AP1000中壓電氣貫穿件合格鑒定電氣試驗要求

俞高偉，胡子嬰，吳珂科，朱小平

（上海發電設備成套設計研究院，上海200240）

電氣貫穿件是安裝在核電廠安全殼上，用于電纜穿越安全殼的專用電氣設備，其作用是在正常和各種事故（包括地震、失水事故或嚴重事故工況）條件下，維持核電廠安全殼的完整性和電氣連續性，防止放射性物質外泄，電氣貫穿件對反應堆的安全運行至關重要。

1 電氣貫穿件的組成

三代核電站AP1000中壓動力電氣貫穿件為反應堆冷卻劑泵（RCP）電動機提供三相電力，AP1000核電站采用了6 900V，60Hz屏蔽泵和電動機。由于中國電力制度為50Hz，電動機電源取自于核電廠內10kV中壓電源系統，通過變頻器（VFD）“軟起/軟停”，驅動到60Hz才能達到額定的冷卻能力，中壓電氣貫穿件安裝在中壓變頻器（VFD）和反應堆冷卻劑泵（RCP）之間［1］。

2 合格鑒定電氣試驗

AP1000是美國西屋電氣公司利用AP－600的非能動安全設計概念，加上系統80＋雙環路的設計思想，設計的非能動三代核電站，采用美國標準體系設計建造，其中電氣貫穿件以IEEE 317—1983《核電站安全殼結構中的電氣貫穿件裝配總成》為主。IEEE 317—1983規定了合格鑒定試驗，包括了介電強度、絕緣電阻、局部放電試驗（電暈）、額定連續電流試驗、額定短時間過電流、額定短路電流、額定短路熱容量（I2t）等電氣試驗。上述試驗需要確定兩個基本參數：額定電壓和額定電流。

2.1 額定電壓

對于系統標稱電壓和額定電壓，GB/T 156—2007《標準電壓》中對上述名詞的定義為：系統標稱電壓是用以標志或識別系統電壓的給定值；其附錄A給出了IEC標稱電壓定義，系統標稱電壓：系統設計選定的電壓。額定電壓：通常由制造廠家確定，用以規定元件，器件或設備的額定工作條件的電壓［2］。

GB/T 156—2007中4.3節標稱電壓規定的1kV以上至35kV的交流三相系統及相關設備的標稱電壓見表1。根據IEEE 317—1983第4.2.1條額定電壓，控制和動力回路的額定電壓見表2。

表1 1kV以上至35kV標稱電壓

表2 IEEE 317—1983規定的額定電壓

系統標稱電壓應是針對設備使用所在線路系統而言，而額定電壓應是針對設備裝置本身而言。AP1000中壓電氣貫穿件所在線路的系統標稱電壓為6 900V，按照表2要求在5 001～8 000V，那么中壓貫穿件的額定電壓可以選取為8kV。考慮到今后CAP1400核電站，電動機電源可能直接取自于核電廠內10kV、50Hz中壓電源系統，因此可以選擇10kV為中壓電氣貫穿件的額定電壓。

2.2 額定電流

反應堆冷卻劑泵（RCP）額定線電壓6 900V，4極、額定功率5 450kW（線電流485A，按COSΦ＝0.94）計。實際中壓電氣貫穿件安裝在變頻器（VFD）和反應堆冷卻劑泵（RCP）之間，因此需要滿足中壓變頻器（VFD）的電氣設計參數，額定輸出電壓6 900V，額定連續電流882A，以882A為中壓電氣貫穿件額定電流，有較大的冗余量。

3 電氣試驗要求

3.1 工頻耐壓和脈沖電壓試驗

確定了額定電壓后，工頻耐壓和脈沖電壓試驗參數就不難確定，IEEE 317—1983規定：介電強度試驗，在試驗間的環境條件下（溫度、壓力和相對濕度）應引導出如下的介電強度試驗［3］：

（1）工頻電壓試驗：每一中壓動力導體，低壓動力導體和控制導體在導體與地之間和無接地屏蔽的導體與相鄰導體之間施加60Hz的正弦電壓1min。

（2）脈沖電壓試驗：每一中壓動力導體應施加全波1.2×50μs脈沖電壓試驗串。

表3 IEEE 317—1983規定

表4 GB/T 311.1—1997高壓輸變電設備的絕緣配合中規定

為了兼顧表3中IEEE 317—1983和表4中GB/T 311.1—1997對工頻電壓試驗和脈沖電壓試驗的要求，以及中壓電氣貫穿件10kV的額定電壓，建議工頻電壓試驗電壓RMS（有效值）36kV，脈沖電壓試驗，脈沖峰值電壓95kV。

3.2 局部放電試驗

3.2.1 標準的解讀

對電氣貫穿件而言，局部放電也就是“電暈”。電暈放電（corona discharge）：氣體介質在不均勻電場中的局部自持放電。這是一種最常見的氣體放電形式。在曲率半徑很小的尖端電極附近，由于局部電場強度超過氣體的電離場強，使氣體發生電離和激勵，因而出現電暈放電引。電暈放電可以是相對穩定的放電形式，也可以是不均勻電場間隙擊穿過程中的早期發展階段。

IEEE 317—1983標準第6.2.5條局部放電試驗（電暈）規定中壓動力導體應在相導體之間作局部放電試驗（電暈），局部放電熄滅電壓不小于額定電壓。試驗儀器，校準和試驗程序應按NEMA WC3—1980第6部分，在試驗間的環境條件下（溫度、壓力和相對濕度）完成。NEMA WC3—1980目前已經升版為NEMA WC74—2006，該標準實際為5～46kV輸配電屏蔽電力電纜標準，根據NEMA WC74—2006第9.8.2條款局部放電試驗過程規定，又要求局部放電試驗參照ICEA T－24－380標準進行。

GB/T 13538—1992核電站安全殼電氣貫穿件［4］對局部放電有具體規定，6.4.6條款局部放電（電暈）試驗規定：高壓動力導體必須在每相導體之間進行局部放電（電暈）試驗，局部放電熄滅電壓不小于額定電壓。試驗要求如下：

（1）測試電路必須保證本底噪聲電荷量不超過規定允許放電電荷量的50%。

（2）測量電路本身靈敏度應能探測到等于或小于規定允許放電電荷量20%。

（3）在1.05UN/1.732（UN＝10kV額定電壓）電壓下測量，允許放電電荷量≤10pC。

GB/T 13538—1992標準沒有說明局放試驗具體遵循哪個標準執行，也沒有對熄滅電壓定義，其參考標準IEC 60772—1983中同樣沒有規定。根據1.05UN/1.732的測量電壓可以看出：試驗要求和國家電力行業標準DL 417—1991電力設備局部放電現場測量導則中對穿墻套管的要求一致，DL 417—1991（目前已經升版至DL 417—2006）具體參照GB/T 4109—1983（目前已經升版至GB/T 4109—2008）交流電壓高于1 000V的絕緣套管通用技術條件，而中壓電氣貫穿件用于絕緣的瓷套管和GB/T 4109—2008中的絕緣套管結構型式也相似。

具體測量方法參考GB/T 7354—2003局部放電測量。

3.2.2 起始和熄滅電壓

按照GB/T 7354—2003局部放電測量規定：

局部放電起始電壓（Ui）：當施加于試品的電壓從某一觀察不到局放的較低值開始逐漸增加到初次觀察到試品中產生重復性局放時的電壓。

實際上，Ui是局放脈沖參量幅值等于或超過某一規定的低值時的最低施加電壓。

局部放電熄滅電壓（Ue）：當施加于試品的電壓從某一觀察到局放脈沖參量的較高值逐漸減小，直到試品中停止出現重復性局放時的電壓。

實際上，Ue是當所選的局放脈沖參量幅值等于或小于某一規定的低值時的最低施加電壓。

綜合GB/T 13538—1992的要求，在判斷Ui或Ue時，局放脈沖參量的幅值選取為10pC。

在試驗測量Ui和Ue時，應注意Ui的值可能受電壓上升速率的影響，而Ue可能會受施加電壓的幅值、持續時間和電壓下降速率的影響。某些絕緣中當電壓第一次升至Ui時，只會間歇發生局放；一些情況下，放電量迅速上升，而當電壓Ui維持一段時間后，放電會消失。與高壓其他試驗中的測量相比，不同局放參量的測量具有較大的不確定度，因此很難用重復試驗來驗證局放試驗數據，對局放驗收試驗時應注意考慮這一點。

3.3 過載和短路電流試驗

額定連續電流試驗、額定短時間過電流、額定短路電流、額定短路熱容量（I2t）等試驗的要求相對明確和簡單，其中額定連續電流試驗、額定短時間過電流試驗以額定電流882A為基礎。盡管AP1000核電站反應堆冷卻劑泵（RCP）電動機，由變頻器（VFD）“軟起/軟停”，不存在啟動過載的問題；但是按照電氣貫穿件以往的鑒定要求，綜合IEEE 317—1983、GB/T 13538—1992、GB/T 25837—2010《核電廠安全殼電氣貫穿件的質量鑒定》的要求，AP1000中壓電氣貫穿件額定短時過負荷電流不得小于導體額定連續電流的7倍，持續時間不得小于10s。

電氣貫穿件中一個導體的額定短路熱容量是在最高正常環境溫度及貫穿件所有其他導體承載其額定連續電流的情況下，該導體在額定連續電流下連續運行后能承載而仍能保持電氣完整性和機械完整性的短路電流的平方值與持續時間的乘積。AP1000中壓電氣貫穿件短路電流有效值為50kA、0.6s，峰值150kA，額定短路熱容量I2t為1.5×109A2·s。

4 結語

由于安全是核電發展的前提，世界各國核電建設重點是采用更安全、更經濟的先進第三代核電機組。鑒于國內核電站的后續建設可能以

AP1000和CAP1400為主，開發適用的電氣貫穿件產品已經迫在眉睫。因此弄清楚AP1000電氣貫穿件的電氣試驗要求，將為電氣貫穿件的國產化的設計和鑒定試驗打下理論基礎。

［1］林誠格.非能動安全先進核電廠AP1000［M］.北京：原子能出版社，2008.

［2］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 156—2007標準電壓［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［3］IEEE Standards Board.IEEE Standard for Electric Penetration Assemblies in Containment Structures for Nuclear Power Generating Stations［S］.Newyork：The Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc，1983.

［4］國家技術監督局.GB/T 13538—1992核電站安全殼電氣貫穿件［S］.北京：中國標準出版社，1992.