核電廠穩壓器加熱器開關頻繁跳閘的原因分析及防控措施

金少軍

（陽江核電有限公司，廣東 陽江 529500）

1 引言

核電廠穩壓器是對一回路壓力進行控制和超壓保護的重要設備，通過4組通斷式加熱器和2組比例式加熱器來調節穩壓器中水的溫度，從而參與對一回路壓力的控制。然而陽江、紅沿河等核電廠的加熱器開關均多次發生了誤動跳閘的問題，其中陽江核電廠在2018年就發生了3起，嚴重影響了穩壓器加熱器的可用性。本文針對陽江核電廠其中一起加熱器開關跳閘的原因進行了深入剖析，找到了該共模缺陷的根治措施。

2 事件描述

2018年6月10日，Y4RCP021RS穩壓器加熱器上游開關Y4RCP002RS-01D1跳閘，檢查為斷路器過載保護動作。6月11日上午，電氣人員出票對開關跳閘原因進行檢查，下游加熱器負荷的直阻及絕緣檢查無異常；將開關推入合閘，用鉗形電流表測量開關三相電流均在111.6A左右，與額定電流相仿，無異常；用熱成像儀對抽屜開關內部元器件進行測溫，發現斷路器本體表面溫度持續上漲，在運行4小時后達到77.1℃，且有繼續上漲的趨勢，存在溫度過高的明顯異常。

3 斷路器頻繁跳閘的原因分析

3.1 對斷路器定值的合理性分析

Y4RCP002RS-01D1斷路器型號為T3N250TMD125，過載保護定值設置為125A，本次開關運行電流108.5A左右，過載保護定值配置符合要求。而且一般加熱器負荷為恒流負載，無過載的工況。因此排除定值整定不合理導致開關誤動的可能。

3.2 溫度對斷路器過載特性的影響分析

①熱脫扣器的原理

斷路器的過載保護通過熱脫扣器實現，其利用的是雙金屬片原理，雙金屬片通常由兩層熱膨脹系數不同的合金疊合而成。其中，膨脹系數較大的稱為主動層，膨脹系數較小的稱為被動層。由于金屬膨脹系數的差異，在溫度發生變化時，主動層的形變要大于被動層的形變，從而雙金屬片的整體就會向被動層一側彎曲，產生形變。當形變角度達到一定程度的時候，雙金屬片推動限位螺栓運動，進而推動傳動連桿運動，導致斷路器脫扣跳閘，斷開主回路，實現過載保護。雙金屬片上纏繞著電熱絲，電熱絲的電流是從主回路分流過來的，主回路電流越大，電熱絲的發熱量也就越大，雙金屬片的變形度也就越快。調節雙金屬片上限位螺栓與脫扣桿之間的距離，就可以調整熱脫扣器的定值。不過雙金屬片對溫度敏感，故不同環境溫度下，過載保護的實際動作值與設定值會產生誤差。②溫度對過載特性的影響。根據Tmax系列斷路器的說明書[1]，帶熱脫扣的斷路器的熱元件按40℃設置，當溫度高于40℃時，具有相同設置的斷路器的熱脫扣門限值會有所變化，對T3N250TMD125型斷路器為例，若過載保護設定值為125A（基準溫度為環境溫度40℃），當環境溫度為60℃時，實際等效設定值下降為108A，當環境溫度為70℃時，實際等效設定值下降為100A，環境溫度對斷路器過載定值的影響基本為線性關系。注：根據GB14048.2-2008規定，環境溫度指斷路器工作時周圍的空氣溫度。

本次Y4RCP002RS-01D1斷路器本體表明溫度高達77.1℃，保守估計等效的環境溫度為60℃，等效過載設定值已下降為108A，根據GB14048.2-2008中7.2.1.2.4規定，斷路器在1.05倍設定值下運行的約定不脫扣時間為2h，而本事件中斷路器運行電流為111.6A（約1.03倍整定值），超設定值長時間運行即可發生跳閘，與本次跳閘事件相符。

綜上所述，斷路器溫度過高是導致斷路器過載保護頻繁誤動的直接原因。

3.3 斷路器溫度過高的原因分析

①熱量來源。以Y4RCP002RS穩壓器加熱器采用的MNS型低壓開關柜為例，盤柜主要由一個進線單元和三個出線開關組成，每個出線開關額定運行電流在109A左右，低壓盤柜在運行狀態下的發熱源主要為導體通電時產生的焦耳熱，也就是電流流過有電阻值的導體以及導體連接的接觸部位時產生的能量損耗，即Q=I2Rt。使用紅外成像儀對加熱器開關進行測溫發現，熱量來源主要為斷路器本體，其余電纜以及連接部位發熱相對較小。②配電盤的散熱存在的問題。MNS型低壓開關柜的每一個柜體分為三個室，即母線室（在柜后部），抽屜小室（在柜前部），電纜室（在柜前右邊）。室與室之間用鋼板或高強度阻燃塑料功能板相互隔開，上下層抽屜之間有帶通風孔的金屬板隔離，通風孔形成了自然對流的通道。在柜體的下部設有進風口，在柜體頂部設有出風口，冷空氣通過柜體下部的通風柵格進入柜體，利用煙囪效應，將柜體內斷路器等部件產生的熱量從柜體頂部出風口帶出，達到散熱的目的。柜頂出風口實際上是盤柜的泄壓通道，正常運行時使用活門蓋板蓋住出風口，僅留有一定的縫隙用于出風，出風通道較小，因此也帶來了散熱不良的問題。③斷路器溫度過高的風險。首先，斷路器溫度過高最直接的影響是過載保護定值漂移導致開關誤動跳閘，使得供電可靠性降低，特別是在潛在的事故工況下，若疊加房間通風不良等因素，開關極易誤動跳閘，將嚴重影響穩壓器加熱器電源的可用性。其次，溫升過高會加速元器件的老化，使得開關柜內部件絕緣性能下降，可靠性降低。另外，斷路器溫度過高甚至會引發火災事故。據一份外部經驗反饋顯示，2011年6月7日，美國卡爾霍恩堡核電站因一臺480V斷路器失效引起火災，導致乏燃料水池喪失冷卻大約90分鐘，以該事件為導火索，卡爾霍恩堡核電站開展了近3年時間的停運整治后才被監管機構批準重新啟動。斷路器失效原因為改造替代后的斷路器因材質原因導致運行過程中發熱量增加，且斷路器通風方式與原盤柜不匹配，無法將熱量帶出導致高溫引發火災。

綜上所述，斷路器發熱量大以及配電盤散熱不良是造成斷路器頻繁跳閘的根本原因。

斷路器溫度過高不僅影響系統設備的可靠性，也可造成火災等隱患，甚至危及核安全，因此應采取有效的措施限制斷路器發熱是一個方面，提升配電盤的散熱能力是解決問題的另一重要方面。

4 斷路器溫度過高的防控措施

4.1 限制發熱的措施

①通過改造增大斷路器容量，降低斷路器主回路的電阻值，減少焦耳熱。目前陽江電廠已經將T3N250TMD125更換為T3N250TMD200，提高斷路器容量后斷路器發熱明顯下降，效果良好。于控制斷路器的回路電阻值在較低值（使用微歐計測量）。③檢修時對電纜等導體連接情況進行檢查，確認緊固。④使用紅外測溫、熱成像等輔助手段對重要的盤柜進行測溫，及早發現溫升跡象。

4.2 提升散熱能力的措施

配電盤的散熱有輻射散熱、熱傳導散熱以及對流傳熱三種方式，其中主要散熱為對流傳熱，對流傳熱的換熱速率根據牛頓冷卻公式[2]為：Q=hA（tw-tf）。

式中，Q為對流傳熱速率，W；h為對流傳熱系數，W/（m2.℃）；A 為傳熱面積，m2；tw 為固體表面溫度，℃；tf為流體的溫度，℃。

通過上式可以得知，要想提高配電盤的散熱效率，可通過改變出風口的面積來增加傳熱面積A，也可降低環境溫度來減小流體的溫度tf，另外，也可以考慮增設強制通風來提高傳熱系數h，具體措施如下：①增設散熱出風口。因泄壓裝置所在的出風通道較小，造成散熱不良，所以考慮對柜頂的空門板實施改造，加裝通風窗，增大熱對流面積，提升換熱效率。目前該方案已通過設計評估并已在現場驗證，同比溫度下降超過5℃，效果良好。于控制配電室溫度。嚴密監視配電室溫度，控制在較低水平，一旦通風系統檢修或者發生故障，應考慮增設臨時空調或風扇等輔助措施進行降溫。③增設強制通風。對配電柜實施改造增加風扇可有效提升換熱效率，但同時也會帶來維護成本提高、風扇噪音等問題，可作為同類問題解決的后備方案。

5 結論

斷路器發熱量大以及配電盤散熱不良是造成斷路器頻繁跳閘主要因素，通過增大斷路器容量以及配電盤的散熱出風口改進等措施，可以有效解決斷路器溫度過高的問題。