核電廠全絕緣澆注母線可靠性分析

深圳中廣核工程設(shè)計有限公司 翟長春

核電廠全絕緣澆注母線可靠性分析

深圳中廣核工程設(shè)計有限公司 翟長春

近年來全絕緣澆注母線設(shè)備在核電廠已多次發(fā)生短路故障，為提高運(yùn)行的可靠性，進(jìn)一步優(yōu)化中壓大電流回路的方案設(shè)計，結(jié)合核電廠的特點(diǎn)及事故現(xiàn)場的經(jīng)驗反饋，對全絕緣澆注母線在工程應(yīng)用中存在不足和原因進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明其絕緣結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場澆注工藝水平是造成事故的主要原因。

全絕緣澆注母線；短路故障；可靠性；改進(jìn)措施

1 引言

核電廠中壓導(dǎo)體通常采用金屬封閉母線和交聯(lián)聚乙烯電纜,由于多地處濱海廠址，環(huán)境濕熱，金屬封閉母線設(shè)備的支撐絕緣子表面及箱體內(nèi)壁會存在著不可避免的凝露現(xiàn)象[1][2]，部分火電廠也存在類似的問題，這在很大程度上分降低母線的絕緣強(qiáng)度，給機(jī)組的運(yùn)行帶來安全隱患。

核電廠中壓廠用電系統(tǒng)大多采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，其主要目的是為保證安全級工藝系統(tǒng)的供電連續(xù)性，目前僅有AP1000因無安全級交流電源的供電要求而采用了中性點(diǎn)小電阻接地方式。核電廠如采用交聯(lián)聚乙烯電纜方案，高廠變及輔變低壓側(cè)均為大電流回路，最多采用18根（3×6×500mm2或3×6×630mm2）大截面單芯電纜，且敷設(shè)路徑較長，電容電流超限又會成為一個普遍性問題，部分電廠的電容電流已超過20A。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，電容電流過大造成的電弧反復(fù)重燃是產(chǎn)生弧光過電壓的根本原因，也是發(fā)生發(fā)電廠電氣火災(zāi)的主要原因之一。

為解決上述問題，數(shù)年前核電廠開始嘗試應(yīng)用一種新的替代方案—全絕緣澆注母線，該產(chǎn)品具有良好的絕緣、耐火、耐腐蝕、耐老化、低煙無鹵性能，可有效地解決核電廠存在的凝露和電容電流超限的問題，產(chǎn)品尺寸較小，布置相對靈活，比較適合核電廠地下廊道敷設(shè)條件。

中壓全絕緣澆母線技術(shù)源于比利時的Eta-com betobar公司，主絕緣采用無機(jī)礦物質(zhì)和環(huán)氧樹脂復(fù)合絕緣材料，整體澆注成型，全球已有數(shù)十年的生產(chǎn)歷史。上世紀(jì)八十年代后期與中國臺灣安達(dá)康公司合作生產(chǎn)，并逐步在中國大陸小批量推廣，火電、水電、核電均有小規(guī)模的應(yīng)用。近年來國內(nèi)數(shù)家母線制造企業(yè)也研發(fā)了同類產(chǎn)品，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)型式和工藝制造流程相似，在國內(nèi)的運(yùn)行業(yè)績也逐漸增多[3][4]，但掛網(wǎng)運(yùn)行時間均較短，近年來也時有事故發(fā)生，產(chǎn)品的長期可靠性仍待進(jìn)一步驗證。

圖1 全絕緣澆注母線外形圖

圖2 全絕緣澆注母線斷面示意圖

圖3 全絕緣澆注母線電容分布示意圖

2 全絕緣澆注母線在核電廠的應(yīng)用及存在問題

國內(nèi)目前有多個在建或在運(yùn)的核電廠在高廠變或備用變中壓側(cè)回路采用了全絕緣澆注母線產(chǎn)品，最長的運(yùn)行時間已超過5年，總長度超過8公里。

全絕緣澆注母線通過合理的絕緣材料配方可以達(dá)到較優(yōu)異的電氣絕緣性能，也具有非常好的防護(hù)等級，可以有效解決共箱母線內(nèi)部凝露問題。同時相對電纜而言由于固體絕緣介質(zhì)和空氣的串聯(lián)電容結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于加大了極板間的距離，可以大大降低中壓廠用電系統(tǒng)的電容電流。同時由于復(fù)合絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)比較高，可以有效地降低導(dǎo)體的溫升，所以產(chǎn)品的載流能力有也有了較大程度的提升。

由于核電廠是初次采用此類產(chǎn)品，國內(nèi)電力工程項目的應(yīng)用案例也不是非常豐富，對于全絕緣澆注母線的性能和可靠性仍需要根據(jù)運(yùn)行情況作全面評估。設(shè)計單位對設(shè)備的現(xiàn)場安裝及驗收試驗進(jìn)行了全程的跟蹤，同時定期地了解電廠商運(yùn)后的設(shè)備運(yùn)行情況?？偟膩碚f，設(shè)備的總體性能良好，基本可以滿足使用要求，但也存在一些較為突出的問題，亟需對產(chǎn)品進(jìn)行一些改進(jìn)，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

圖4 母線隧道布置示意圖

2.1 母線表面電壓高

核電在建項目現(xiàn)場電氣調(diào)試在電氣廊道中壓澆注母線送電后發(fā)現(xiàn)，澆注母線潮濕部位有放電現(xiàn)象，運(yùn)行人員靠近澆筑母線時，會有毛發(fā)吸附感，經(jīng)測量其絕緣材料表面的對地電壓為1000V左右，局部轉(zhuǎn)角部位最高達(dá)到1547V。

同時相鄰回路澆注母線存在互感，一回路帶電，另一回路母線安裝時也會有較強(qiáng)烈的吸附和麻刺感。

2.2 電壓不平衡

三相電壓存在存在不平衡現(xiàn)象，尤其是空載時相電壓偏差較大，有時開口三角電壓實(shí)測會超過16V，高于整定值12V，存在保護(hù)誤報或誤動的風(fēng)險。

2.3 電磁干擾

全絕緣澆注母線由于沒有金屬外殼的有效屏蔽作用，將會造成外部空間的電磁環(huán)境惡化，會對控制測量電纜以及弱電設(shè)備的電磁兼容性要求提出一定的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)場巡檢過程中工作人員也多次發(fā)現(xiàn)隨身攜帶的試電筆一直處于閃發(fā)報警狀態(tài)，這也從另一個側(cè)面驗證了確實(shí)會存在電磁干擾的隱患。

2.4 安裝維護(hù)不便

中壓澆注母線約6米一段，單段重量500余公斤，在封閉的隧道中吊裝不便，所在的安裝活動均需人工完成；兩段之間接頭現(xiàn)場澆注，長距離回路中間接頭數(shù)量龐大。整體的安裝工程量和電纜相比而言，大概是數(shù)倍乃至十倍以上的關(guān)系，給現(xiàn)場工作帶來很大的不便，也大大增加了安裝費(fèi)用，此部分費(fèi)用盡管未體現(xiàn)在設(shè)備的直接采購成本中，最終終歸是要計入工程總投資當(dāng)中。我們在方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較時只關(guān)注設(shè)備本身的采購成本，常常忽略了由于方案變化帶來的其他隱性成本的增加，可能也會干擾我們的技術(shù)判斷和最終方案的確定，此點(diǎn)也是需要我們關(guān)注的。

由于澆注母線表面靜電電荷的存在，極易吸附灰塵，尤其在廊道等封閉潮濕的環(huán)境當(dāng)中，很難保證表面的清潔，且不方便清掃積塵。

2.5 電氣絕緣隱患

由于現(xiàn)場增加了數(shù)量龐大的中間接頭或伸縮節(jié)，都需要人工現(xiàn)場安裝或澆注，無論是現(xiàn)場環(huán)境還是澆注環(huán)節(jié) ，和工廠內(nèi)產(chǎn)品澆注工藝水平相比還是存在很大的不足，所以眾多接頭將是絕緣最薄弱的環(huán)節(jié)，也是最易發(fā)生放電和絕緣擊穿的部位，接頭處的防護(hù)等級基本上達(dá)不到產(chǎn)品所標(biāo)稱的IP67的防護(hù)等級。

根據(jù)現(xiàn)場的經(jīng)驗反饋，當(dāng)母線淋水或潮濕天氣時，母線的絕緣電阻會顯著降低，比如澆筑母線絕緣干燥后測量為40兆歐，淋水后測量可能會變?yōu)?兆歐。

當(dāng)母線回路路徑過長，每超過一定長度，需要設(shè)置母線伸縮節(jié)以吸收材料本身的冷熱變形量。伸縮節(jié)部位外露銅排需外包熱縮材料，固體澆料與熱縮材料交界處必然會地存在微小的氣隙，絕緣結(jié)構(gòu)也就多單一的固體絕緣過渡到固氣同時存在的復(fù)合絕緣，絕緣強(qiáng)度遠(yuǎn)低于單一固體或氣體絕緣材料的絕緣強(qiáng)度，而且相間母排根部的絕緣距離7.2kV母線約100mm,12kV母線約150mm，為整個產(chǎn)品絕緣結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。

實(shí)際的運(yùn)行情況確也驗證也以上判斷，核電廠已多次發(fā)生澆注母線接頭和伸縮節(jié)部分對地或相間短路故障，故障后需要更換故障部位元件，按照備件準(zhǔn)備、專用工具準(zhǔn)備、故障母線切割、元件安裝、現(xiàn)場澆注、表面打磨、現(xiàn)場檢查、絕緣試驗、恢復(fù)送電等一系列事故處理流程，按24小時三班制作業(yè)大概需要3天左右的故障修復(fù)時間。

圖5 金屬鎧裝中壓澆注母線

圖6 復(fù)合屏蔽封閉絕緣管母線

最令人擔(dān)憂的安全隱患還不于此，有一種情況假設(shè)母線上部絕緣體出現(xiàn)裂隙或劣化紋路，而此時由于絕緣體仍有足夠的沿面爬距，足以耐受對地電壓而未發(fā)生閃絡(luò)，但如果此時有運(yùn)行人員不謹(jǐn)觸及上部絕緣損傷部位會可能直接對過人體對地?fù)舸??；谝陨蠐?dān)憂，部分核電廠沿地下廊道人員通道兩側(cè)增設(shè)了金屬護(hù)網(wǎng)，避免運(yùn)行人員觸及母線，也就變相地增加了成本和維護(hù)工作量。

3 根本原因分析

3.1 母線表面電壓的問題

由于中壓全絕緣澆注母線自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它由于沒有金屬外殼（如圖2），無法強(qiáng)制接零，和失地后的高壓單芯電纜金屬護(hù)套的懸浮電壓情況非常類似[5]。澆注母線與大地之間存在多種絕緣介質(zhì)，對地電容的分布相對比較復(fù)雜，如圖3所示，主絕緣電容（Ca Cb Cc）、絕緣底座絕緣體電容(C1)、空氣及其雜散電容(C0)等各部分形成了串聯(lián)電容，由于電容分壓效應(yīng)造成主絕緣外表面始終存在著懸浮電位（U1），絕緣底座表面也會有一定的電位電壓（U0）。由于本文中對地電容是形成絕緣表面電位的主要原因，對相間電容分布暫不作展開討論。

3.2 電磁干擾的問題

根據(jù)核電廠部分運(yùn)行經(jīng)驗反饋，因為動力電纜電磁干擾造成的電子設(shè)備誤動也偶有發(fā)生，且有一定的隨機(jī)性，并難以確定真實(shí)的干擾源，所以抑制電磁干擾是必須考慮的問題。

核電廠內(nèi)各種電子設(shè)備本身的電磁兼容性能基本上可以滿足常規(guī)的電磁環(huán)境條件，但對于不加屏蔽的高壓導(dǎo)體，其電磁環(huán)境和裸導(dǎo)體基本無異，對弱電設(shè)備的可靠性會有不確定性的影響。核電廠的澆注母線和大量電纜共用一個隧道，如前文所述，澆注母線和電纜有一個明顯的區(qū)別是沒有金屬屏蔽層，與電纜尤其是弱電回路電纜共用通道在電力工程上并無類似先例（如圖4所示），盡管目前尚未發(fā)生相關(guān)的問題，但理論上對弱電設(shè)備以及控制測量電纜始終存在一定的安全隱患。對于類似的可能產(chǎn)生電磁干擾的因素，應(yīng)盡量在設(shè)計階段予以避免或限制。

3.3 電氣絕緣問題

中壓全絕緣澆注母線的大部分絕緣材料為粉狀無機(jī)材料，已很大程度上改變了原有的礦物分子或結(jié)晶體結(jié)構(gòu)，需添加環(huán)氧樹脂等有機(jī)材料進(jìn)行粘結(jié)固化，本身材料的特性容易沾染灰塵，且不易清理，且具有較強(qiáng)的吸濕性，所以通常會隨環(huán)境濕度的變化顯現(xiàn)較為明顯的絕緣電阻差異。

同時現(xiàn)場中間接頭部位的澆注工藝和工廠也存在較大的差異，經(jīng)過小型設(shè)備的攪拌后，用料桶倒入模具，打平、凝固、打磨，其實(shí)和真空澆注的概念是有差異的，類似土建施工中的混凝土澆注工藝，微小的氣泡是無法避免，氣隙內(nèi)的高場強(qiáng)是引發(fā)局放和絕緣劣化損傷的重要因素。

4 結(jié)論及建議方案

對于中壓全絕緣澆注母線這樣一種產(chǎn)品，其實(shí)也并非新生事物，全球已經(jīng)有數(shù)十年的生產(chǎn)歷史，但一直未得到大量推廣，目前在國內(nèi)電力行業(yè)應(yīng)用方面尚存在一定的爭議。

中壓全絕緣澆注母線具有絕緣優(yōu)異、載流能力強(qiáng)、耐老化、體積小、零維護(hù)等產(chǎn)品特征，其基本性能可以滿足特定工作環(huán)境的使用要求，在很多方面也確有一定的優(yōu)勢。但是否可以認(rèn)為是傳統(tǒng)共箱母線的理想升級產(chǎn)品，仍需要運(yùn)行數(shù)據(jù)來驗證。

盡管世界上沒有任何一種產(chǎn)品是完美的，但努力提高電氣設(shè)備的可靠性永遠(yuǎn)是我們追求的目標(biāo)，文中所提及的中壓全絕緣澆注母線的一些問題是客觀存在的，結(jié)合我們在核電工程遇到的一些問題，對于類似的工程項目提出如下建議：

（1）對于戶外或戶內(nèi)高位安裝，而人員不易觸及的母線布置型式，建議可以采用中壓全絕緣澆注母線，可以充分發(fā)揮其防凝露、低電容電流、耐老化的優(yōu)勢；

（2）對于戶內(nèi)或地下廊道布置型式，中壓全絕緣澆注母線和控制測量電纜應(yīng)嚴(yán)格分通道敷設(shè)，避免電磁干擾問題，以免引起DCS和電氣保護(hù)的誤報、誤跳；

（3）針對母線中間接頭部位故障率高的問題，建議制造商應(yīng)提高現(xiàn)場澆注封裝工藝水平，解決工廠和現(xiàn)場澆注工藝的差異，提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性；

（4）針對母線中間伸縮節(jié)部位的絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，加大相間絕緣距離，并在母排包裹工藝上消除根部的氣隙；

（5）建議全絕緣澆注母線出廠前增加一道施釉工藝，改善母線表面質(zhì)量和電氣性能，以解決易吸濕、易沾污的問題，提高絕緣強(qiáng)度；

（6）針對中壓全絕緣澆注母線表面懸浮電位的問題，建議選用如圖5所示的金屬鎧裝、單相澆注、雙重絕緣的中壓澆注母線，電磁兼容性好，基本可以做到免維護(hù)；或者采用圖6所示的無鹵素的復(fù)合屏蔽封閉絕緣管母線，此類產(chǎn)品在電網(wǎng)有非常多的運(yùn)行經(jīng)驗，同樣可以解決母線表面安全接零的問題。

綜上所述，三相一體式的中壓全絕緣澆注母線在國內(nèi)的應(yīng)用尚不廣泛，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征存在一定的局限性。尤其是國內(nèi)制造企業(yè)大多處于小批量生產(chǎn)階段，產(chǎn)品的性能仍需通過一定時間的掛網(wǎng)運(yùn)行來進(jìn)一步檢驗，然后根據(jù)運(yùn)行的經(jīng)驗反饋進(jìn)入一個逐步改進(jìn)、提高、完善的良性階段。我們要客觀地正視產(chǎn)品可能存在的問題，吸取運(yùn)行經(jīng)驗，不斷地改進(jìn)優(yōu)化，消除隱患的存在，爭取早日做到真正意義上的產(chǎn)品升級。

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