1E級(jí)低壓抽出式成套開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

紀(jì)桂強(qiáng)

（廣東正超電氣有限公司，廣東汕頭 515041）

0 引言

核電是一種技術(shù)成熟的清潔能源，與火電相比，核電不排放二氧化硫、煙塵、氮氧化物和二氧化碳。以核電替代部分火電，不但可以減少煤炭的開采、運(yùn)輸和燃燒總量，而且是電力工業(yè)減排污染物的有效途徑、是減緩全球溫室效應(yīng)的重要措施。我國核電已經(jīng)進(jìn)入積極穩(wěn)妥發(fā)展的新時(shí)期，當(dāng)前中國在運(yùn)和在建核電規(guī)模總計(jì)4 875萬千瓦，根據(jù)核電發(fā)展相關(guān)規(guī)劃，到2020年核電運(yùn)行裝機(jī)容量將達(dá)到5 800萬千瓦，在建3 000萬千瓦。

1E級(jí)低壓抽出式成套開關(guān)設(shè)備（下簡稱：1E級(jí)低壓柜）安裝于核電廠核島廠房內(nèi)，負(fù)責(zé)對(duì)核電廠安全系統(tǒng)供電，是完成核電廠反應(yīng)堆安全停堆、安全殼隔離、堆芯冷卻以及從安全殼和反應(yīng)堆排出熱量，以及防止反射性物質(zhì)向環(huán)境過量排放所必需的重要設(shè)備；若1E級(jí)低壓柜在假設(shè)始發(fā)事件（PIE）時(shí)失效，可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果，如堆芯熔化、大量放射性物質(zhì)大量向環(huán)境釋放等[1]。核電工業(yè)屬于高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，其中核電設(shè)備設(shè)計(jì)與制造的技術(shù)含量高、質(zhì)量要求嚴(yán)，由于國內(nèi)能設(shè)計(jì)、生產(chǎn)核電廠1E級(jí)低壓柜并通過質(zhì)量鑒定的廠家很少，導(dǎo)致市場份額基本為被ABB、Schneider等跨國企業(yè)或其合資公司壟斷。

根據(jù)國內(nèi)外市場現(xiàn)狀、結(jié)合現(xiàn)有基礎(chǔ)條件，研制1E級(jí)低壓柜具有重大的意義。

1 功能要求

目前，國內(nèi)外低壓成套開關(guān)設(shè)備元器件和配套件品種齊全，在設(shè)計(jì)過程中，需要合理選擇和配置元器件，優(yōu)化產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)，確保設(shè)備在核電廠運(yùn)行工況（包括正常條件、異常工況），以及在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件（地震事件）下執(zhí)行其預(yù)定的功能，同時(shí)，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行期間發(fā)生內(nèi)部故障電弧時(shí)，也須確保設(shè)備周圍運(yùn)行人員的人身安全。有鑒于此，1E級(jí)低壓柜需具備下列功能[2]：

（1）主回路能承受運(yùn)行電壓和瞬態(tài)過電壓；

（2）斷路器和設(shè)備能關(guān)合、承載和開斷運(yùn)行規(guī)定的負(fù)荷電流；

（3）斷路器和設(shè)備能關(guān)合、承載和開斷運(yùn)行規(guī)定的短路或異常電流；

（4）在正常、異常工況下，主回路元器件只有在規(guī)定的指令下可靠動(dòng)作；

（5）保護(hù)器件、控制和輔助系統(tǒng)應(yīng)能支持主回路的功能特性；

（6）在地震載荷下，開關(guān)設(shè)備應(yīng)能執(zhí)行1～5點(diǎn)功能；

（7）當(dāng)開關(guān)設(shè)備發(fā)生內(nèi)部故障電弧時(shí)，確保周圍運(yùn)行人員人身不受傷害。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目、安裝、運(yùn)行和維護(hù)等方面要求，需對(duì)1E級(jí)低壓柜結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合評(píng)估和優(yōu)化，主要考慮下列幾點(diǎn)。

2.1 產(chǎn)品溫升

按照核電廠用戶要求，開關(guān)柜額定分散系數(shù)比GB 7251.1-2005的第4.7條[3]規(guī)定高一檔，同時(shí)，母線連接處的溫升極限比GB/T 24274-2009的第7.10條低20 K；因此，1E級(jí)低壓柜的通風(fēng)散熱是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

成套開關(guān)設(shè)備的發(fā)熱現(xiàn)象與熱源和傳熱兩個(gè)方面有關(guān)。對(duì)1E級(jí)低壓柜來說，熱源主要由開關(guān)設(shè)備內(nèi)部載流導(dǎo)體的損耗和電接觸損耗產(chǎn)生；傳熱主要考慮對(duì)流和輻射兩個(gè)方面。

從下列幾個(gè)方面解決1E級(jí)低壓柜發(fā)熱問題。

2.1.1 發(fā)熱抑制措施

內(nèi)部發(fā)熱問題是成套開關(guān)設(shè)備的重要問題，如果開關(guān)設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱問題解決得不好，將導(dǎo)致開關(guān)設(shè)備內(nèi)部器件絕緣材料加速老化，可能導(dǎo)致絕緣件絕緣性能劣化，甚至出現(xiàn)開裂、碎化現(xiàn)象，從而引發(fā)內(nèi)部短路故障，造成設(shè)備損壞和停電事故等重大事故。根據(jù)阿倫紐斯定律可推算出：有機(jī)材料工作溫度每升高10℃，有機(jī)材料的壽命將縮短一半（即10℃規(guī)則），如果有機(jī)材料工作溫度升高20℃，有機(jī)材料的壽命將為原來的1/4；因此，開關(guān)設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱問題直接影響設(shè)備的安全運(yùn)行和壽命。

主回路所產(chǎn)生的熱量與流過該回路的電流和回路總電阻成正比（P=I×R），回路總電阻包括導(dǎo)體本身的電阻和電接觸電阻，因此，減少主回路總電阻是減少設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱量最有效方法之一，可采取下列措施：

（1）采用高純度銅母線或銅導(dǎo)線；

（2）相同截面積的母線，盡可能采用周長大的規(guī)格，以減少母線的集膚效應(yīng)對(duì)母線載流量的影響。

導(dǎo)體與元器件連接螺栓的擰緊力矩嚴(yán)格按照元器件使用說明書或產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)體與導(dǎo)體連接螺栓的擰緊力矩嚴(yán)格按照表1要求，防止由于過大的擰緊力矩導(dǎo)致導(dǎo)體接觸不良。

表1 母線搭接面螺栓的擰緊力矩

2.1.2 提高導(dǎo)體耐熱性

銀的電阻率和硬度都小，低溫時(shí)不易氧化，高溫時(shí)銀的化合物又很容易還原成金屬銀，且銀的氧化物電阻率也低。為了提高主回路導(dǎo)體的運(yùn)行允許溫升，主回路導(dǎo)體搭接面如經(jīng)過鍍銀處理，其允許溫升比裸銅高至少10 K。

2.1.3 提高設(shè)備散熱效果

1E級(jí)低壓柜主要從下列幾個(gè)措施提供設(shè)備的散熱效果：

（1）由于不同顏色導(dǎo)體的輻射系數(shù)不同，因此，母線表面刷色漆可提高散熱效果，刷漆后的銅母線與裸露的銅母線相比較，在相同條件下，溫升可降低20%～35%；

（2）在開關(guān)設(shè)備的外殼開通風(fēng)孔，在柜體內(nèi)部形成煙囪效應(yīng)，可明顯降低設(shè)備內(nèi)部溫升。

2.2 抗地震性能

地震事件作為核電廠和緩環(huán)境下唯一設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件[4]，抗地震性能對(duì)于1E級(jí)低壓柜來說是重點(diǎn)的考核項(xiàng)目。1E級(jí)低壓柜需有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，保證能承受5次運(yùn)行基準(zhǔn)地震（OBE）和1次安全停堆地震（SSE）；在地震期間，1E級(jí)低壓柜必須可靠執(zhí)行其預(yù)期功能；試驗(yàn)后，1E級(jí)低壓柜結(jié)構(gòu)不能出現(xiàn)裂痕，螺栓不能有出現(xiàn)松動(dòng)脫落現(xiàn)象，柜體結(jié)構(gòu)無變形和損傷[4]。因此，抗地震性能是1E級(jí)低壓柜最關(guān)鍵指標(biāo)之一。

開關(guān)柜是否具有強(qiáng)的抗地震性能，外殼機(jī)械強(qiáng)度是影響設(shè)備抗地震性能的關(guān)鍵因素，開關(guān)柜外殼具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，是設(shè)備抗地震性能的基本保障；此外，由于各功能單元采用接插連接結(jié)構(gòu)，其抗震動(dòng)能力最差，抽屜單元的可靠鎖定是開關(guān)設(shè)備具有抗地震性能的重要因素。

通過下列措施提高1E級(jí)低壓柜的抗地震性能。

（1）柜體框架采用焊接形式[6]，保證設(shè)備有足夠機(jī)械強(qiáng)度和尺寸精度。

目前，國內(nèi)絕大多數(shù)開關(guān)設(shè)備的框架采用三角連接器連接而成，由于震動(dòng)過程中，連接器根部容易發(fā)生變形或斷裂，使柜體框架變形甚至解體。1E級(jí)低壓柜框架連接采用插接定位，該連接形式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

立柱和橫梁均采用優(yōu)質(zhì)鋼板經(jīng)數(shù)控機(jī)床折彎成G字型材，具備很高的機(jī)械強(qiáng)度；

各零件之間的配合設(shè)計(jì)為插接定位，具備極高的配合精度；

（2）抽屜單元設(shè)計(jì)專用的鎖定機(jī)構(gòu)，防止抽屜單元在震動(dòng)過程中發(fā)生位移或脫離現(xiàn)象[6]。

抽屜鎖定機(jī)構(gòu)（圖1）是由Z字型定位件、抽屜底板定位槽、抽屜單元兩側(cè)導(dǎo)軌和渦輪推進(jìn)機(jī)構(gòu)組成的定位系統(tǒng)，其中，Z字型定位件和抽屜單元底板定位槽實(shí)現(xiàn)抽屜單元的左右方向的定位，并與導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)上下方向限位，渦輪推進(jìn)機(jī)構(gòu)除實(shí)現(xiàn)抽屜單元的推進(jìn)功能外，也提供對(duì)抽屜單元的前后方向的限位作用。通過實(shí)施本定位機(jī)構(gòu)，可防止在地震期間，抽屜單元可能發(fā)生X-Y-Z方向移位。

圖1 抽屜鎖定機(jī)構(gòu)

2.3 耐內(nèi)部故障電弧

封閉式低壓成套開關(guān)設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生電弧伴隨著各種物理現(xiàn)象，例如：電弧產(chǎn)生的能量將引起內(nèi)部壓力升高和局部過熱，將造成成套設(shè)備的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力；此外，涉及到的材料可能產(chǎn)生熱蛻變，以氣體或蒸汽形式釋放到殼體外部。由于電弧產(chǎn)生的高壓熱氣體對(duì)外部釋放，如開關(guān)設(shè)備沒有采取有效的防護(hù)措施，可能對(duì)設(shè)備周圍的運(yùn)行人員及設(shè)備造成損傷。對(duì)于核電用戶，耐內(nèi)部故障電弧性能驗(yàn)證是1E級(jí)低壓柜的重要試驗(yàn)項(xiàng)目[5]。因此，必須通過優(yōu)化產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)，使1E級(jí)低壓柜具備耐內(nèi)部故障電弧能力。

由于封閉開關(guān)設(shè)備的異常環(huán)境或工作條件導(dǎo)致絕緣性能劣化，或由于閉鎖措施不完善導(dǎo)致人員誤操作，最終引發(fā)開關(guān)設(shè)備內(nèi)部故障電弧。如開關(guān)設(shè)備沒有采取有效的防護(hù)措施，可能對(duì)設(shè)備周圍的運(yùn)行人員及設(shè)備造成損傷。對(duì)于1E級(jí)低壓柜來說，可以考慮的方法如下：

（1）增加設(shè)備外殼厚度，提高其抗電弧能力；

（2）提高設(shè)備外部蓋板（門板）的密封性能；

（3）柜體配置合理的壓力泄放通道，減少內(nèi)部氣壓；

（4）提高隔室之間的相對(duì)獨(dú)立性，減少隔室之間相互影響。

若采用第一種方法，增加板材厚度，對(duì)設(shè)備耐電弧能力有明顯提高，設(shè)備重量增大，對(duì)設(shè)備抗地震性能不利；若采用第二種方法，由于設(shè)備外殼密封性提高，設(shè)備對(duì)流散熱效果差，導(dǎo)致內(nèi)部溫升增大；若采用最后一種方法，如過于考慮減少隔室之間相互影響，隔室隔板不開對(duì)流通風(fēng)孔，將導(dǎo)致隔室過于密閉，影響抽屜單元對(duì)流散熱效果，導(dǎo)致溫升過高，因此，1E級(jí)低壓柜主要從電弧合理泄放角度來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的耐內(nèi)部電弧能力，在設(shè)計(jì)上采用下列措施：

抽屜隔室設(shè)計(jì)泄壓通道，實(shí)現(xiàn)抽屜單元發(fā)生短路故障時(shí)的壓力釋放，防止電弧從抽屜單元面板釋放而導(dǎo)致對(duì)周圍運(yùn)行人員的傷害；

設(shè)備頂部設(shè)置的泄壓裝置，當(dāng)柜頂母線發(fā)生內(nèi)部故障電弧時(shí)，柜內(nèi)氣壓升高，泄壓裝置會(huì)自動(dòng)打開，釋放壓力和排出氣體，以確保周圍運(yùn)行人員和開關(guān)設(shè)備的安全；

門板內(nèi)側(cè)設(shè)置擋板，防止發(fā)生短路故障時(shí)，電弧從門縫泄放。

3 總結(jié)

通過對(duì)國內(nèi)外核電建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系（法國RCC-E標(biāo)準(zhǔn)和美國IEEE標(biāo)準(zhǔn)）的研究，結(jié)合我國目前核電建設(shè)實(shí)際情況及國內(nèi)試驗(yàn)單位檢測能力，1E級(jí)低壓柜應(yīng)滿足設(shè)備溫升、具備抗地震性能及耐內(nèi)部故障電弧等方面的特殊要求。在進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)分別采取對(duì)應(yīng)的措施，優(yōu)化開關(guān)柜結(jié)構(gòu)，使1E級(jí)低壓柜具備了良好的散熱效果、抗地震和耐內(nèi)部故障電弧能力，滿足1E級(jí)低壓柜的功能要求。

［1］IEEE 323-2003.IEEE Standard for Qualifying Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations［S］.

［2］RCC-E法國核島電氣設(shè)備設(shè)計(jì)和監(jiān)造規(guī)則［S］.

［3］GB 7251.1-2005.低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第一部分：型式試驗(yàn)和部分型式試驗(yàn)成套設(shè)備［S］.

［4］GB/T 13625-1992.核電廠安全系統(tǒng)電氣設(shè)備抗震鑒定［S］.

［5］GB/Z 18859-2002.封閉式低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備在內(nèi)部故障引起電弧情況下的試驗(yàn)導(dǎo)則［S］.

［6］陳炎亮.1E級(jí)低壓抽出式開關(guān)柜質(zhì)量鑒定和設(shè)計(jì)要點(diǎn)［J］.低壓電器，2010（16）：42-44.