AP1000主泵斷路器可靠性分析

吳　笛　李永剛

（中核集團遼寧核電有限公司，遼寧興城 125000）

AP1000主泵斷路器可靠性分析

吳笛李永剛

（中核集團遼寧核電有限公司，遼寧興城 125000）

AP1000是西屋公司在AP600的基礎上開發的非能動先進壓水堆，AP1000與傳統成熟的壓水堆核電廠最大不同在于其安全系統采用了非能動的技術，AP1000核電廠主泵斷路器是一種可以在安全系統控制下可靠斷開反應堆冷卻劑泵負載的1E級開關設備，本文結合AP1000主泵斷路器的電氣回路設計和參數特點，深入剖析實現可靠性提升的一些關鍵措施。

AP1000核電廠 主泵 1E級斷路器

AP1000核電廠兩臺蒸汽發生器對稱布置，系統管路由兩個主冷卻劑環路構成，每個環路分別配置一臺蒸汽發生器和兩臺屏蔽式主泵，兩臺主泵直接固定在蒸汽發生器的下封頭，連接于同一臺蒸汽發生器的兩臺主泵電源分別取自兩個高壓廠用變壓器，主泵電機啟動時必須由主泵變頻器供電，主泵斷路器控制供電回路的開斷，承擔著交流供電系統的唯一安全功能，因此主泵斷路器規定為1E級、抗震I類設備，本文從分析斷路器的絕緣水平、短路開合電流、耐壓強度等參數要求以及供電回路電氣設計入手，深入探索提升主泵斷路器可靠性的措施和方法。

1　AP1000 主泵斷路器介紹

AP1000核電廠中每臺主泵供電回路共有三個斷路器，其中主泵饋線斷路器為非1E級斷路器，用于正常情況下接受電氣保護信號接通、斷開電源，而1E級主泵斷路器1、2則采用的是具有63kA通斷能力，三級單擲、手車式的真空斷路器，斷路器儲能回路采用電機供電，彈簧儲能裝置。

斷路器同時具有保護、控制、連鎖、監視等功能以滿足規范的要求，每臺斷路器還裝有緊急情況下提供手動跳閘的裝置。由于變頻器輸出電源的頻率在低頻到60HZ變化，因而主泵斷路器必須嚴格依照ANSI/IEEE.C37.09（交流高壓斷路器在對稱電流基礎下標準測試程序）進行設計試驗來保證主泵斷路器在低頻到60HZ全頻率范圍內的斷開都有很高的可靠性保證。

2　AP1000 主泵斷路器工作原理

在AP1000核電廠中，位于反應堆冷卻劑環路上的堆芯補水系統在發生事故時對壓力容器堆芯提供補水和硼化，連接在堆芯冷管段的堆芯補水箱（CMT）可以根據不同的RCS工況在兩種模式下切換運行，分別為水再循環模式和蒸汽補償模式，如果LOCA后的冷段的水排空，則CMT在蒸汽補償模式下運行。在這種模式下，循環驅動力為冷段的蒸汽和CMT注入水的密度差，當CMT觸發后，反應堆冷卻劑泵必須停運（有大概3秒的延遲）來實現RCS內的汽水分離，從而實現蒸汽補償模式注入，主泵強迫循環方向與CMT水箱注入方向相反，會降低堆芯補水速度，主泵的停運用來增強安全注入功能并避免潛在的對安注的不利影響。主泵的停運則需要主泵斷路器的可靠斷開來實現。

3　AP1000 主泵斷路器工作原理可靠性分析及提升措施

3.1絕緣水平的提升

絕緣水平指工頻耐壓和雷電沖擊水平，能夠表現對大氣過電壓和內部過電壓的耐受能力。雷電沖擊電壓波很陡，與頻率關系不大，但頻率的增加對介質損耗有很大影響，電介質在交變電場作用下，隨著頻率的增加，電解質損耗也會相應增加，電介質損耗發熱消耗能量可能引起電介質的熱擊穿［1］，因此在主泵斷路器的絕緣技術中，應盡可能采用介質損耗正切值較低的材料來提高斷路器的絕緣水平，通常用使用在60hz 36kV電壓水平下一分鐘內耐受試驗來驗證斷路器的絕緣水平。

3.2溫升過高的處理

頻率的升高會影響磁通滲透度a［2］，磁通滲透深度體現了電流集膚效應的強度，磁通滲透度越高，集膚效應就越明顯，越接近導體表面電流密度越大使導體的有效電阻增加，渦流損耗增大， 即頻率提高，渦流損耗會相應增加，鐵磁損耗發熱的溫升也會相應增加，斷路器溫升過高，會產生金屬材料軟化，導體氧化加劇、絕緣材料老化等威脅到斷路器使用功能及使用壽命的不利影響，為滿足主泵斷路器的可靠性要求，防止因鐵磁損耗變化導致產品溫升變化并超標的問題出現，斷路器的額定短路電流的大小、接觸壓力的大小以及零部件的焊接質量都需要進行一定提高，AP1000核電廠中主泵斷路器的額定電流通常設計為1200A，額定短路電流定為63KA。

3.3動穩定及熱穩定試驗的必要性

額定峰值耐受電流與額定短路關合電流都存在交流分量和直流分量，兩者在數值上相等，大小受半波時間影響，不同頻率的電流的半波時間不一致，在60hz電站中，半波時間為8.3ms，交直流疊加電流的最大值在二分之一半波時達到，此時交直流疊加電流達到最大值，直流分量略有縮減，衰減時間常數取45ms，由此來計算半波時的峰值電流和沖擊系數 （峰值電流與交流分量有效值比值）［3］在60hz的條件下一般按美國標準取2.6［4］，從而主泵斷路器發生短路時，較大的短路電流會使斷路器設備過熱或電動力作用而遭到損壞，同時使主泵安全性大大降低，破壞電廠內設備的正常工作。因此，為了保證主泵斷路器能夠可靠關合、消除或減輕短路的后果，就需要正確地選擇電器設備、設計繼電保護以及進行嚴格的動穩定及熱穩定試驗。

3.4實現可靠開斷容性電流能力的方法

目前，容性電流開斷是真空斷路器運行最嚴峻的任務之一，較高頻率的恢復電壓上升陡度比較高，峰值較大，滅弧比較困難， 很有可能發生重擊穿。因此，為了防止恢復電壓超過電流斷開后觸頭間的介質絕緣電壓時發生的重燃，實現容性電流可靠切斷，通常通過提高真空斷路器開斷電流后觸頭極間的絕緣恢復速度、提高真空斷路器真空滅弧室的外部絕緣或者提高真空斷路器真空滅弧室內觸頭間耐壓強度等方法來提高斷路器的介質絕緣電壓，AP1000斷路器的滅弧機構通常設有真空罩，真空罩能減少滅弧室的體積和重量，滅弧時間縮短，壽命長，免維護，具有很強的環境兼容性等，主觸點通常采用花瓣形的銅鉻合金，斷路器內觸點狀況可以通過觸點觀察孔進行觀察更換，通過容性電流開斷試驗可以驗證斷路器的容性電流開斷能力。

4　結語

主泵斷路器是保證AP1000核電廠安全可靠運行的關鍵設備，斷路器的可靠性決定著核電廠的安全性能的實現，如何在系統設計、設備制造、出廠調試、現場調試、運行維護、檢修的過程中保證斷路器的可靠性功能，對反應堆運行安全影響極大。

［1］付家才，郭松林，郭明良.高壓設備介質損耗參數在線測量方法的研究與應用［M］.科學出版社，2010.

［2］倪光正.工程電磁場原理［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［3］中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊（第三版）［M］.北京：中國電力出版社，2005.