1 概述
限位开关广泛应用于核电站各类关断阀及调节阀上，使用环境相对严苛，尤其在严重事故工况下要求限位开关功能可用，同时要满足耐辐照、耐高温、抗地震、高可靠性等要求，对设备具有很大挑战。
1.1 限位开关功能
限位开关是自控系统中反馈阀门开关位置状态的一种设备，用以将阀门的开启或关闭位置以开关量（触点）的信号输出。常用限位开关的结构如图1所示。
1.2 限位开关技术要求
核电站限位开关抗震等级要求为抗震1类，防护等级为IP65，在核电厂全寿期内（60年）持续可用，要求至少一个换料周期（18个月）内不需要维护，对限位开关的可靠性有一定要求。对于稳定性要求在地震或剧烈振动场合触头无弹跳。其主要技术参数如表1所示。
2 微动开关研制
微动开关为限位开关内部关键元件，通过端子NO-C、NC-C的状态切换，以输出开关量信号指示开关当前状态，微动开关结构如图2所示。
2.1 材料研究
目前行业内微动开关的外壳材质主要采用PBT、PF等高分子化合物，在高剂量辐照后，分子吸收辐射能量，从基态跃迁为激发态，发生分子键断裂，当分子断裂与交联不一致时，老化加速，材料趋于失效。
微动开关外壳如采用金属材料，也能满足高辐照和高温老化要求，但要满足电气性能要求，加工工艺复杂、难度大且制造成本太高。
现工业陶瓷的应用逐渐普遍，其性能好，具有超高机械强度（300~630 MPa）、极高的抗压强度（2000~4000 MPa）、高硬度（15~19 GPA）、中导热率（20~30 W/m·K）、低密度（3.75~3.95 g/cm3）、高的耐腐蚀和耐磨性、良好的研磨性能。工业陶瓷在无机械负载时的工作温度为1000~1500℃。
通过对几种材料性能、应用和制造难度等因素的分析，选用陶瓷材料替代微动开关的塑料外壳，能满足微动开关在核电环境中耐高辐照和高温的要求。
2.2 防误触发研究
在剧烈振动中，微动开关存在误触发的情况，研究表明动作力较小和动作行程较短时误触发尤为明显。目前在微动开关业内，通过增大动作力和动作行程的方法能较好解决误触发问题。
本次核电阀门限位开关设计时，在不影响结构尺寸、动作性能的基础上，选用动作力较大和动作行程较长的微动开关，以解决产品因机械振动或地震环境下造成的误触发。
在微动开关的多次选用及试验过程中，为研制适用于核电站环境要求的产品，将材料选用、触发性能及抗震等方面作为研制重点和突破点。
2.3 抗震性能研究
对设计微动开关进行模态计算，结果表明，最低三阶正交轴向自振频率均远大于33 Hz，具有足够的抗震刚度。各重要零部件的薄弱部位应力较小，均小于规范限值，设备具有足够的强度。整机变形很小，能在地震时和地震后保持可运行性。整体结构无永久形变，且变形不会导致其功能失效。微动开关抗震分析结果如图3所示。
3 触点设计研究
微动开关触点分为动触点和静触点，在工作过程中由于存在分断、闭合状态，将产生接触电阻、机械磨损、电弧腐蚀等物理现象。设计选材时主要考虑高的导电率、导热系数和机械强度。触点采用贵金属合金加镀层工艺，其导热导电性能好，抗金属转移、电弧和侵蚀，耐磨，强度高，表面镀层防氧化效果好。微动开关触点结构如图4所示，在40X显微镜下的触点状态如图5所示。
3.1 镀层能谱分析
对微动开关试验前后的触点进行能谱分析，触点经过寿命老化、温度老化、辐照老化等试验，其前后成分变化较小，触点抗金属转移、电弧和侵蚀、耐磨和表层防氧化效果好。新触点能谱及其分析结果分别如图6和表2所示。试验后触点能谱及其分析结果分别如图7和表3所示。
3.2 镀层金相分析
对微动开关试验前后的触点进行金相对比分析，触点在试验后镀层相对变薄，但镀层相对完整，微动开关的接触电阻、导电率等电气参数变化较小，触点耐机械磨损、电弧腐蚀等物理现象效果好。触点形貌如图8所示，其试验前后金相分析如图9所示。
4 结语
限位开关是保障机组安全运行的关键设备，核电使用环境苛刻，且在严重事故工况下要求限位开关功能可用，对非金属材料的性能具有一定挑战。自主开发的特种材料微动开关，提高了耐辐照、耐高温性能，研发出触点材料特殊处理工艺技术，接触电阻小，耐机械磨损和电弧腐蚀性能好，保证限位开关在核电站使用过程中，其稳定、可靠的运行性能。