條件下的要求。

3)接口影響分析。接口包括輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、連接介質(zhì)，如圖2所示。接口分析包括兩部分：接口方異常時(shí)對(duì)繼電器的影響，繼電器異常時(shí)對(duì)接口方的影響。接口異常包括接口失效模式和接口瞬態(tài)特性兩類，瞬態(tài)特性是指隨時(shí)間快速變化的物理或電氣特性，例如感性負(fù)載通/斷瞬間的浪涌電流和反向電動(dòng)勢(shì)特性。接口失效包括人因失誤、接口設(shè)備失效、連接介質(zhì)失效。分析應(yīng)達(dá)到的目的：不論是接口方對(duì)繼電器的影響，還是繼電器對(duì)接口方的影響，都不應(yīng)造成對(duì)安全功能的影響，都不應(yīng)造成設(shè)備永久性的損壞。接口分析后所采取的措施，有些在設(shè)備之外實(shí)現(xiàn)，有些由設(shè)備本身實(shí)現(xiàn)。例如對(duì)反向電動(dòng)勢(shì)的抑制，由繼電器本身實(shí)現(xiàn)(安裝吸收反向電動(dòng)勢(shì)的齊納二極管)，對(duì)短路的防范，由空開或保險(xiǎn)(而不是繼電器本身)實(shí)現(xiàn)。常見的一些接口失效模式如下：

√ 人因失誤：例如在鍵盤上輸入錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)、誤擊鼠標(biāo)、誤按下按鈕、將字符“O”看著數(shù)字“0”。有些繼電器帶有對(duì)觸點(diǎn)導(dǎo)通或斷開狀態(tài)進(jìn)行人工強(qiáng)置的裝置，應(yīng)避免誤觸誤碰。

√ 接口設(shè)備失效：例如輸入信號(hào)超出量程范圍、導(dǎo)線或通訊線斷線/短路、鍵盤按鍵不能彈起、觸屏上某個(gè)觸點(diǎn)故障、屏幕沾污、指示燈不亮、執(zhí)行機(jī)構(gòu)拒動(dòng)/誤動(dòng)。繼電器的接口設(shè)備為線圈輸入側(cè)和觸點(diǎn)輸出側(cè)的設(shè)備，輸出側(cè)的負(fù)載特性和失效模式是需要重點(diǎn)分析的內(nèi)容。

√ 連接介質(zhì)失效：例如硬接線、通訊線的斷線、短路。輸入設(shè)備的連接介質(zhì)失效，可等效到輸入設(shè)備的失效模式上，例如信號(hào)超量程、通信應(yīng)答超時(shí)。

圖2 設(shè)備外部接口模型

3 繼電器關(guān)鍵特性

下面以單穩(wěn)態(tài)電磁繼電器為例，說明關(guān)鍵特性的分析方法。單穩(wěn)態(tài)電磁繼電器是核電廠用量最大的繼電器，主要由電磁鐵和機(jī)械觸點(diǎn)組成，封裝方式包括密閉和非密閉兩種。

1)安裝階段

安裝工程師將繼電器在機(jī)柜盤臺(tái)內(nèi)固定。安裝階段的限制條件、以及與此有關(guān)的關(guān)鍵特性如表1所示：

表1 繼電器安裝階段的關(guān)鍵特性

2)運(yùn)輸和儲(chǔ)存階段

繼電器或安裝了繼電器的機(jī)柜從工廠運(yùn)輸?shù)侥康牡兀?chǔ)存。運(yùn)輸和儲(chǔ)存階段的限制條件，以及關(guān)鍵特性如表2所示。一些限制條件可以通過其他方式滿足，并不一定要求產(chǎn)品達(dá)到限制條件所要求的質(zhì)量。例如儲(chǔ)存環(huán)境濕度超出產(chǎn)品本身的技術(shù)指標(biāo)，可通過防潮包裝解決該問題。

表2 繼電器運(yùn)輸和儲(chǔ)存階段的關(guān)鍵特性

3)調(diào)試階段

調(diào)試工程師對(duì)繼電器及相關(guān)回路的功能進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試階段的調(diào)試要求、以及與此有關(guān)的關(guān)鍵特性如表3所示。

表3 繼電器調(diào)試階段的關(guān)鍵特性

4)運(yùn)行階段

繼電器完成信號(hào)通/斷功能。通過繼電器觸點(diǎn)的串/并關(guān)系，完成復(fù)雜的控制邏輯，完成小信號(hào)驅(qū)動(dòng)大功率設(shè)備的驅(qū)動(dòng)功能，如圖3所示。該原理廣泛應(yīng)用于反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)、應(yīng)急柴油機(jī)控制系統(tǒng)中。本文以圖3的J1繼電器為例，分析其關(guān)鍵特性。

圖3 繼電器控制回路原理圖

J1繼電器的安全功能和關(guān)鍵特性如表4所示。

表4 繼電器運(yùn)行階段的關(guān)鍵特性

J1繼電器影響條件分析：

√ 電源影響分析：繼電器并不需要電源供電。

√ 環(huán)境影響分析：如表5所示。

√ 接口分析：J1繼電器的輸入接口一般是其他繼電器的觸點(diǎn)，輸入連接介質(zhì)為硬接線。輸入接口失效模式表現(xiàn)為觸點(diǎn)抖動(dòng)、觸點(diǎn)粘連、觸點(diǎn)接觸電阻大。連接介質(zhì)的失效模式表現(xiàn)為斷路、短路、虛接。由于這些失效模式的發(fā)生概率小，一般采用定期試驗(yàn)的方式檢測和識(shí)別。連接介質(zhì)短路可能造成供電電源因短路而故障，因此在輸入供電回路中增加空開以防范短路造成的危害。繼電器輸入線圈的失效模式為匝間短路、線圈斷線，匝間短路的后果是導(dǎo)致電源因過載而故障，輸入回路觸點(diǎn)因電流過載而影響壽命，因此在輸入供電回路中增加空開或熔斷器以防范持續(xù)過載造成的危害。線圈斷線不會(huì)造成接口設(shè)備故障。另外，線圈為儲(chǔ)能元件，當(dāng)輸入回路(24/48V直流信號(hào))斷開時(shí)，線圈產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)可高達(dá)1000V(瞬態(tài)特性)，為防止反向電動(dòng)勢(shì)對(duì)輸入回路的影響，需增加對(duì)反向電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行吸收的措施，例如采用二極管、或者壓敏電阻進(jìn)行吸收。J1繼電器的輸出接口為另一個(gè)繼電器的線圈。其分析過程和結(jié)果類似于輸入接口。分析結(jié)果如表6所示。

表5 繼電器環(huán)境影響條件下的關(guān)鍵特性

表6 繼電器接口影響條件下的關(guān)鍵特性

5)維護(hù)階段

對(duì)繼電器功能和性能進(jìn)行檢查、對(duì)故障繼電器進(jìn)行診斷和更換。在提高維護(hù)效率、減少維護(hù)活動(dòng)給系統(tǒng)正常運(yùn)行介入的風(fēng)險(xiǎn)、增加維護(hù)功能而投入的成本等方面需進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，最終確定適當(dāng)?shù)木S護(hù)功能，以及關(guān)鍵特性。表7是一個(gè)例子。

表7 繼電器維護(hù)階段的關(guān)鍵特性

4 結(jié)束語

為解決核級(jí)繼電器供應(yīng)商匱乏、備件不足的問題，不論是采用定制核級(jí)繼電器，或者從市場上采購非核級(jí)繼電器進(jìn)行適用性確認(rèn)的方法，都需要對(duì)繼電器執(zhí)行安全功能所必需的關(guān)鍵特性進(jìn)行識(shí)別，以定制或采購相應(yīng)的產(chǎn)品。本文描述了從生命周期各階段識(shí)別繼電器關(guān)鍵特性的方法。該方法能夠保證關(guān)鍵特性的完整性、準(zhǔn)確性，為繼電器的定制或選型提供有效技術(shù)指導(dǎo)。該方法也可作為其他儀控設(shè)備關(guān)鍵特性識(shí)別的參考。