核电厂500kV套管出线方式改造
2017-09-13范凯
范凯
摘 要：从电气设备接触面的材料着手，分析了三门核电站500 kV超高压套管镀银层发生腐蚀的原因，得出套管上法兰出线方式是接触面腐蚀的重要原因。提出将水平接触面改造为竖直接触面的改造方法，从通流能力、机械性能两方面论证了改造的可行性。改造后，在现场测量了各接触面的接触电阻，验证了改造的正确性。通过改造，500 kV套管出线板的抗腐蚀能力、机械强度和通流能力均得到加强，在一定程度上提高了电站运行的可靠性。
关键词：500 kV套管 出线方式 改造
中图分类号：TM41 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（a）-0085-02
铜具有良好的导电性能，在电气设备中广泛使用铜质材料。由于银具有电阻率低、附着性好、价格低于金、电镀层一般较厚、粘接磨损小、滑动寿命长等特点，银及其合金作为镀层材料得到大量应用[1]。GIS触头、大电流套管的接触面等一般都要进行镀银处理。
根据《金属与合金的腐蚀——术语及定义》（ISO8044），腐蚀为金属和环境之间的物理化学作用，这种作用引起金属性能的变化。目前，镀银层腐蚀的问题是国内外电镀尚未解决的难题[2]。
该文对三门核电500 kV GIS超高压套管接触面发生腐蚀问题进行分析和研究，提出出线套管出线方式改造的方法。
1 实际问题
三门核电一期工程550 kV GIS为三相，50 Hz，进出线回路的额定电流均按5 000 A设计。采用一个半断路器接线，一期共建设两个完整串，出线采用SF6套管。套管上法兰的材质为铝合金，接线板为铜材质，接触面镀银。改造前的出线方式见图1。
在检修时，发现上法兰和接线板之间的镀银面腐蚀严重（见图2）。为了检查镀银层的腐蚀是否影响到了接触面的连接，测量接触电阻结果为（A相9.9 μΩ、B相12.6 μΩ和C相9.1 μΩ），安装时三相的接触电阻均小于2 μΩ，因此判定接触面的腐蚀已影响到连接的可靠性。
2 原因分析
（1）上法兰的接触面为水平接触面，这种接触面容易积水。大气中的腐蚀物容易在镀银层表面沉积，加剧金属腐蚀。
（2）安装问题。在厂家的安装说明中未明确对套管顶部裸露的镀银层做防腐，仅凭安装工人的工作经验。腐蚀物可以通过10 μm镀银层薄弱处及镀银层边缘和铝合金基层接触。
（3）由于核电厂一般建在沿海区域，空气中含有Cl-等腐蚀性离子。Cl-极易与上法兰的铝发生化学反应，导致表面腐蚀，随着时间的推移，腐蚀逐渐向接触面内部发展。
3 改造方法及可行性
水平接触面的紧固依靠铝合金与螺栓的螺纹咬合，铝合金较弱，咬合强度较低。如果是竖直连接面，接触面的连接紧固程度依靠的是螺栓和螺纹的咬合，其强度更高。根据前面的分析，水平接触面容易腐蚀。鉴于水平接触面的这些不足，对接触面进行改造是必要的。
3.1 改造的具体方案
改造后的具体结构如图3。上法兰、接线板均为铝合金材质，与导线接触位置镀银，上法兰与铝接线板焊接。上法兰与接线板焊接为整体结构，除导电连接面外的其他位置喷漆。
3.2 机械强度计算分析
通过应用ANSYS Workbench仿真软件对结构进行仿真计算并与材料的许用应力进行对比分析。分析计算使用数值计算法中的有限元法，强度校核采用力学校核中最常用的强度理论。接线板的材料为铝合金，属性见表1。
通过计算，当500 kV套管接线板受到拉力的作用时，最大等效应力为40.432 MPa，小于材料许用应力117 MPa。因此，该结构机械性能满足要求，具有很大的安全裕度。
3.3 通流能力计算
两种接线方式的材料分别为铜和铝，铜的最小截面积210×16，铝的最小截面积为180×38。铜材质的导电率k铜=2.2，铝材质的导电率k铝=1.15。将铜材质及铝材质的最小截面积及导电率代入公式，得：
I铜=S铜×k铜=210×16×2.2=7392A
I铝=S铝×k铝=180×38×1.15=7866A
对比原结构与新结构最小截面积处的通流能力，得到新结构的通流能力大于原结构。
3.4 现场验证
施工完成后，现场目视检查不存在积水的可能性。接触电阻测试的值为（A相1.6 μΩ；B相1.5 μΩ；C相1.7 μΩ）。
4 结语
500 kV GIS是电力系统重要的电气设备，对GIS套管出线方式的改造，降低了套管接触面腐蚀的风险，同时提高了套管的通流能力和机械性能，在一定程度上提高了电站运行的可靠性。
参考文献
[1] 卢庆港，乐晓蓉，杜亚平.电气设备镀银面变色机制分析与处理[J].电器与效能管理技术，2013（18）：53-55.
[2] 薛林涛，付丰年，吕杰.核电变压器套管腐蚀分析及防护措施研究[J].電镀与涂饰，2012，31（7）：37-39.
[3] GB/T 4109-2008，交流电压高于1 000 V的绝缘套管[S].中国标准出版社，2009.endprint
