核電廠斷路器老化因素分析及預(yù)防性維護(hù)

何小明，于宏偉，王秋實

（中科華核電技術(shù)研究院 北京分院，北京 100086）

0 引言

在核電站的運(yùn)行中，大量的1E級交流和直流斷路器會被安裝在可能發(fā)生故障的電氣線路上，為關(guān)鍵性的安全性設(shè)備提供可靠穩(wěn)定的電能，保證它們所提供的安全功能可靠運(yùn)作，如反應(yīng)堆的反應(yīng)性控制、反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)控制、衰變熱移除、安全殼的完整性等，這些功能是核電站的生命線。

隨著服役時間的增加，這些斷路器會逐漸出現(xiàn)老化失效情況，進(jìn)而對核電站的運(yùn)行造成威脅甚至出現(xiàn)停堆事故。我國核電經(jīng)過20多年的發(fā)展，尤其在本世紀(jì)之初開始老化研究以來，針對核心核電設(shè)備開展了大量老化試驗，并積累了一定的數(shù)據(jù)資源。但是對于斷路器的老化研究和管理卻較少，且相關(guān)數(shù)據(jù)匱乏。秦山核電站、大亞灣核電站所使用的斷路器隨著服役年限的增長，故障頻率不斷增加。對斷路器展開全面的老化因素分析，針對核電站常用的斷路器類型提出有效的預(yù)防性維護(hù)措施，有效預(yù)防故障的出現(xiàn)，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性是非常有必要的。

1 斷路器老化因素[1]

在斷路器運(yùn)行中，有多種因素會導(dǎo)致其老化。這些老化因素或單獨(dú)的、或有相互聯(lián)系的形成某個老化機(jī)理。下面將分析這些老化因素的老化機(jī)理以及其對斷路器性能的影響。主要老化因素為[2]：高溫（包括環(huán)境高溫和斷路器內(nèi)部產(chǎn)生的高溫）、電壓、機(jī)械動作循環(huán)。其他的諸如濕氣、煙塵、灰塵和其他污染物對斷路器盡管不會產(chǎn)生直接的老化以影響，但是會放大和加劇老化因素對元器件功能性退化的影響。

2 斷路器老化因素分析

2.1 高溫因素影響

高溫會導(dǎo)致斷路器有機(jī)組件（如有機(jī)絕緣體、結(jié)構(gòu)構(gòu)件、潤滑油）的熱劣化。高溫的產(chǎn)生因素主要是外界環(huán)境高溫和斷路器內(nèi)部電路的導(dǎo)體電阻發(fā)熱。

在核電站使用的斷路器標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍內(nèi)，其外部環(huán)境的溫度是可人為調(diào)節(jié)的，即其工作的外部環(huán)境溫度會被限制在40℃。而在一年之中，大部分時間的溫度在21.1℃～29.4℃之間。核電站的斷路器也很少工作于極端溫度環(huán)境下，因此外界環(huán)境的溫度對于核電廠的斷路器來說影響相對較小。

在大多數(shù)情況下，斷路器的控制電路流過電流極小，能耗極低，因此，由控制電路產(chǎn)生的熱量幾乎沒有。但是斷路器的主電路會有相當(dāng)大的電流流過，它是斷路器內(nèi)部熱量產(chǎn)生的主要因素。高溫會導(dǎo)致絕緣特性的降低，還會加速石油基潤滑劑的蒸發(fā)。潤滑劑用于斷路器內(nèi)部的軸承，潤滑其動作及降低磨損。而對于那些無油潤滑劑，它們所受到高溫的影響相對要低一些。如果主電路的接線處（如斷路器端子、電源總線連接處、電路斷開處、主觸頭等）存在高阻態(tài)接觸，那么電阻發(fā)熱量就非常高了。高阻態(tài)連接會導(dǎo)致其周圍絕緣材料的迅速老化。

2.2 電壓因素影響

當(dāng)電壓幅值在斷路器的額定等級范圍時，電壓對斷路器元件造成的老化影響很小，但是當(dāng)它與其他的老化因素（如濕氣、煙塵、熱老化等）聯(lián)系起來后，其影響程度就無法忽視了。這些濕氣、污垢等會在斷路器的絕緣體（外殼、絕緣管等）表面形成一個導(dǎo)電通路，電源的兩相或三相或相與地之間就會有電流流過。當(dāng)然，在較為干燥的情況下，這樣的導(dǎo)電通路有足夠高的電阻，不會導(dǎo)致絕緣擊穿。但是，當(dāng)濕氣較大時，就會產(chǎn)生漏電流，進(jìn)而有電流流過的導(dǎo)電通路就會有電阻發(fā)熱，蒸發(fā)水分。而電流沒有瞬變的特性，在水分蒸發(fā)后，電流有一個保持不變的趨勢，而此時水分蒸發(fā)后的漏電通路電阻較大，就會產(chǎn)生極大的熱量。所以，在那些電阻較大，發(fā)熱較多的地方，水分蒸發(fā)就較快，很容易出現(xiàn)灼燒現(xiàn)象，這種地方被成為“干燥帶”。此過程的往復(fù)循環(huán)會加大其影響。若不加以清除，電弧路徑和干燥帶最終就會形成導(dǎo)電通路，導(dǎo)致絕緣性能失效。

熱劣化后的絕緣體，當(dāng)處于潮濕和污染物嚴(yán)重的環(huán)境下時，不僅表面絕緣特性會降低，其體積絕緣特性也會降低。因為熱劣化后的絕緣體會變得脆化且易碎，漏電流在其表面形成的同時，很可能在在其內(nèi)部也有通路，那么最終會發(fā)生擊穿。合理的檢查和維護(hù)能有效地查出絕緣體表面以及體積絕緣老化，避免擊穿的發(fā)生。

2.3 機(jī)械動作循環(huán)因素影響

機(jī)械動作循環(huán)會隨著動作次數(shù)的增加對斷路器的組件及其功能產(chǎn)生影響，脫扣裝置的一次機(jī)械動作循環(huán)是指一次脫扣和合閘的動作。每次機(jī)械動作循環(huán)都會產(chǎn)生一定的振動，振動會損傷斷路器結(jié)構(gòu)中的焊接點(diǎn)和操動機(jī)構(gòu)，甚至產(chǎn)生機(jī)械疲勞。在大多數(shù)的情況下，焊接點(diǎn)以及操動機(jī)構(gòu)是能夠承受的機(jī)械動作循環(huán)次數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對其所需要的開斷次數(shù)。振動還會導(dǎo)致斷路器組件和操動機(jī)構(gòu)的位移，增加了摩擦，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的卡殼和鎖死。機(jī)械動作循環(huán)會導(dǎo)致操動機(jī)構(gòu)表面的磨損，特別是在潤滑劑蒸發(fā)和硬化后，摩擦力的增大會加速磨損進(jìn)而產(chǎn)生卡殼。

2.4 濕氣、煙塵、灰塵和其他污染物的影響[3]

根據(jù)前面分析，濕氣、污垢、污染物不會對斷路器造成直接性的損害，但是會導(dǎo)致部件的性能退化。濕氣和污垢在電壓和熱劣化因素的影響下，會造成絕緣體絕緣特性降低。不僅如此，濕氣和污染物還會腐蝕斷路器的金屬外殼，使其整體結(jié)構(gòu)變得松動，操動機(jī)構(gòu)的動作性能也會受到影響。而且，若活動部件的表面存在污垢或雜質(zhì)，就會使?jié)櫥瑒┙┗?，加大了動作時的摩擦力，最終就會導(dǎo)致部件卡澀。滅弧槽的絕緣體表面出現(xiàn)的污垢，在斷路器脫扣時就會形成漏電通路，最終導(dǎo)致絕緣失效。

3 塑殼型斷路器的預(yù)防維護(hù)

通過上面對核電廠斷路器老化因素的分析，針對大亞灣核電站低壓運(yùn)營中的塑殼型斷路器提出了相應(yīng)預(yù)防性維護(hù)措施。

3.1 常規(guī)維護(hù)方法介紹

1）維護(hù)周期

由于塑殼型斷路器的封閉型設(shè)計，在正常服役壽命器件，只需要很少或幾乎不用進(jìn)行維護(hù)。因此，塑殼型斷路器的預(yù)防性維護(hù)會根據(jù)其運(yùn)行的環(huán)境的不同有所變化。鎖扣機(jī)構(gòu)表面累積的灰塵會影響斷路器的機(jī)械動作，塑殼型斷路器應(yīng)該至少每1年執(zhí)行一次機(jī)械動作循環(huán)。常規(guī)的脫扣測試則應(yīng)該每3~5年執(zhí)行一次。

2）常規(guī)維護(hù)測試

通過常規(guī)的維護(hù)測試，核電站維護(hù)人員就能夠確定斷路器是否能正確有效地執(zhí)行其保護(hù)功能。以下測試需要將斷路器從電力系統(tǒng)中拆卸下來。

①介電絕緣測試

用兆歐表測量斷路器各極之間以及載流部分和地之間的絕緣性能。在斷路器斷開的情況下，測量每極兩端（電源引線端和負(fù)載端）的阻抗。所測得阻抗值小于1MΩ時，則認(rèn)為斷路器絕緣特性不合格，應(yīng)對斷路器表面可能存在的污染物進(jìn)行檢查。

②單極電阻測試[4]

通過單極電阻測試能夠發(fā)現(xiàn)斷路器內(nèi)部很多的異常狀態(tài)，如觸頭腐蝕、觸頭表面污染物附著情況、內(nèi)部電路連接松散等。根據(jù)斷路器的額定電流等級，通過額定等級下的電流后，在每極兩端所測得的電壓或功耗應(yīng)符合其出廠技術(shù)規(guī)格書的要求。

③接線端子檢查[4]

檢查斷路器的接線端子，確定其線路連接處于良好狀態(tài)，為發(fā)現(xiàn)過熱或灼燒現(xiàn)象。若是發(fā)現(xiàn)有過熱或灼燒引起的接線端子處變色或電弧灼燒現(xiàn)象，則應(yīng)更換接線端子，清理連接處。

④過載脫扣測試[5]

對斷路器的每極通以300%的連續(xù)額定電流，能夠驗證斷路器的過載脫扣功能是否能正確動作。此測試重點(diǎn)是驗證斷路器在過載情況下是否能正確地自動脫扣，脫扣時間會隨環(huán)境條件和測試條件的不同而變化。

⑤機(jī)械操作測試[6]

機(jī)械操作測試是操作操縱桿，進(jìn)行分閘與合閘的操作，檢查機(jī)械操作動作是否正常。

3.2 建立斷路器的故障數(shù)據(jù)庫

斷路器的老化是一個比較緩慢的過程，而且其老化速率和故障的發(fā)生受到許多隨機(jī)因素的影響。建立斷路器的故障數(shù)據(jù)庫有利于找出某一類斷路器的故障特點(diǎn)，進(jìn)而得出故障原因，對故障進(jìn)行排查和預(yù)防。但是，對于輕微老化狀態(tài)的斷路器，此類斷路器的各項性能指標(biāo)都較好，故障發(fā)生率較少，而且其故障現(xiàn)象和故障原因常常無法通過常規(guī)的維護(hù)和測試手段查出，因此核電站的維護(hù)檢修人員無法有效掌握斷路器的老化狀態(tài)，在維護(hù)時也容易出現(xiàn)誤查和漏查情況，造成資源浪費(fèi)以及留下故障隱患。核電站現(xiàn)有的常規(guī)維護(hù)和測試手段能較好的排查中度老化狀態(tài)的斷路器，但是性能下降的中度老化狀態(tài)的斷路器其實已經(jīng)對核電站電力系統(tǒng)的運(yùn)行造成了威脅，因為在中度老化狀態(tài)形成之前，無法對斷路器老化狀態(tài)進(jìn)行有效預(yù)測和排查。

建立斷路器數(shù)據(jù)庫能有效地跟蹤斷路器的老化狀態(tài)，實現(xiàn)對斷路器服役壽命的預(yù)測[7]。斷路器的數(shù)據(jù)庫除了包括故障數(shù)據(jù)以外，還應(yīng)包括斷路器的各項性能指標(biāo)和可靠性數(shù)據(jù)。故障數(shù)據(jù)的作用主要是針對某一類型的斷路器故障進(jìn)行故障預(yù)防；性能指標(biāo)數(shù)據(jù)則可以跟蹤斷路器的整個服役生命周期的工作狀態(tài)，進(jìn)而對斷路器的服役壽命進(jìn)行預(yù)測；可靠性數(shù)據(jù)則是對某一型號的所有斷路器進(jìn)行整體評估，量化此類型斷路器的整體工作狀態(tài)，為其整體維護(hù)工作提供參考依據(jù)。

4 結(jié)束語

通過對核電廠斷路器主要老化因素進(jìn)行分析，針對主要老化因素提出了塑殼型斷路器相應(yīng)的預(yù)防性維護(hù)措施。斷路器的老化是一個比較緩慢的過程，而且其老化速率和故障的發(fā)生受到許多隨機(jī)因素的影響。建立斷路器的數(shù)據(jù)庫能有效的跟蹤斷路器的老化狀態(tài)，實現(xiàn)對斷路器服役壽命的預(yù)測，為其整體維護(hù)工作提供參考依據(jù)。

[1]Life Cycle Management Plan for Circuit Breakers at Salem and Hope Creek Stations.EPRI Project Manager,Final Report,2003.

[2]AGING MANAGEMENT GUIDELINE FOR COMMERCIAL NUCLEAR POWER PLANTS-ELECTRICAL SWITCHGEAR,2000.

[3]Power Quality Predictive Maintenance (PQPM) Systems Application for Circuit Breakers and Reclosers.Technical Progress Report,2000.

[4]NEMA AB 4-2009 Guidelines for Inspection and Preventive Maintenance of Molded Case Circuit Breakers Used in Commercial and Industrial Applications.

[5]Molded Case Circuit Breaker Maintenance and Application Guide.NP-7410-V3,Revison1,1995.

[6]Inspection and Maintenance Guidelines for Circuit Breakers.L. van der Zel,2005.

[7]郭賢珊.斷路器觸頭電壽命在線監(jiān)測[J].高電壓技術(shù),1999.