核电厂稳压器加热器开关频繁跳闸的原因分析及防控措施

金少军

【摘 要】供电开关的频繁跳闸严重影响了稳压器加热器的可用性，通过对开关跳闸的机理和影响因素进行深入剖析，找到了开关跳闸的根本原因，并从限制发热和加强散热两个方面对供电设备进行改进，解决了开关跳闸的问题。

【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.

【关键词】开关；跳闸；过热；散热

【Keywords】 switch； trip； overheat； heat dissipation

【中图分类号】TM732 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）11-0131-02

1 引言

核电厂稳压器是对一回路压力进行控制和超压保护的重要設备，通过4组通断式加热器和2组比例式加热器来调节稳压器中水的温度，从而参与对一回路压力的控制。然而阳江、红沿河等核电厂的加热器开关均多次发生了误动跳闸的问题，其中阳江核电厂在2018年就发生了3起，严重影响了稳压器加热器的可用性。本文针对阳江核电厂其中一起加热器开关跳闸的原因进行了深入剖析，找到了该共模缺陷的根治措施。

2 事件描述

2018年6月10日，Y4RCP021RS稳压器加热器上游开关Y4RCP002RS-01D1跳闸，检查为断路器过载保护动作。6月11日上午，电气人员出票对开关跳闸原因进行检查，下游加热器负荷的直阻及绝缘检查无异常；将开关推入合闸，用钳形电流表测量开关三相电流均在111.6A左右，与额定电流相仿，无异常；用热成像仪对抽屉开关内部元器件进行测温，发现断路器本体表面温度持续上涨，在运行4小时后达到77.1℃，且有继续上涨的趋势，存在温度过高的明显异常。

3 断路器频繁跳闸的原因分析

3.1 对断路器定值的合理性分析

Y4RCP002RS-01D1断路器型号为T3N250TMD125，过载保护定值设置为125A，本次开关运行电流108.5A左右，过载保护定值配置符合要求。而且一般加热器负荷为恒流负载，无过载的工况。因此排除定值整定不合理导致开关误动的可能。

3.2 温度对断路器过载特性的影响分析

①热脱扣器的原理

断路器的过载保护通过热脱扣器实现，其利用的是双金属片原理，双金属片通常由两层热膨胀系数不同的合金叠合而成。其中，膨胀系数较大的称为主动层，膨胀系数较小的称为被动层。由于金属膨胀系数的差异，在温度发生变化时，主动层的形变要大于被动层的形变，从而双金属片的整体就会向被动层一侧弯曲，产生形变。当形变角度达到一定程度的时候，双金属片推动限位螺栓运动，进而推动传动连杆运动，导致断路器脱扣跳闸，断开主回路，实现过载保护。双金属片上缠绕着电热丝，电热丝的电流是从主回路分流过来的，主回路电流越大，电热丝的发热量也就越大，双金属片的变形度也就越快。调节双金属片上限位螺栓与脱扣杆之间的距离，就可以调整热脱扣器的定值。不过双金属片对温度敏感，故不同环境温度下，过载保护的实际动作值与设定值会产生误差。②温度对过载特性的影响。根据Tmax系列断路器的说明书[1]，带热脱扣的断路器的热元件按40℃设置，当温度高于40℃时，具有相同设置的断路器的热脱扣门限值会有所变化，对T3N250TMD125型断路器为例，若过载保护设定值为125A（基准温度为环境温度40℃），当环境温度为60℃时，实际等效设定值下降为108A，当环境温度为70℃时，实际等效设定值下降为100A，环境温度对断路器过载定值的影响基本为线性关系。注：根据GB14048.2-2008规定，环境温度指断路器工作时周围的空气温度。

本次Y4RCP002RS-01D1断路器本体表明温度高达77.1℃，保守估计等效的环境温度为60℃，等效过载设定值已下降为108A，根据GB14048.2-2008中7.2.1.2.4规定，断路器在1.05倍设定值下运行的约定不脱扣时间为2h，而本事件中断路器运行电流为111.6A（约1.03倍整定值），超设定值长时间运行即可发生跳闸，与本次跳闸事件相符。

综上所述，断路器温度过高是导致断路器过载保护频繁误动的直接原因。

3.3 断路器温度过高的原因分析

①热量来源。以Y4RCP002RS稳压器加热器采用的MNS型低压开关柜为例，盘柜主要由一个进线单元和三个出线开关组成，每个出线开关额定运行电流在109A左右，低压盘柜在运行状态下的发热源主要为导体通电时产生的焦耳热，也就是电流流过有电阻值的导体以及导体连接的接触部位时产生的能量损耗，即Q=I2Rt。使用红外成像仪对加热器开关进行测温发现，热量来源主要为断路器本体，其余电缆以及连接部位发热相对较小。②配电盘的散热存在的问题。MNS型低压开关柜的每一个柜体分为三个室，即母线室（在柜后部），抽屉小室（在柜前部），电缆室（在柜前右边）。室与室之间用钢板或高强度阻燃塑料功能板相互隔开，上下层抽屉之间有带通风孔的金属板隔离，通风孔形成了自然对流的通道。在柜体的下部设有进风口，在柜体顶部设有出风口，冷空气通过柜体下部的通风栅格进入柜体，利用烟囱效应，将柜体内断路器等部件产生的热量从柜体顶部出风口带出，达到散热的目的。柜顶出风口实际上是盘柜的泄压通道，正常运行时使用活门盖板盖住出风口，仅留有一定的缝隙用于出风，出风通道较小，因此也带来了散热不良的问题。③断路器温度过高的风险。首先，断路器温度过高最直接的影响是过载保护定值漂移导致开关误动跳闸，使得供电可靠性降低，特别是在潜在的事故工况下，若叠加房间通风不良等因素，开关极易误动跳闸，将严重影响稳压器加热器电源的可用性。其次，温升过高会加速元器件的老化，使得开关柜内部件绝缘性能下降，可靠性降低。另外，断路器温度过高甚至会引发火灾事故。据一份外部经验反馈显示，2011年6月7日，美国卡尔霍恩堡核电站因一台480V断路器失效引起火灾，导致乏燃料水池丧失冷却大约90分钟，以该事件为导火索，卡尔霍恩堡核电站开展了近3年时间的停运整治后才被监管机构批准重新启动。断路器失效原因为改造替代后的断路器因材质原因导致运行过程中发热量增加，且断路器通风方式与原盘柜不匹配，无法将热量带出导致高温引发火灾。

综上所述，断路器发热量大以及配电盘散热不良是造成断路器频繁跳闸的根本原因。

断路器温度过高不仅影响系统设备的可靠性，也可造成火灾等隐患，甚至危及核安全，因此应采取有效的措施限制断路器发热是一个方面，提升配电盘的散热能力是解决问题的另一重要方面。

4 断路器温度过高的防控措施

4.1 限制发热的措施

①通过改造增大断路器容量，降低断路器主回路的电阻值，减少焦耳热。目前阳江电厂已经将T3N250TMD125更换为T3N250TMD200，提高斷路器容量后断路器发热明显下降，效果良好。②控制断路器的回路电阻值在较低值（使用微欧计测量）。③检修时对电缆等导体连接情况进行检查，确认紧固。④使用红外测温、热成像等辅助手段对重要的盘柜进行测温，及早发现温升迹象。

4.2 提升散热能力的措施

配电盘的散热有辐射散热、热传导散热以及对流传热三种方式，其中主要散热为对流传热，对流传热的换热速率根据牛顿冷却公式[2]为：Q=hA（tw-tf）。

式中，Q为对流传热速率，W；h为对流传热系数，W/（m2.℃）；A为传热面积，m2；tw 为固体表面温度，℃；tf为流体的温度，℃。

通过上式可以得知，要想提高配电盘的散热效率，可通过改变出风口的面积来增加传热面积A，也可降低环境温度来减小流体的温度tf，另外，也可以考虑增设强制通风来提高传热系数h，具体措施如下：①增设散热出风口。因泄压装置所在的出风通道较小，造成散热不良，所以考虑对柜顶的空门板实施改造，加装通风窗，增大热对流面积，提升换热效率。目前该方案已通过设计评估并已在现场验证，同比温度下降超过5℃，效果良好。②控制配电室温度。严密监视配电室温度，控制在较低水平，一旦通风系统检修或者发生故障，应考虑增设临时空调或风扇等辅助措施进行降温。③增设强制通风。对配电柜实施改造增加风扇可有效提升换热效率，但同时也会带来维护成本提高、风扇噪音等问题，可作为同类问题解决的后备方案。

5 结论

断路器发热量大以及配电盘散热不良是造成断路器频繁跳闸主要因素，通过增大断路器容量以及配电盘的散热出风口改进等措施，可以有效解决断路器温度过高的问题。

【参考文献】

【1】杨世铭. 传热学（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006