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

（陽(yáng)江核電有限公司，廣東 陽(yáng)江 529500）

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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(zhǎng)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(guó)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(yáng)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。于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。于控制配電室溫度。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。