核電廠全絕緣澆注母線可靠性分析

深圳中廣核工程設計有限公司 翟長春

核電廠全絕緣澆注母線可靠性分析

深圳中廣核工程設計有限公司 翟長春

近年來全絕緣澆注母線設備在核電廠已多次發生短路故障，為提高運行的可靠性，進一步優化中壓大電流回路的方案設計，結合核電廠的特點及事故現場的經驗反饋，對全絕緣澆注母線在工程應用中存在不足和原因進行了分析，分析結果表明其絕緣結構和現場澆注工藝水平是造成事故的主要原因。

全絕緣澆注母線；短路故障；可靠性；改進措施

1 引言

核電廠中壓導體通常采用金屬封閉母線和交聯聚乙烯電纜,由于多地處濱海廠址，環境濕熱，金屬封閉母線設備的支撐絕緣子表面及箱體內壁會存在著不可避免的凝露現象[1][2]，部分火電廠也存在類似的問題，這在很大程度上分降低母線的絕緣強度，給機組的運行帶來安全隱患。

核電廠中壓廠用電系統大多采用中性點不接地系統，其主要目的是為保證安全級工藝系統的供電連續性，目前僅有AP1000因無安全級交流電源的供電要求而采用了中性點小電阻接地方式。核電廠如采用交聯聚乙烯電纜方案，高廠變及輔變低壓側均為大電流回路，最多采用18根（3×6×500mm2或3×6×630mm2）大截面單芯電纜，且敷設路徑較長，電容電流超限又會成為一個普遍性問題，部分電廠的電容電流已超過20A。中性點不接地系統發生單相接地故障時，電容電流過大造成的電弧反復重燃是產生弧光過電壓的根本原因，也是發生發電廠電氣火災的主要原因之一。

為解決上述問題，數年前核電廠開始嘗試應用一種新的替代方案—全絕緣澆注母線，該產品具有良好的絕緣、耐火、耐腐蝕、耐老化、低煙無鹵性能，可有效地解決核電廠存在的凝露和電容電流超限的問題，產品尺寸較小，布置相對靈活，比較適合核電廠地下廊道敷設條件。

中壓全絕緣澆母線技術源于比利時的Eta-com betobar公司，主絕緣采用無機礦物質和環氧樹脂復合絕緣材料，整體澆注成型，全球已有數十年的生產歷史。上世紀八十年代后期與中國臺灣安達康公司合作生產，并逐步在中國大陸小批量推廣，火電、水電、核電均有小規模的應用。近年來國內數家母線制造企業也研發了同類產品，產品結構型式和工藝制造流程相似，在國內的運行業績也逐漸增多[3][4]，但掛網運行時間均較短，近年來也時有事故發生，產品的長期可靠性仍待進一步驗證。

圖1 全絕緣澆注母線外形圖

圖2 全絕緣澆注母線斷面示意圖

圖3 全絕緣澆注母線電容分布示意圖

2 全絕緣澆注母線在核電廠的應用及存在問題

國內目前有多個在建或在運的核電廠在高廠變或備用變中壓側回路采用了全絕緣澆注母線產品，最長的運行時間已超過5年，總長度超過8公里。

全絕緣澆注母線通過合理的絕緣材料配方可以達到較優異的電氣絕緣性能，也具有非常好的防護等級，可以有效解決共箱母線內部凝露問題。同時相對電纜而言由于固體絕緣介質和空氣的串聯電容結構，相當于加大了極板間的距離，可以大大降低中壓廠用電系統的電容電流。同時由于復合絕緣材料的導熱系數比較高，可以有效地降低導體的溫升，所以產品的載流能力有也有了較大程度的提升。

由于核電廠是初次采用此類產品，國內電力工程項目的應用案例也不是非常豐富，對于全絕緣澆注母線的性能和可靠性仍需要根據運行情況作全面評估。設計單位對設備的現場安裝及驗收試驗進行了全程的跟蹤，同時定期地了解電廠商運后的設備運行情況。總的來說，設備的總體性能良好，基本可以滿足使用要求，但也存在一些較為突出的問題，亟需對產品進行一些改進，主要體現在以下幾方面。

圖4 母線隧道布置示意圖

2.1 母線表面電壓高

核電在建項目現場電氣調試在電氣廊道中壓澆注母線送電后發現，澆注母線潮濕部位有放電現象，運行人員靠近澆筑母線時，會有毛發吸附感，經測量其絕緣材料表面的對地電壓為1000V左右，局部轉角部位最高達到1547V。

同時相鄰回路澆注母線存在互感，一回路帶電，另一回路母線安裝時也會有較強烈的吸附和麻刺感。

2.2 電壓不平衡

三相電壓存在存在不平衡現象，尤其是空載時相電壓偏差較大，有時開口三角電壓實測會超過16V，高于整定值12V，存在保護誤報或誤動的風險。

2.3 電磁干擾

全絕緣澆注母線由于沒有金屬外殼的有效屏蔽作用，將會造成外部空間的電磁環境惡化，會對控制測量電纜以及弱電設備的電磁兼容性要求提出一定的挑戰。

現場巡檢過程中工作人員也多次發現隨身攜帶的試電筆一直處于閃發報警狀態，這也從另一個側面驗證了確實會存在電磁干擾的隱患。

2.4 安裝維護不便

中壓澆注母線約6米一段，單段重量500余公斤，在封閉的隧道中吊裝不便，所在的安裝活動均需人工完成；兩段之間接頭現場澆注，長距離回路中間接頭數量龐大。整體的安裝工程量和電纜相比而言，大概是數倍乃至十倍以上的關系，給現場工作帶來很大的不便，也大大增加了安裝費用，此部分費用盡管未體現在設備的直接采購成本中，最終終歸是要計入工程總投資當中。我們在方案技術經濟比較時只關注設備本身的采購成本，常常忽略了由于方案變化帶來的其他隱性成本的增加，可能也會干擾我們的技術判斷和最終方案的確定，此點也是需要我們關注的。

由于澆注母線表面靜電電荷的存在，極易吸附灰塵，尤其在廊道等封閉潮濕的環境當中，很難保證表面的清潔，且不方便清掃積塵。

2.5 電氣絕緣隱患

由于現場增加了數量龐大的中間接頭或伸縮節，都需要人工現場安裝或澆注，無論是現場環境還是澆注環節 ，和工廠內產品澆注工藝水平相比還是存在很大的不足，所以眾多接頭將是絕緣最薄弱的環節，也是最易發生放電和絕緣擊穿的部位，接頭處的防護等級基本上達不到產品所標稱的IP67的防護等級。

根據現場的經驗反饋，當母線淋水或潮濕天氣時，母線的絕緣電阻會顯著降低，比如澆筑母線絕緣干燥后測量為40兆歐，淋水后測量可能會變為4兆歐。

當母線回路路徑過長，每超過一定長度，需要設置母線伸縮節以吸收材料本身的冷熱變形量。伸縮節部位外露銅排需外包熱縮材料，固體澆料與熱縮材料交界處必然會地存在微小的氣隙，絕緣結構也就多單一的固體絕緣過渡到固氣同時存在的復合絕緣，絕緣強度遠低于單一固體或氣體絕緣材料的絕緣強度，而且相間母排根部的絕緣距離7.2kV母線約100mm,12kV母線約150mm，為整個產品絕緣結構中的薄弱環節。

實際的運行情況確也驗證也以上判斷，核電廠已多次發生澆注母線接頭和伸縮節部分對地或相間短路故障，故障后需要更換故障部位元件，按照備件準備、專用工具準備、故障母線切割、元件安裝、現場澆注、表面打磨、現場檢查、絕緣試驗、恢復送電等一系列事故處理流程，按24小時三班制作業大概需要3天左右的故障修復時間。

圖5 金屬鎧裝中壓澆注母線

圖6 復合屏蔽封閉絕緣管母線

最令人擔憂的安全隱患還不于此，有一種情況假設母線上部絕緣體出現裂隙或劣化紋路，而此時由于絕緣體仍有足夠的沿面爬距，足以耐受對地電壓而未發生閃絡，但如果此時有運行人員不謹觸及上部絕緣損傷部位會可能直接對過人體對地擊穿。基于以上擔憂，部分核電廠沿地下廊道人員通道兩側增設了金屬護網，避免運行人員觸及母線，也就變相地增加了成本和維護工作量。

3 根本原因分析

3.1 母線表面電壓的問題

由于中壓全絕緣澆注母線自身的結構特點，它由于沒有金屬外殼（如圖2），無法強制接零，和失地后的高壓單芯電纜金屬護套的懸浮電壓情況非常類似[5]。澆注母線與大地之間存在多種絕緣介質，對地電容的分布相對比較復雜，如圖3所示，主絕緣電容（Ca Cb Cc）、絕緣底座絕緣體電容(C1)、空氣及其雜散電容(C0)等各部分形成了串聯電容，由于電容分壓效應造成主絕緣外表面始終存在著懸浮電位（U1），絕緣底座表面也會有一定的電位電壓（U0）。由于本文中對地電容是形成絕緣表面電位的主要原因，對相間電容分布暫不作展開討論。

3.2 電磁干擾的問題

根據核電廠部分運行經驗反饋，因為動力電纜電磁干擾造成的電子設備誤動也偶有發生，且有一定的隨機性，并難以確定真實的干擾源，所以抑制電磁干擾是必須考慮的問題。

核電廠內各種電子設備本身的電磁兼容性能基本上可以滿足常規的電磁環境條件，但對于不加屏蔽的高壓導體，其電磁環境和裸導體基本無異，對弱電設備的可靠性會有不確定性的影響。核電廠的澆注母線和大量電纜共用一個隧道，如前文所述，澆注母線和電纜有一個明顯的區別是沒有金屬屏蔽層，與電纜尤其是弱電回路電纜共用通道在電力工程上并無類似先例（如圖4所示），盡管目前尚未發生相關的問題，但理論上對弱電設備以及控制測量電纜始終存在一定的安全隱患。對于類似的可能產生電磁干擾的因素，應盡量在設計階段予以避免或限制。

3.3 電氣絕緣問題

中壓全絕緣澆注母線的大部分絕緣材料為粉狀無機材料，已很大程度上改變了原有的礦物分子或結晶體結構，需添加環氧樹脂等有機材料進行粘結固化，本身材料的特性容易沾染灰塵，且不易清理，且具有較強的吸濕性，所以通常會隨環境濕度的變化顯現較為明顯的絕緣電阻差異。

同時現場中間接頭部位的澆注工藝和工廠也存在較大的差異，經過小型設備的攪拌后，用料桶倒入模具，打平、凝固、打磨，其實和真空澆注的概念是有差異的，類似土建施工中的混凝土澆注工藝，微小的氣泡是無法避免，氣隙內的高場強是引發局放和絕緣劣化損傷的重要因素。

4 結論及建議方案

對于中壓全絕緣澆注母線這樣一種產品，其實也并非新生事物，全球已經有數十年的生產歷史，但一直未得到大量推廣，目前在國內電力行業應用方面尚存在一定的爭議。

中壓全絕緣澆注母線具有絕緣優異、載流能力強、耐老化、體積小、零維護等產品特征，其基本性能可以滿足特定工作環境的使用要求，在很多方面也確有一定的優勢。但是否可以認為是傳統共箱母線的理想升級產品，仍需要運行數據來驗證。

盡管世界上沒有任何一種產品是完美的，但努力提高電氣設備的可靠性永遠是我們追求的目標，文中所提及的中壓全絕緣澆注母線的一些問題是客觀存在的，結合我們在核電工程遇到的一些問題，對于類似的工程項目提出如下建議：

（1）對于戶外或戶內高位安裝，而人員不易觸及的母線布置型式，建議可以采用中壓全絕緣澆注母線，可以充分發揮其防凝露、低電容電流、耐老化的優勢；

（2）對于戶內或地下廊道布置型式，中壓全絕緣澆注母線和控制測量電纜應嚴格分通道敷設，避免電磁干擾問題，以免引起DCS和電氣保護的誤報、誤跳；

（3）針對母線中間接頭部位故障率高的問題，建議制造商應提高現場澆注封裝工藝水平，解決工廠和現場澆注工藝的差異，提高設備的運行可靠性；

（4）針對母線中間伸縮節部位的絕緣結構進行優化，加大相間絕緣距離，并在母排包裹工藝上消除根部的氣隙；

（5）建議全絕緣澆注母線出廠前增加一道施釉工藝，改善母線表面質量和電氣性能，以解決易吸濕、易沾污的問題，提高絕緣強度；

（6）針對中壓全絕緣澆注母線表面懸浮電位的問題，建議選用如圖5所示的金屬鎧裝、單相澆注、雙重絕緣的中壓澆注母線，電磁兼容性好，基本可以做到免維護；或者采用圖6所示的無鹵素的復合屏蔽封閉絕緣管母線，此類產品在電網有非常多的運行經驗，同樣可以解決母線表面安全接零的問題。

綜上所述，三相一體式的中壓全絕緣澆注母線在國內的應用尚不廣泛，其產品結構特征存在一定的局限性。尤其是國內制造企業大多處于小批量生產階段，產品的性能仍需通過一定時間的掛網運行來進一步檢驗，然后根據運行的經驗反饋進入一個逐步改進、提高、完善的良性階段。我們要客觀地正視產品可能存在的問題，吸取運行經驗，不斷地改進優化，消除隱患的存在，爭取早日做到真正意義上的產品升級。

[1]劉建華.大型發電廠6kV封閉母線絕緣低的處理對策 [J].中國電力,2002,(04):71-72.

[2]豆占良；張立功； 宋柏陽.電廠封閉母線絕緣下降的原因分析與處理措施 [J].電力科學與工程,2016,(02):37-42.

[3]徐進軍.全澆注絕緣母線在水利水電工程的選型及應用[J].水電站機電技術,2015,(05):48-51.

[4]徐宇駿.全澆注絕緣母線在發電機組勵磁系統的應用.安徽電力，2015(06):23-25.

[5]叢光，韓曉鵬，等.高壓單芯電纜接地系統破壞后的懸浮電壓分析.供用電，2009(05):61-64.