核電廠斷路器老化因素分析及預防性維護

何小明，于宏偉，王秋實

（中科華核電技術研究院 北京分院，北京 100086）

0 引言

在核電站的運行中，大量的1E級交流和直流斷路器會被安裝在可能發生故障的電氣線路上，為關鍵性的安全性設備提供可靠穩定的電能，保證它們所提供的安全功能可靠運作，如反應堆的反應性控制、反應堆冷卻系統控制、衰變熱移除、安全殼的完整性等，這些功能是核電站的生命線。

隨著服役時間的增加，這些斷路器會逐漸出現老化失效情況，進而對核電站的運行造成威脅甚至出現停堆事故。我國核電經過20多年的發展，尤其在本世紀之初開始老化研究以來，針對核心核電設備開展了大量老化試驗，并積累了一定的數據資源。但是對于斷路器的老化研究和管理卻較少，且相關數據匱乏。秦山核電站、大亞灣核電站所使用的斷路器隨著服役年限的增長，故障頻率不斷增加。對斷路器展開全面的老化因素分析，針對核電站常用的斷路器類型提出有效的預防性維護措施，有效預防故障的出現，提高電力系統運行的可靠性是非常有必要的。

1 斷路器老化因素[1]

在斷路器運行中，有多種因素會導致其老化。這些老化因素或單獨的、或有相互聯系的形成某個老化機理。下面將分析這些老化因素的老化機理以及其對斷路器性能的影響。主要老化因素為[2]：高溫（包括環境高溫和斷路器內部產生的高溫）、電壓、機械動作循環。其他的諸如濕氣、煙塵、灰塵和其他污染物對斷路器盡管不會產生直接的老化以影響，但是會放大和加劇老化因素對元器件功能性退化的影響。

2 斷路器老化因素分析

2.1 高溫因素影響

高溫會導致斷路器有機組件（如有機絕緣體、結構構件、潤滑油）的熱劣化。高溫的產生因素主要是外界環境高溫和斷路器內部電路的導體電阻發熱。

在核電站使用的斷路器標準溫度范圍內，其外部環境的溫度是可人為調節的，即其工作的外部環境溫度會被限制在40℃。而在一年之中，大部分時間的溫度在21.1℃～29.4℃之間。核電站的斷路器也很少工作于極端溫度環境下，因此外界環境的溫度對于核電廠的斷路器來說影響相對較小。

在大多數情況下，斷路器的控制電路流過電流極小，能耗極低，因此，由控制電路產生的熱量幾乎沒有。但是斷路器的主電路會有相當大的電流流過，它是斷路器內部熱量產生的主要因素。高溫會導致絕緣特性的降低，還會加速石油基潤滑劑的蒸發。潤滑劑用于斷路器內部的軸承，潤滑其動作及降低磨損。而對于那些無油潤滑劑，它們所受到高溫的影響相對要低一些。如果主電路的接線處（如斷路器端子、電源總線連接處、電路斷開處、主觸頭等）存在高阻態接觸，那么電阻發熱量就非常高了。高阻態連接會導致其周圍絕緣材料的迅速老化。

2.2 電壓因素影響

當電壓幅值在斷路器的額定等級范圍時，電壓對斷路器元件造成的老化影響很小，但是當它與其他的老化因素（如濕氣、煙塵、熱老化等）聯系起來后，其影響程度就無法忽視了。這些濕氣、污垢等會在斷路器的絕緣體（外殼、絕緣管等）表面形成一個導電通路，電源的兩相或三相或相與地之間就會有電流流過。當然，在較為干燥的情況下，這樣的導電通路有足夠高的電阻，不會導致絕緣擊穿。但是，當濕氣較大時，就會產生漏電流，進而有電流流過的導電通路就會有電阻發熱，蒸發水分。而電流沒有瞬變的特性，在水分蒸發后，電流有一個保持不變的趨勢，而此時水分蒸發后的漏電通路電阻較大，就會產生極大的熱量。所以，在那些電阻較大，發熱較多的地方，水分蒸發就較快，很容易出現灼燒現象，這種地方被成為“干燥帶”。此過程的往復循環會加大其影響。若不加以清除，電弧路徑和干燥帶最終就會形成導電通路，導致絕緣性能失效。

熱劣化后的絕緣體，當處于潮濕和污染物嚴重的環境下時，不僅表面絕緣特性會降低，其體積絕緣特性也會降低。因為熱劣化后的絕緣體會變得脆化且易碎，漏電流在其表面形成的同時，很可能在在其內部也有通路，那么最終會發生擊穿。合理的檢查和維護能有效地查出絕緣體表面以及體積絕緣老化，避免擊穿的發生。

2.3 機械動作循環因素影響

機械動作循環會隨著動作次數的增加對斷路器的組件及其功能產生影響，脫扣裝置的一次機械動作循環是指一次脫扣和合閘的動作。每次機械動作循環都會產生一定的振動，振動會損傷斷路器結構中的焊接點和操動機構，甚至產生機械疲勞。在大多數的情況下，焊接點以及操動機構是能夠承受的機械動作循環次數要遠遠大于對其所需要的開斷次數。振動還會導致斷路器組件和操動機構的位移，增加了摩擦，進而導致機構的卡殼和鎖死。機械動作循環會導致操動機構表面的磨損，特別是在潤滑劑蒸發和硬化后，摩擦力的增大會加速磨損進而產生卡殼。

2.4 濕氣、煙塵、灰塵和其他污染物的影響[3]

根據前面分析，濕氣、污垢、污染物不會對斷路器造成直接性的損害，但是會導致部件的性能退化。濕氣和污垢在電壓和熱劣化因素的影響下，會造成絕緣體絕緣特性降低。不僅如此，濕氣和污染物還會腐蝕斷路器的金屬外殼，使其整體結構變得松動，操動機構的動作性能也會受到影響。而且，若活動部件的表面存在污垢或雜質，就會使潤滑劑僵化，加大了動作時的摩擦力，最終就會導致部件卡澀。滅弧槽的絕緣體表面出現的污垢，在斷路器脫扣時就會形成漏電通路，最終導致絕緣失效。

3 塑殼型斷路器的預防維護

通過上面對核電廠斷路器老化因素的分析，針對大亞灣核電站低壓運營中的塑殼型斷路器提出了相應預防性維護措施。

3.1 常規維護方法介紹

1）維護周期

由于塑殼型斷路器的封閉型設計，在正常服役壽命器件，只需要很少或幾乎不用進行維護。因此，塑殼型斷路器的預防性維護會根據其運行的環境的不同有所變化。鎖扣機構表面累積的灰塵會影響斷路器的機械動作，塑殼型斷路器應該至少每1年執行一次機械動作循環。常規的脫扣測試則應該每3~5年執行一次。

2）常規維護測試

通過常規的維護測試，核電站維護人員就能夠確定斷路器是否能正確有效地執行其保護功能。以下測試需要將斷路器從電力系統中拆卸下來。

①介電絕緣測試

用兆歐表測量斷路器各極之間以及載流部分和地之間的絕緣性能。在斷路器斷開的情況下，測量每極兩端（電源引線端和負載端）的阻抗。所測得阻抗值小于1MΩ時，則認為斷路器絕緣特性不合格，應對斷路器表面可能存在的污染物進行檢查。

②單極電阻測試[4]

通過單極電阻測試能夠發現斷路器內部很多的異常狀態，如觸頭腐蝕、觸頭表面污染物附著情況、內部電路連接松散等。根據斷路器的額定電流等級，通過額定等級下的電流后，在每極兩端所測得的電壓或功耗應符合其出廠技術規格書的要求。

③接線端子檢查[4]

檢查斷路器的接線端子，確定其線路連接處于良好狀態，為發現過熱或灼燒現象。若是發現有過熱或灼燒引起的接線端子處變色或電弧灼燒現象，則應更換接線端子，清理連接處。

④過載脫扣測試[5]

對斷路器的每極通以300%的連續額定電流，能夠驗證斷路器的過載脫扣功能是否能正確動作。此測試重點是驗證斷路器在過載情況下是否能正確地自動脫扣，脫扣時間會隨環境條件和測試條件的不同而變化。

⑤機械操作測試[6]

機械操作測試是操作操縱桿，進行分閘與合閘的操作，檢查機械操作動作是否正常。

3.2 建立斷路器的故障數據庫

斷路器的老化是一個比較緩慢的過程，而且其老化速率和故障的發生受到許多隨機因素的影響。建立斷路器的故障數據庫有利于找出某一類斷路器的故障特點，進而得出故障原因，對故障進行排查和預防。但是，對于輕微老化狀態的斷路器，此類斷路器的各項性能指標都較好，故障發生率較少，而且其故障現象和故障原因常常無法通過常規的維護和測試手段查出，因此核電站的維護檢修人員無法有效掌握斷路器的老化狀態，在維護時也容易出現誤查和漏查情況，造成資源浪費以及留下故障隱患。核電站現有的常規維護和測試手段能較好的排查中度老化狀態的斷路器，但是性能下降的中度老化狀態的斷路器其實已經對核電站電力系統的運行造成了威脅，因為在中度老化狀態形成之前，無法對斷路器老化狀態進行有效預測和排查。

建立斷路器數據庫能有效地跟蹤斷路器的老化狀態，實現對斷路器服役壽命的預測[7]。斷路器的數據庫除了包括故障數據以外，還應包括斷路器的各項性能指標和可靠性數據。故障數據的作用主要是針對某一類型的斷路器故障進行故障預防；性能指標數據則可以跟蹤斷路器的整個服役生命周期的工作狀態，進而對斷路器的服役壽命進行預測；可靠性數據則是對某一型號的所有斷路器進行整體評估，量化此類型斷路器的整體工作狀態，為其整體維護工作提供參考依據。

4 結束語

通過對核電廠斷路器主要老化因素進行分析，針對主要老化因素提出了塑殼型斷路器相應的預防性維護措施。斷路器的老化是一個比較緩慢的過程，而且其老化速率和故障的發生受到許多隨機因素的影響。建立斷路器的數據庫能有效的跟蹤斷路器的老化狀態，實現對斷路器服役壽命的預測，為其整體維護工作提供參考依據。

[1]Life Cycle Management Plan for Circuit Breakers at Salem and Hope Creek Stations.EPRI Project Manager,Final Report,2003.

[2]AGING MANAGEMENT GUIDELINE FOR COMMERCIAL NUCLEAR POWER PLANTS-ELECTRICAL SWITCHGEAR,2000.

[3]Power Quality Predictive Maintenance (PQPM) Systems Application for Circuit Breakers and Reclosers.Technical Progress Report,2000.

[4]NEMA AB 4-2009 Guidelines for Inspection and Preventive Maintenance of Molded Case Circuit Breakers Used in Commercial and Industrial Applications.

[5]Molded Case Circuit Breaker Maintenance and Application Guide.NP-7410-V3,Revison1,1995.

[6]Inspection and Maintenance Guidelines for Circuit Breakers.L. van der Zel,2005.

[7]郭賢珊.斷路器觸頭電壽命在線監測[J].高電壓技術,1999.