AP1000主泵断路器可靠性分析

2015-12-10李永刚

中国科技纵横 2015年14期

关键词：灭弧主泵核电厂

吴　笛　李永刚

（中核集团辽宁核电有限公司，辽宁兴城 125000）

AP1000主泵断路器可靠性分析

吴笛李永刚

（中核集团辽宁核电有限公司，辽宁兴城 125000）

AP1000是西屋公司在AP600的基础上开发的非能动先进压水堆，AP1000与传统成熟的压水堆核电厂最大不同在于其安全系统采用了非能动的技术，AP1000核电厂主泵断路器是一种可以在安全系统控制下可靠断开反应堆冷却剂泵负载的1E级开关设备，本文结合AP1000主泵断路器的电气回路设计和参数特点，深入剖析实现可靠性提升的一些关键措施。

AP1000核电厂主泵 1E级断路器

AP1000核电厂两台蒸汽发生器对称布置，系统管路由两个主冷却剂环路构成，每个环路分别配置一台蒸汽发生器和两台屏蔽式主泵，两台主泵直接固定在蒸汽发生器的下封头，连接于同一台蒸汽发生器的两台主泵电源分别取自两个高压厂用变压器，主泵电机启动时必须由主泵变频器供电，主泵断路器控制供电回路的开断，承担着交流供电系统的唯一安全功能，因此主泵断路器规定为1E级、抗震I类设备，本文从分析断路器的绝缘水平、短路开合电流、耐压强度等参数要求以及供电回路电气设计入手，深入探索提升主泵断路器可靠性的措施和方法。

1　AP1000 主泵断路器介绍

AP1000核电厂中每台主泵供电回路共有三个断路器，其中主泵馈线断路器为非1E级断路器，用于正常情况下接受电气保护信号接通、断开电源，而1E级主泵断路器1、2则采用的是具有63kA通断能力，三级单掷、手车式的真空断路器，断路器储能回路采用电机供电，弹簧储能装置。

断路器同时具有保护、控制、连锁、监视等功能以满足规范的要求，每台断路器还装有紧急情况下提供手动跳闸的装置。由于变频器输出电源的频率在低频到60HZ变化，因而主泵断路器必须严格依照ANSI/IEEE.C37.09（交流高压断路器在对称电流基础下标准测试程序）进行设计试验来保证主泵断路器在低频到60HZ全频率范围内的断开都有很高的可靠性保证。

2　AP1000 主泵断路器工作原理

在AP1000核电厂中，位于反应堆冷却剂环路上的堆芯补水系统在发生事故时对压力容器堆芯提供补水和硼化，连接在堆芯冷管段的堆芯补水箱（CMT）可以根据不同的RCS工况在两种模式下切换运行，分别为水再循环模式和蒸汽补偿模式，如果LOCA后的冷段的水排空，则CMT在蒸汽补偿模式下运行。在这种模式下，循环驱动力为冷段的蒸汽和CMT注入水的密度差，当CMT触发后，反应堆冷却剂泵必须停运（有大概3秒的延迟）来实现RCS内的汽水分离，从而实现蒸汽补偿模式注入，主泵强迫循环方向与CMT水箱注入方向相反，会降低堆芯补水速度，主泵的停运用来增强安全注入功能并避免潜在的对安注的不利影响。主泵的停运则需要主泵断路器的可靠断开来实现。

3　AP1000 主泵断路器工作原理可靠性分析及提升措施

3.1绝缘水平的提升

绝缘水平指工频耐压和雷电冲击水平，能够表现对大气过电压和内部过电压的耐受能力。雷电冲击电压波很陡，与频率关系不大，但频率的增加对介质损耗有很大影响，电介质在交变电场作用下，随着频率的增加，电解质损耗也会相应增加，电介质损耗发热消耗能量可能引起电介质的热击穿［1］，因此在主泵断路器的绝缘技术中，应尽可能采用介质损耗正切值较低的材料来提高断路器的绝缘水平，通常用使用在60hz 36kV电压水平下一分钟内耐受试验来验证断路器的绝缘水平。

3.2温升过高的处理

频率的升高会影响磁通渗透度a［2］，磁通渗透深度体现了电流集肤效应的强度，磁通渗透度越高，集肤效应就越明显，越接近导体表面电流密度越大使导体的有效电阻增加，涡流损耗增大，即频率提高，涡流损耗会相应增加，铁磁损耗发热的温升也会相应增加，断路器温升过高，会产生金属材料软化，导体氧化加剧、绝缘材料老化等威胁到断路器使用功能及使用寿命的不利影响，为满足主泵断路器的可靠性要求，防止因铁磁损耗变化导致产品温升变化并超标的问题出现，断路器的额定短路电流的大小、接触压力的大小以及零部件的焊接质量都需要进行一定提高，AP1000核电厂中主泵断路器的额定电流通常设计为1200A，额定短路电流定为63KA。

3.3动稳定及热稳定试验的必要性

额定峰值耐受电流与额定短路关合电流都存在交流分量和直流分量，两者在数值上相等，大小受半波时间影响，不同频率的电流的半波时间不一致，在60hz电站中，半波时间为8.3ms，交直流叠加电流的最大值在二分之一半波时达到，此时交直流叠加电流达到最大值，直流分量略有缩减，衰减时间常数取45ms，由此来计算半波时的峰值电流和冲击系数（峰值电流与交流分量有效值比值）［3］在60hz的条件下一般按美国标准取2.6［4］，从而主泵断路器发生短路时，较大的短路电流会使断路器设备过热或电动力作用而遭到损坏，同时使主泵安全性大大降低，破坏电厂内设备的正常工作。因此，为了保证主泵断路器能够可靠关合、消除或减轻短路的后果，就需要正确地选择电器设备、设计继电保护以及进行严格的动稳定及热稳定试验。

3.4实现可靠开断容性电流能力的方法

目前，容性电流开断是真空断路器运行最严峻的任务之一，较高频率的恢复电压上升陡度比较高，峰值较大，灭弧比较困难，很有可能发生重击穿。因此，为了防止恢复电压超过电流断开后触头间的介质绝缘电压时发生的重燃，实现容性电流可靠切断，通常通过提高真空断路器开断电流后触头极间的绝缘恢复速度、提高真空断路器真空灭弧室的外部绝缘或者提高真空断路器真空灭弧室内触头间耐压强度等方法来提高断路器的介质绝缘电压，AP1000断路器的灭弧机构通常设有真空罩，真空罩能减少灭弧室的体积和重量，灭弧时间缩短，寿命长，免维护，具有很强的环境兼容性等，主触点通常采用花瓣形的铜铬合金，断路器内触点状况可以通过触点观察孔进行观察更换，通过容性电流开断试验可以验证断路器的容性电流开断能力。