核電廠穩(wěn)壓器加熱器開關(guān)頻繁跳閘的原因分析及防控措施

金少軍

【摘 要】供電開關(guān)的頻繁跳閘嚴(yán)重影響了穩(wěn)壓器加熱器的可用性，通過對(duì)開關(guān)跳閘的機(jī)理和影響因素進(jìn)行深入剖析，找到了開關(guān)跳閘的根本原因，并從限制發(fā)熱和加強(qiáng)散熱兩個(gè)方面對(duì)供電設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，解決了開關(guān)跳閘的問題。

【Abstract】The frequent tripping of power supply switch seriously affects the usability of pressurizer heater. Through deeply analyzing the mechanism and influencing factors of switch tripping， the fundamental reason of switch tripping is found. And the power supply equipment is improved from two aspects of limiting heating and strengthening heat dissipation， and the problem of switch tripping is solved.

【關(guān)鍵詞】開關(guān)；跳閘；過熱；散熱

【Keywords】 switch； trip； overheat； heat dissipation

【中圖分類號(hào)】TM732 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）11-0131-02

1 引言

核電廠穩(wěn)壓器是對(duì)一回路壓力進(jìn)行控制和超壓保護(hù)的重要設(shè)備，通過4組通斷式加熱器和2組比例式加熱器來調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器中水的溫度，從而參與對(duì)一回路壓力的控制。然而陽江、紅沿河等核電廠的加熱器開關(guān)均多次發(fā)生了誤動(dòng)跳閘的問題，其中陽江核電廠在2018年就發(fā)生了3起，嚴(yán)重影響了穩(wěn)壓器加熱器的可用性。本文針對(duì)陽江核電廠其中一起加熱器開關(guān)跳閘的原因進(jìn)行了深入剖析，找到了該共模缺陷的根治措施。

2 事件描述

2018年6月10日，Y4RCP021RS穩(wěn)壓器加熱器上游開關(guān)Y4RCP002RS-01D1跳閘，檢查為斷路器過載保護(hù)動(dòng)作。6月11日上午，電氣人員出票對(duì)開關(guān)跳閘原因進(jìn)行檢查，下游加熱器負(fù)荷的直阻及絕緣檢查無異常；將開關(guān)推入合閘，用鉗形電流表測(cè)量開關(guān)三相電流均在111.6A左右，與額定電流相仿，無異常；用熱成像儀對(duì)抽屜開關(guān)內(nèi)部元器件進(jìn)行測(cè)溫，發(fā)現(xiàn)斷路器本體表面溫度持續(xù)上漲，在運(yùn)行4小時(shí)后達(dá)到77.1℃，且有繼續(xù)上漲的趨勢(shì)，存在溫度過高的明顯異常。

3 斷路器頻繁跳閘的原因分析

3.1 對(duì)斷路器定值的合理性分析

Y4RCP002RS-01D1斷路器型號(hào)為T3N250TMD125，過載保護(hù)定值設(shè)置為125A，本次開關(guān)運(yùn)行電流108.5A左右，過載保護(hù)定值配置符合要求。而且一般加熱器負(fù)荷為恒流負(fù)載，無過載的工況。因此排除定值整定不合理導(dǎo)致開關(guān)誤動(dòng)的可能。

3.2 溫度對(duì)斷路器過載特性的影響分析

①熱脫扣器的原理

斷路器的過載保護(hù)通過熱脫扣器實(shí)現(xiàn)，其利用的是雙金屬片原理，雙金屬片通常由兩層熱膨脹系數(shù)不同的合金疊合而成。其中，膨脹系數(shù)較大的稱為主動(dòng)層，膨脹系數(shù)較小的稱為被動(dòng)層。由于金屬膨脹系數(shù)的差異，在溫度發(fā)生變化時(shí)，主動(dòng)層的形變要大于被動(dòng)層的形變，從而雙金屬片的整體就會(huì)向被動(dòng)層一側(cè)彎曲，產(chǎn)生形變。當(dāng)形變角度達(dá)到一定程度的時(shí)候，雙金屬片推動(dòng)限位螺栓運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)傳動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致斷路器脫扣跳閘，斷開主回路，實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。雙金屬片上纏繞著電熱絲，電熱絲的電流是從主回路分流過來的，主回路電流越大，電熱絲的發(fā)熱量也就越大，雙金屬片的變形度也就越快。調(diào)節(jié)雙金屬片上限位螺栓與脫扣桿之間的距離，就可以調(diào)整熱脫扣器的定值。不過雙金屬片對(duì)溫度敏感，故不同環(huán)境溫度下，過載保護(hù)的實(shí)際動(dòng)作值與設(shè)定值會(huì)產(chǎn)生誤差。②溫度對(duì)過載特性的影響。根據(jù)Tmax系列斷路器的說明書[1]，帶熱脫扣的斷路器的熱元件按40℃設(shè)置，當(dāng)溫度高于40℃時(shí)，具有相同設(shè)置的斷路器的熱脫扣門限值會(huì)有所變化，對(duì)T3N250TMD125型斷路器為例，若過載保護(hù)設(shè)定值為125A（基準(zhǔn)溫度為環(huán)境溫度40℃），當(dāng)環(huán)境溫度為60℃時(shí)，實(shí)際等效設(shè)定值下降為108A，當(dāng)環(huán)境溫度為70℃時(shí)，實(shí)際等效設(shè)定值下降為100A，環(huán)境溫度對(duì)斷路器過載定值的影響基本為線性關(guān)系。注：根據(jù)GB14048.2-2008規(guī)定，環(huán)境溫度指斷路器工作時(shí)周圍的空氣溫度。

本次Y4RCP002RS-01D1斷路器本體表明溫度高達(dá)77.1℃，保守估計(jì)等效的環(huán)境溫度為60℃，等效過載設(shè)定值已下降為108A，根據(jù)GB14048.2-2008中7.2.1.2.4規(guī)定，斷路器在1.05倍設(shè)定值下運(yùn)行的約定不脫扣時(shí)間為2h，而本事件中斷路器運(yùn)行電流為111.6A（約1.03倍整定值），超設(shè)定值長時(shí)間運(yùn)行即可發(fā)生跳閘，與本次跳閘事件相符。

綜上所述，斷路器溫度過高是導(dǎo)致斷路器過載保護(hù)頻繁誤動(dòng)的直接原因。

3.3 斷路器溫度過高的原因分析

①熱量來源。以Y4RCP002RS穩(wěn)壓器加熱器采用的MNS型低壓開關(guān)柜為例，盤柜主要由一個(gè)進(jìn)線單元和三個(gè)出線開關(guān)組成，每個(gè)出線開關(guān)額定運(yùn)行電流在109A左右，低壓盤柜在運(yùn)行狀態(tài)下的發(fā)熱源主要為導(dǎo)體通電時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱，也就是電流流過有電阻值的導(dǎo)體以及導(dǎo)體連接的接觸部位時(shí)產(chǎn)生的能量損耗，即Q=I2Rt。使用紅外成像儀對(duì)加熱器開關(guān)進(jìn)行測(cè)溫發(fā)現(xiàn)，熱量來源主要為斷路器本體，其余電纜以及連接部位發(fā)熱相對(duì)較小。②配電盤的散熱存在的問題。MNS型低壓開關(guān)柜的每一個(gè)柜體分為三個(gè)室，即母線室（在柜后部），抽屜小室（在柜前部），電纜室（在柜前右邊）。室與室之間用鋼板或高強(qiáng)度阻燃塑料功能板相互隔開，上下層抽屜之間有帶通風(fēng)孔的金屬板隔離，通風(fēng)孔形成了自然對(duì)流的通道。在柜體的下部設(shè)有進(jìn)風(fēng)口，在柜體頂部設(shè)有出風(fēng)口，冷空氣通過柜體下部的通風(fēng)柵格進(jìn)入柜體，利用煙囪效應(yīng)，將柜體內(nèi)斷路器等部件產(chǎn)生的熱量從柜體頂部出風(fēng)口帶出，達(dá)到散熱的目的。柜頂出風(fēng)口實(shí)際上是盤柜的泄壓通道，正常運(yùn)行時(shí)使用活門蓋板蓋住出風(fēng)口，僅留有一定的縫隙用于出風(fēng)，出風(fēng)通道較小，因此也帶來了散熱不良的問題。③斷路器溫度過高的風(fēng)險(xiǎn)。首先，斷路器溫度過高最直接的影響是過載保護(hù)定值漂移導(dǎo)致開關(guān)誤動(dòng)跳閘，使得供電可靠性降低，特別是在潛在的事故工況下，若疊加房間通風(fēng)不良等因素，開關(guān)極易誤動(dòng)跳閘，將嚴(yán)重影響穩(wěn)壓器加熱器電源的可用性。其次，溫升過高會(huì)加速元器件的老化，使得開關(guān)柜內(nèi)部件絕緣性能下降，可靠性降低。另外，斷路器溫度過高甚至?xí)l(fā)火災(zāi)事故。據(jù)一份外部經(jīng)驗(yàn)反饋顯示，2011年6月7日，美國卡爾霍恩堡核電站因一臺(tái)480V斷路器失效引起火災(zāi)，導(dǎo)致乏燃料水池喪失冷卻大約90分鐘，以該事件為導(dǎo)火索，卡爾霍恩堡核電站開展了近3年時(shí)間的停運(yùn)整治后才被監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)重新啟動(dòng)。斷路器失效原因?yàn)楦脑焯娲蟮臄嗦菲饕虿馁|(zhì)原因?qū)е逻\(yùn)行過程中發(fā)熱量增加，且斷路器通風(fēng)方式與原盤柜不匹配，無法將熱量帶出導(dǎo)致高溫引發(fā)火災(zāi)。

綜上所述，斷路器發(fā)熱量大以及配電盤散熱不良是造成斷路器頻繁跳閘的根本原因。

斷路器溫度過高不僅影響系統(tǒng)設(shè)備的可靠性，也可造成火災(zāi)等隱患，甚至危及核安全，因此應(yīng)采取有效的措施限制斷路器發(fā)熱是一個(gè)方面，提升配電盤的散熱能力是解決問題的另一重要方面。

4 斷路器溫度過高的防控措施

4.1 限制發(fā)熱的措施

①通過改造增大斷路器容量，降低斷路器主回路的電阻值，減少焦耳熱。目前陽江電廠已經(jīng)將T3N250TMD125更換為T3N250TMD200，提高斷路器容量后斷路器發(fā)熱明顯下降，效果良好。②控制斷路器的回路電阻值在較低值（使用微歐計(jì)測(cè)量）。③檢修時(shí)對(duì)電纜等導(dǎo)體連接情況進(jìn)行檢查，確認(rèn)緊固。④使用紅外測(cè)溫、熱成像等輔助手段對(duì)重要的盤柜進(jìn)行測(cè)溫，及早發(fā)現(xiàn)溫升跡象。

4.2 提升散熱能力的措施

配電盤的散熱有輻射散熱、熱傳導(dǎo)散熱以及對(duì)流傳熱三種方式，其中主要散熱為對(duì)流傳熱，對(duì)流傳熱的換熱速率根據(jù)牛頓冷卻公式[2]為：Q=hA（tw-tf）。

式中，Q為對(duì)流傳熱速率，W；h為對(duì)流傳熱系數(shù)，W/（m2.℃）；A為傳熱面積，m2；tw 為固體表面溫度，℃；tf為流體的溫度，℃。

通過上式可以得知，要想提高配電盤的散熱效率，可通過改變出風(fēng)口的面積來增加傳熱面積A，也可降低環(huán)境溫度來減小流體的溫度tf，另外，也可以考慮增設(shè)強(qiáng)制通風(fēng)來提高傳熱系數(shù)h，具體措施如下：①增設(shè)散熱出風(fēng)口。因泄壓裝置所在的出風(fēng)通道較小，造成散熱不良，所以考慮對(duì)柜頂?shù)目臻T板實(shí)施改造，加裝通風(fēng)窗，增大熱對(duì)流面積，提升換熱效率。目前該方案已通過設(shè)計(jì)評(píng)估并已在現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，同比溫度下降超過5℃，效果良好。②控制配電室溫度。嚴(yán)密監(jiān)視配電室溫度，控制在較低水平，一旦通風(fēng)系統(tǒng)檢修或者發(fā)生故障，應(yīng)考慮增設(shè)臨時(shí)空調(diào)或風(fēng)扇等輔助措施進(jìn)行降溫。③增設(shè)強(qiáng)制通風(fēng)。對(duì)配電柜實(shí)施改造增加風(fēng)扇可有效提升換熱效率，但同時(shí)也會(huì)帶來維護(hù)成本提高、風(fēng)扇噪音等問題，可作為同類問題解決的后備方案。

5 結(jié)論

斷路器發(fā)熱量大以及配電盤散熱不良是造成斷路器頻繁跳閘主要因素，通過增大斷路器容量以及配電盤的散熱出風(fēng)口改進(jìn)等措施，可以有效解決斷路器溫度過高的問題。

【參考文獻(xiàn)】

【1】楊世銘. 傳熱學(xué)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006