反應(yīng)堆安全殼電氣貫穿件絕緣支撐盤耐潮性能試驗(yàn)研究

陳　青，郭　星，王廣金，邱新媛，王江武，周　寒，段緒星，羅　峰

反應(yīng)堆安全殼電氣貫穿件絕緣支撐盤耐潮性能試驗(yàn)研究

陳青，郭星，王廣金，邱新媛，王江武，周寒，段緒星，羅峰

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213）

近年來(lái)我國(guó)在運(yùn)核電廠相繼發(fā)生兩起反應(yīng)堆安全殼中壓電氣貫穿件絕緣支撐盤絕緣擊穿短路故障，造成反應(yīng)堆非計(jì)劃停堆停機(jī)，發(fā)生故障的中壓電氣貫穿件均為國(guó)外同一廠家同一批次設(shè)計(jì)生產(chǎn)的產(chǎn)品。上述故障造成核電廠巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，也對(duì)反應(yīng)堆的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)。本文針對(duì)發(fā)生故障的絕緣支撐盤和中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院同類型產(chǎn)品開(kāi)展試驗(yàn)研究，力求找到中壓電氣貫穿件絕緣支撐盤故障的主要原因，為電廠運(yùn)維和產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供參考依據(jù)。試驗(yàn)分析結(jié)果表明：中壓電氣貫穿件絕緣支撐盤在材料選型和成型工藝等方面存在一定缺陷，導(dǎo)致其絕緣耐潮性能不佳，是發(fā)生絕緣擊穿故障的主要原因。

安全殼；電氣貫穿件；絕緣支撐盤；耐潮性能

電氣貫穿件是安裝在核電廠安全殼上，用于各類電纜貫穿安全殼屏障的專用設(shè)備，屬核電廠第三道安全屏障的一部分[1,2]。在反應(yīng)堆正常運(yùn)行和事故工況下，要求能夠維持設(shè)備電氣連續(xù)性和壓力邊界的完整性，防止放射性物質(zhì)外泄，對(duì)反應(yīng)堆的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。中壓動(dòng)力電氣貫穿件為反應(yīng)堆冷卻劑泵電動(dòng)機(jī)提供電力，安裝在中壓變頻器和冷卻劑泵之間[3,4]。

絕緣支撐盤作為中壓電氣貫穿件起機(jī)械支撐和電氣絕緣作用的部件，必須同時(shí)滿足電氣絕緣性能和機(jī)械強(qiáng)度要求，即電氣絕緣性能必須保證在核電廠正常運(yùn)行和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故環(huán)境條件下，不因絕緣支撐盤絕緣性能降低導(dǎo)致三相導(dǎo)體之間發(fā)生沿面放電或絕緣擊穿而引發(fā)短路故障[5,6]；其機(jī)械強(qiáng)度必須能夠抵消三相動(dòng)力導(dǎo)體相間短路時(shí)電動(dòng)應(yīng)力對(duì)設(shè)備造成的機(jī)械沖擊，避免因陶瓷絕緣套管受損導(dǎo)致設(shè)備密封失效[7,8]。

近年來(lái)我國(guó)兩座在運(yùn)核電廠反應(yīng)堆安全殼上中壓電氣貫穿件相繼發(fā)生兩起因絕緣支撐盤處絕緣擊穿導(dǎo)致的短路事故，導(dǎo)致反應(yīng)堆非計(jì)劃停堆，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。此外，發(fā)生故障的中壓電氣貫穿件均為國(guó)外同一廠家同一批次設(shè)計(jì)生產(chǎn)的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)外各電氣貫穿件設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠家均將絕緣支撐盤作為中壓電氣貫穿件整機(jī)的一部分開(kāi)展各項(xiàng)鑒定和型式試驗(yàn)，未有公開(kāi)資料顯示對(duì)絕緣支撐盤耐潮性能開(kāi)展試驗(yàn)分析研究[1,4,9]。絕緣支撐盤材質(zhì)為有機(jī)絕緣材料，其絕緣性能受環(huán)境溫濕度的影響較大。核電站多處臨海地域，中壓電氣貫穿件絕緣支撐盤正常工作時(shí)基本處于高電壓和高溫高濕環(huán)境中，對(duì)其耐潮和絕緣性能提出了高要求。

本文對(duì)上述發(fā)生故障的絕緣支撐盤和中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院絕緣支撐盤取樣，開(kāi)展吸水率、絕緣電阻、微觀結(jié)構(gòu)和成分分析試驗(yàn)研究，力求找到中壓電氣貫穿件絕緣支撐盤出現(xiàn)故障的主要原因，為電站運(yùn)維和產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1　中壓電氣貫穿件故障

電氣貫穿件設(shè)計(jì)壽期同核電機(jī)組，即在整個(gè)機(jī)組壽期內(nèi)不考慮貫穿件更換。6.6 kV中壓電氣貫穿件內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：A—導(dǎo)電桿，共三相，起通流作用；B—瓷套管，為穿心瓷套管，起到絕緣、固定及密封作用；C—支撐絕緣板，起支撐固定和防電動(dòng)力作用，需具備良好的電氣絕緣性能。

圖1　中壓電氣貫穿件內(nèi)部結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)故障貫穿件核島內(nèi)側(cè)端子箱瓷瓶、支撐絕緣盤、導(dǎo)電桿及端部接線外觀進(jìn)行了檢查，均未見(jiàn)異常。對(duì)故障貫穿件核島外側(cè)端子箱進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)短路故障致使絕緣支撐盤表面被熏黑且表面有明顯的爬電痕跡，導(dǎo)電桿與瓷套管之間的密封部件失效。初步判斷是由于絕緣支撐盤存在某種絕緣缺陷，導(dǎo)致相間擊穿故障，發(fā)生故障的中壓電氣貫穿件如圖2所示。

圖2　故障中壓貫穿件

核電廠中壓電氣貫穿件防護(hù)等級(jí)為IP547，要求防灰塵及各方向噴水，對(duì)其氣密性和防潮性沒(méi)有具體的標(biāo)準(zhǔn)要求。發(fā)生故障的中壓電氣貫穿件接線箱均存在平衡孔（孔徑約35 mm）未封堵情況，其氣密性和防潮性不佳，同時(shí)其所處房間的濕度狀況也不佳，當(dāng)外界環(huán)境比較潮濕時(shí)，可能導(dǎo)致接線箱內(nèi)絕緣支撐盤受潮而埋下絕緣缺陷的隱患。因此，本文通過(guò)試驗(yàn)的方法，研究絕緣支撐盤材料試樣的吸水率和絕緣電阻隨環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)。

2　試樣和試驗(yàn)方法

將發(fā)生故障的絕緣支撐盤和中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院絕緣支撐盤材料按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定制備成吸水率和絕緣電阻測(cè)試試樣，用無(wú)水乙醇清洗后置于40 ℃環(huán)境中烘干24 h備用[10]。

采用AX224ZH/E密度天平，如圖3所示，按GB/T 1034的規(guī)定材料的吸水率[11]。采用ZC-90G高絕緣電阻測(cè)量?jī)x，如圖4所示，按GB/T 10064的規(guī)定測(cè)試試樣的絕緣電阻[12]。采用KTHC-015TBS恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣在23 ℃、不同相對(duì)濕度環(huán)境中處理24 h后開(kāi)展試驗(yàn)。

圖3　AX224ZH/E密度天平測(cè)定材料吸水率

圖4　ZC-90G高絕緣電阻測(cè)量?jī)x測(cè)試絕緣電阻

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1　吸水率

按標(biāo)準(zhǔn)要求制備大小尺寸（長(zhǎng)×寬×厚）為50 mm×50 mm×2 mm的試樣三塊，在不同環(huán)境下試樣吸水率試驗(yàn)結(jié)果以平均值為準(zhǔn)，兩種材料吸水率隨環(huán)境溫度和相對(duì)濕度變化趨勢(shì)如圖5所示。

發(fā)生故障的絕緣支撐盤材料和中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院絕緣支撐盤材料的吸水率隨環(huán)境相對(duì)濕度的增加顯著增大，同時(shí)環(huán)境相對(duì)濕度越高，吸水率增加速率越大。環(huán)境相對(duì)濕度為50%時(shí)，故障絕緣盤材料和中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院絕緣盤材料吸水率分別為0.04%和0.03%，環(huán)境相對(duì)濕度為98%時(shí)吸水率均為0.10%。在環(huán)境相對(duì)濕度低于98%的范圍內(nèi)，中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院絕緣盤材料吸水率均低于發(fā)生故障的絕緣盤材料。

3.2　絕緣電阻

按標(biāo)準(zhǔn)要求制備大小尺寸（長(zhǎng)×寬×厚）為100 mm×50 mm×2 mm試樣三塊，在不同環(huán)境下試樣絕緣電阻試驗(yàn)結(jié)果以平均值為準(zhǔn)，兩種材料標(biāo)準(zhǔn)試樣的絕緣電阻隨環(huán)境溫度和相對(duì)濕度變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6　絕緣電阻隨環(huán)境溫濕度變化趨勢(shì)

發(fā)生故障的絕緣支撐盤材料和中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院絕緣支撐盤材料標(biāo)準(zhǔn)試樣絕緣電阻隨環(huán)境相對(duì)濕度增加而顯著減小，環(huán)境相對(duì)濕度越高，絕緣電阻減小速率越大。環(huán)境相對(duì)濕度為50%時(shí)，故障絕緣盤材料和中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院絕緣盤材料標(biāo)準(zhǔn)試樣絕緣電阻分別為9.33 GΩ和4 840 GΩ，98%時(shí)分別為0.19 GΩ華潤(rùn)338 GΩ。環(huán)境相對(duì)濕度由50%增至98%，故障絕緣盤材料和中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院絕緣盤材料標(biāo)準(zhǔn)試樣絕緣電阻分別下降97.96%和93.02%。

故障絕緣盤材料標(biāo)準(zhǔn)試樣絕緣電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于和中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院絕緣盤材料標(biāo)準(zhǔn)試樣絕緣電阻，環(huán)境相對(duì)濕度為50%時(shí)，故障絕緣盤材料標(biāo)準(zhǔn)試樣絕緣電阻僅為中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院絕緣電阻的0.193%，98%時(shí)僅為0.056%。由以上分析可知，中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院絕緣盤材料絕緣耐潮性能遠(yuǎn)優(yōu)于發(fā)生故障的絕緣盤材料。

因此，絕緣支撐盤材料絕緣耐潮性能不佳，環(huán)境相對(duì)濕度增大后其絕緣性能顯著下降，造成中壓電氣貫穿件絕緣支撐盤絕緣擊穿而發(fā)生短路事故。

3.3　材料微觀結(jié)構(gòu)及成分試驗(yàn)分析

采用顯微分析方法研究發(fā)生故障的絕緣支撐盤材料的顯微組織大小、形態(tài)和分布性質(zhì)，按要求制備材料的顯微分析樣品，試驗(yàn)分析結(jié)果如圖7所示。該材料分布呈層狀和網(wǎng)狀，內(nèi)部存在球狀組織，材料分布不均勻，容易吸潮吸濕，導(dǎo)致絕緣性能下降。

圖7　故障絕緣支撐盤材料微觀結(jié)構(gòu)

采用光譜分析法對(duì)故障絕緣盤材料試樣開(kāi)展成分分析，該材料的光譜譜圖與已知材料的譜圖分析對(duì)比如圖8所示。對(duì)比分析可知：該絕緣支撐盤材料譜圖與環(huán)氧樹脂（聚合物環(huán)氧）譜圖相似度為76.11%，與聚乙烯（丙烯酸辛酯）譜圖相似度為75.28%，可知該絕緣支撐盤由環(huán)氧樹脂和聚乙烯的兩種材料復(fù)合而成。在電工板生產(chǎn)中上述材料的絕緣板大多采用層壓工藝，該工藝制成的絕緣板致密性差，容易吸潮吸濕。

圖8　故障絕緣支撐盤材料成分分析對(duì)比

4　結(jié)論

（1）核電廠發(fā)生故障的中壓電氣貫穿件絕緣支撐盤材料的吸水性能和絕緣耐潮性能不佳，性能指標(biāo)遠(yuǎn)低于中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院同類型產(chǎn)品。環(huán)境相對(duì)濕度增大后絕緣支撐盤絕緣性能顯著下降，最終導(dǎo)致絕緣擊穿短路故障。

（2）發(fā)生故障的中壓電氣貫穿件絕緣支撐盤采用層壓工藝，該工藝制成的絕緣板致密性差；同時(shí)，絕緣盤微觀分布呈層狀和網(wǎng)狀且分布不均勻，容易吸潮吸濕，導(dǎo)致絕緣性能下降。

（3）在進(jìn)行反應(yīng)堆安全殼中壓電氣貫穿件絕緣支撐盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選型時(shí)，要以絕緣耐潮性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依托，重點(diǎn)著眼于絕緣支撐盤的整體絕緣耐潮性能。

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［11］塑料吸水性的測(cè)定：GB/T 1034—2008［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008．

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Experimental Study on Moisture Resistance of Insulation Support Plate of Reactor Containment Electrical Penetration

CHEN Qing，GUO Xing，WANG Guangjin，QIU Xinyuan，WANG Jiangwu，ZHOU Han，DUAN Xuxing，LUO Feng

（Nuclear Power Institute of China，Chengdu of Sichuan Prov．610213，China）

In recent years，there have been two insulation breakdown short-circuit faults in the insulation support plate of medium voltage electrical penetration of reactor containment in Yunhe nuclear power plant．This resulted in unplanned shutdown of the reactor．The fault medium voltage electrical penetrations are designed and produced by the same foreign manufacturer in the same batch．At the same time，the failure causes huge economic loss of nuclear power plant，which also challenges the safe and stable operation of the reactor．In this paper，the test and research on the fault insulation support plate and the same type of products of Nuclear Power Institute of China are carried out．Try to find out the main cause of the insulation support plate fault of the medium voltage electrical penetration，and provide reference for the operation and maintenance of the power plant and the product design and production．The test results show that there are some defects in the selection of materials and forming process of the insulation support plate of the medium voltage electrical penetration．The above defects lead to the poor moisture resistance of the insulation support plate，which is the main reason for the breakdown of the insulation．

Reactor containment；Electrical penetration；Insulation support plate；Moisture resistance

470.4021

A

0258-0918（2021）03-0588-05

2020-04-30

陳青（1984—），男，湖北孝感人，副研究員，碩士，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆通用設(shè)備設(shè)計(jì)與研發(fā)方面研究