核电厂中压电气贯穿件绝缘套管的研发

郑兰疆 王广金 周 天

（中国核动力研究设计院，四川 成都 610041）

0 引言

核电厂中压电气贯穿件是安装在安全壳上供核电厂中压动力电缆贯穿件安全壳的专用电气产品，是1个电气分级1E级、机械安全2级且受国家核安全局监管的重要设备，主要是由额定电压为6.6 kV、50 Hz三相供电回路的导体组成的。电气贯穿件作为安全壳压力边界的组成部分，除了满足电气性能外，还必须保证可靠的密封性，即使在正常和各种事故（包括地震和失水事故等）条件下，仍能保证安全壳压力边界的完整性和电气连续性。绝缘套管是中压电气贯穿件的关键部件，绝缘套管的性能直接决定了中压电气贯穿件的电气性能和密封性能，同时也为贯穿件的整机性能提供保障。国内原有核电厂的电气贯穿件均为进口，同时受国外公司对设备的技术保密和产权保护，产品研发并无相关设计和制造的参考资料可以借鉴，需要针对产品需求进行自主研发。

1 绝缘套管的设计

绝缘套管的研发过程是一系列活动的集合，主要包括从最初的需求，到问题的分析、概念的设计、方案评价和技术实现等许多方面的内容。同时作为核级产品，在研发过程中应特别注意其安全性和可靠性，原则上尽可能地采用成熟的制造技术和有使用业绩材料。

1.1 功能需求

按照中压贯穿件总体设计的需求，绝缘套管作为结构部件要实现以下3个功能：1）连接固定端板、支撑贯穿导体并承担电气贯穿件开口密封，绝缘套管气体泄漏率指标要小于。2）处于不同电位之间并承担主绝缘作用，所承载的导体之间进行36 kV的介电强度试验，在1 min内无击穿、闪络和电压突降等。3）作为部件安装到中压电气贯穿件工程样机上，随工程样机进行一系列鉴定试验，在试验前后要保证中压电气贯穿件的功能并维持自身的完整性。鉴定试验中对绝缘套管起主要影响作用的项目有热老化、辐照、振动、地震、LOCA、雷电冲击和短路电流试验等[1]。

1.2 概念设计

概念设计在产品设计中具有重要的地位，其主要目的是针对每个设计需求功能得到1个确定但并不要求详细的解，并通过原理部件间的空间或结构上的关系使它们有机结合起来。通常运用的概念生成方法有头脑风暴法、水平思维法、检核表法、创造发明学方法-TRIZ和创造性模板方法-CT[2]等。对绝缘套管的概念设计从需求功能出发，通过功能分解和配置，对问题进行抽象和分析，并充分考虑所有可能存在的约束条件，并将约束条件具体量化，按各功能或各子功能进行材料选择和功能解，经过整理得到的较有意义的功能解见表1。

1.3 总体方案

作为核安全电气1E级设备用绝缘套管，在总体方案组合设计时，应该优先选用较为成熟可靠的结构和生产制作工艺，对材料的选择应优先选用有核环境条件下应用经验的材料，对单项结构和工艺要开展专门的设计验证试验，在该次绝缘套管的研发中，就绝缘套管与铜棒的密封结构以及异种材料之间的焊接进行单项的工艺验证，待验证通过后运用到产品设计中。最终总体方案是采用陶瓷绝缘子作为绝缘材料，端板侧采用螺栓连接不锈钢法兰压紧端板上的密封圈实现与端板的密封，另一侧采用不锈钢卡套座配备铜卡套和螺纹旋合压紧实现绝缘套管与铜棒的密封，陶瓷绝缘子表面进行金属化处理，采用可伐合金钎焊和金属件间氩弧焊的封接工艺分别将连接法兰和卡套座连接在一起，在连接法兰和陶瓷绝缘子之间采用了专用柔性金属件来进行连接，既保证了绝缘套管的密封性，又实现了轴向变形补偿的功能，同时制造工艺具备可实施性，在对材料选择方面全部采用非高分子材料，不受辐照等因素影响，满足核环境的使用要求。

1.4 结构设计

根据中压电气贯穿件对其需求的总体尺寸的要求进行接口设计，充分考虑结构的可靠性、制造加工和装配工艺的可实施性，参考《机械设计手册》、《法兰设计手册》以及相关标准如GB/T 3764等，采用CAD技术和软件进行了绝缘套管的零部件和总装详细设计，其整体结构如图1所示，绝缘套管的连接法兰通过柔性金属件与陶瓷绝缘子的焊接工艺进行连接，卡套座与陶瓷绝缘子之间是通过金属焊接件的焊接工艺连接的，从而保证绝缘套管自身的密封性能，柔性金属件的存在用来补偿试验过程中可能产生的位移量，保证绝缘套管的陶瓷绝缘子在设计事故条件下不受损伤。

表1 绝缘套管概念设计图解

1.5 数值校核

针对绝缘套管的数值校核计算主要是对绝缘套管在一系列设计事故下的应力分析。绝缘套管承受的应力主要来自于中压导体组件三相短路时的峰值短路电流的冲击和LOCA环境条件下不同材料的热膨胀系数不一致造成的应力冲击。根据以上特点，要求该陶瓷绝缘套管在冲击载荷的作用下允许一定程度的变形量，从而不至于产生脆性断裂或者损坏，考虑极限情况即短路和LOCA同时发生的联合工况下对绝缘套管进行数值计算。

1.5.1 短路电流引起的径向位移

图1 绝缘套管结构图

根据核电设计要求，中压导体的短路电流峰值为150 kA。考虑极限情况，三项同时短路时是最危险的。当发生三项短路时每两根导体之间的相互作用力为[3]：

式中：μ0为真空磁导率，其值为常数4π×10-7N/A2；I1，I2为短路导体中流过的电流；d为两短路导体之间的距离。

3根中压导体均匀分布在φ306 mm的圆周上，短路电流试验时I1=I2=150 kA。经计算得到分布在铜棒长度方向上的线载荷密度ρ=16981N·m-1。由于绝缘套管与端板连接的一端是用螺栓紧固，因此在短路冲击时其受力可等效成旋臂梁，易知其最大的径向位移，其中E=1.03×1011Pa，l为绝缘套管的长度，I表示该圆铜棒的惯性矩，，D=35 mm，D为中压导体直径。最终得到陶瓷绝缘套管端部的径向位移为5.9 mm。

1.5.2 热膨胀引起的轴向位移

陶瓷绝缘套管的一端安装在筒体组件上，另一端与铜导体固定，当发生LOCA事故时，由于铜材料、筒体碳钢和端板不锈钢的热膨胀系数不一致，其中铜导体的热膨胀会对波纹管产生拉伸的作用，同时筒体组件（由碳钢和不锈钢组成）的热膨胀对波纹管的拉伸有1个补偿的作用，最终的轴向位移是2个部分合成的结果。现利用有限元计算方法进行热结构的耦合计算，计算温度为LOCA试验峰值温度156 ℃，计算结果表明绝缘套管端部在LOCA环境条件下的轴向位移d=0.7215 mm。

1.5.3 联合工况下绝缘套管的应力计算

绝缘套管受力最坏情况为既发生LOCA又发生短路，即陶瓷绝缘套管的端部既有径向位移又有轴向位移。现采用有限元方法对联合工况下陶瓷绝缘套管的受力进行校核计算，计算结果表明：最大应力发生在柔性金属件上，最大应力为136 MPa，图2是其等效应力示意图，图中不同颜色对应该部位的等效应力，最大为红色其对应数值为136 MPa。由ASME标准可知，在温度156 ℃的环境条件下，柔性金属件的屈服强度为155 MPa，从而该波纹管的设计符合要求。

2 验证试验

核电对安全性、可靠性的特殊要求决定了核电产品与普通工业产品不同，其质量的优劣和产品运行的可靠性和稳定性直接与核安全相关。因此，产品在进行详细设计验证的基础上，需要进一步制作工程样机并进行鉴定试验，以说明产品在正常和设计基准事故工况下能满足核电现场的使用要求，同时核级产品还需要按照国家核监管部门的要求取得设计、制作许可证后才可以从事该产品的工程设计和制造活动。

绝缘套管作为中压电气贯穿件的核心关键部件，完成产品开发后，在安装到中压电气贯穿件之前，需要对加工成型的绝缘套管进行外观、尺寸和密封性能检测，密封性能检测采用真空室氦检，经测试绝缘套管的泄漏率指标＜1×10-8Pa·m3/s，自身满足气密性要求。整个鉴定试验共制作了6套绝缘套管，分别安装在中压贯穿件两侧的端板上，在安装时注意对陶瓷件的成品保护，安装形成样机后，按照法国EDF鉴定程序和IEEE317相关规定编制鉴定试验大纲，审查认可后按照试验大纲要求进行鉴定试验，整个过程都有相关专家或业主代表全程见证。

图2 等效应力分布示意图（其中MX表示最大应力位置）

鉴定试验首先进行基准试验，包括气压强度试验和密封性能试验，用来证明样机的基本性能合格。另外，中压贯穿件本身还要进行一系列评价设备性能随时间变化的试验，包括加速老化、湿热循环和耐辐照试验等，由于研发绝缘套管材料体系选择时充分考虑到核电老化因素，且套管本身不含高分子材料，因此绝缘套管可以不需要进行加速老化和湿热循环等试验。然后进行极限运行条件下的试验，试验包括局部放电试验、额定短时过负荷电流试验、雷电冲击试验、额定短路电流和额定短路热容量试验（峰值150 kA）、机械振动试验，图3为绝缘套管随中压贯穿件工程样机一起进行短路电流试验。在完成上述试验后，在此基础上叠加开展抗震试验和最严酷DBE环境条件下的模拟试验（峰值温度为156 ℃），试验完成后进行外观、电气性能和密封性能的检测，试验后，绝缘套管完好无损，且其与贯穿件筒体端板以及铜棒之间贴合紧密，中压贯穿件整机的气体泄漏率以及绝缘套管所承载的动力导体的介电强度、绝缘电阻均达到了产品的功能需求。

图3 三相短路电流试验

3 结论

该文从功能需求出发，对核电厂中压电气贯穿件的关键部件绝缘套管进行功能分解，通过对各功能开展概念设计，并对概念设计的结构和工艺进行详细的设计验证和工艺验证，最终通过组合创新得到绝缘套管的设计方案，制作的样品安装在中压贯穿件上形成整体工程样机，并通过了一系列鉴定试验的考验，试验结果表明其满足各项功能要求，该研究得出绝缘套管已经正式运用到国内外核电站电气贯穿件产品中，性能优良，运行稳定。此外，该研究所提出的产品功能分解、单项概念设计后再组合创新设计的方法在新产品开发中能化繁为简，快速获得最佳设计，保证产品研发的成功率，可以为核级产品的研发提供指导。