核電廠穩壓器電加熱器典型故障分析及改進措施

尚 強，馮 寧，張 敏

（中核核電運行管理有限公司 維修二處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

核電站的“心臟”是核反應堆，而穩壓器則是“心臟”的“起搏器”。穩壓器是壓水堆核電站（Nuclear Power Plant，NPP）的關鍵設備，起著維護系統壓力的作用。壓水堆核電站一回路穩定運行壓力為15.5MPa，穩壓器是唯一處于汽水兩相狀態的主設備，其上部存在一定容積汽腔，根據負荷的不同，其水位在20%～60%之間變化。利用底部電加熱器和頂部噴淋設備來控制水-汽平衡，在正常功率波動及中、小工況下，將主冷卻劑系統壓力變化控制在允許范圍內，以保證反應堆一回路壓力的穩定，避免發生緊急停堆。若多根穩壓器電加熱器發生故障，可能導致反應堆冷卻劑系統運行壓力發生波動，而造成非計劃停堆，將對機組安全性和經濟性造成不利影響。因此，穩壓器電加熱器可靠運行在壓水堆核電廠的安全運行中起到非常重要的作用。

壓水堆核電廠穩壓器電加熱器預期壽命大約為20 年。實際上，由于電加熱器所用材料的差異性及運行操作、維護保養等環節不到位，少量電加熱元件的使用壽命會低于最小設計壽命。因此，必然會出現電加熱器失效的問題，檢修或者更換是非常困難的，需要做大量的前期準備及技術分析工作，且費用很高。本文通過對穩壓器電加熱器的幾起典型故障進行理論分析，找出故障的根本原因及解決方案，對穩壓器安全穩定運行起到關鍵作用。

1 穩壓器電加熱器

國內M310 型壓水堆機組穩壓器底部共安裝有63 根電加熱元件，其中3 根備用，每根電加熱元件功率為24kW，共分為6 組[3]，通過穩壓器下封頭插入穩壓器，直接與穩壓器內的水進行熱量傳導[1]。其中，4 組為固定式（即恒功率輸出），2 組為比例式（即依據壓力輸入電流信號比例輸出），總功率為1440kW，具體分配為：第1、2 組為固定式，每組功率為216kW；第3、4 組為比例式，每組功率為216kW；第5、6 組為固定式，每組功率為288kW。

其接線方式如圖1 所示。

圖1 穩壓器電加熱器配電圖Fig.1 Power distribution diagram of the voltage stabilizer electric heater

固定式電加熱器主要用在啟動或瞬態過程，比例式電加熱器主要用來補償小范圍的穩壓器壓力偏差。在反應堆穩態功率運行時，比例式電加熱器一方面補償熱量損失，另一方面補償由連續噴淋導致的蒸汽冷凝。穩壓器電加熱器的輸出功率，必須與穩壓器壓力和壓力整定值之差成比例。

2 典型故障案例分析

2.1 穩壓器電加熱器連接箱端子排燒熔

某核電廠穩壓器電加熱器就地連接箱由蘇州某公司供貨，單臺機組共6 臺設備，分別為XRCP010CR～XRCP060CR。其 中，050CR 和060CR 為1E 設備。連接箱進線側連接電氣貫穿件，出線側連接電加熱元件，箱內配有一定數量的魏德米勒SAK35EN 及SAK70/35 型接線端子。

在該核電廠1 號機組反應堆熱態試驗的過程中，發現連接1RCP030CR 內端子排出現燒熔現象。

現場觀察，燒毀的端子為連接箱出線側引起，進線側電纜為35mm 多股銅芯電纜絞合而成，直接接入端子排，出線側電纜為16mm 多股銅芯電纜絞合而成，采用“針狀鼻子”+“緊固螺絲”的壓緊方式接入端子排，每一組電加熱器接線如圖2 所示。

圖2 電加熱器組接線圖Fig.2 Wiring diagram of electric heater group

通過計算得出，進線側電流IA=IB=IC=√3I1=√3I2=√3I3，約109A，出線側電流I1=I2=I3=24000 W/380V，約=63A。

從上述計算結果以及現場的接線方式，分析得出以下結論：

由于進出線電纜均采用多股銅芯電纜絞合而成，“針狀鼻子”+“緊固螺絲”的壓緊方式只能提供兩點接觸，不足以提供足夠大的接觸面積，而進出線運行電流均比較大，在電加熱器運行一段時間后，端子排易發熱松動，進而燒毀端子排。

同樣的問題在某核電廠3 號機組調試期間也發生過，后通過變更改造，采用面接觸的螺栓固定端子排以及0-T型接線端子配合連接，改造后至今運行良好，未出現異常狀況。

通過此次缺陷事件，制定了以下整改措施：

1）提出變更申請，采用面接觸的接線端子替代原接線端子，如圖3 所示。

圖3 連接箱端子排改造前后對比圖Fig.3 Comparison diagram before and after modification of the terminal block of the connection box

2）排查緊固所有供電回路上的接線端子（包括配電盤出線側、電氣貫穿件、連接箱、接線盒），確保所有的端子均緊固完好。

后期，通過自主論證設計，核級連接箱（1RCP050CR/060CR）接線端子同樣改為面接觸方式（銅排）。

2.2 穩壓器電加熱元件故障分析

某核電廠穩壓器電加熱器（如圖4 所示）供貨商為法國THERMOCOAX 公司，2014 年9 月至2014 年11 月，該核電廠1 號機組調試過程中，穩壓器電加熱器先后出現（46#、14#、25#、13#、3#、28#）電加熱元件失效不可用。具體原因見表1。

圖4 電加熱元件主要結構型式Fig.4 Main structure type of electric heating element

表1 電加熱器損壞列表Table 1 List of electric heater damage

隨后，核電廠組織工程公司、設備制造單位、電加熱器供貨商、安裝單位等組成聯合調查組實地查看，并初步調查了事件的過程。調查組通過分析得出以下結論：

1）所有加熱器均未安裝翅狀散熱器。

2）保溫層包裹不完整，有明顯縫隙，不符合保溫安裝規范，導致電加熱元件表面溫度受到熱輻射，溫度過高。

3）部分加熱元件保溫層過厚，保溫層將加熱元件的散熱部分包裹，影響了散熱效果。

4）現場原通風設計散熱效果不佳，電加熱元件自帶電纜綁扎混亂，不利于散熱。

熱態試驗期間，熱成像儀顯示穩壓器底部某些部位表面溫度曾經高達291.9℃，如圖5 所示，遠遠大于穩壓器電加熱器實際要求的溫度限值。

圖5 熱試期間穩壓器底部熱成像圖Fig.5 Thermal image of the bottom of the regulator during the hot test

法國THERMOCOAX 公司聯合穩壓器制造單位進行了原因分析，對電加熱器填充的環氧樹脂、電加熱器的熱老化影響因素進行了理論分析和試驗驗證，最終給出了電加熱器失效的機理。

2.2.1 電加熱器環氧樹脂溫度限值分析

通過現場觀察不難看出，個別損壞的電加熱器的填充樹脂已經斷裂掉落，初步分析可能是環氧樹脂的耐熱性能超過了溫度限值。電加熱器選擇Stycast2762 型環氧樹脂加17 型催化劑作為連接端的填充物，該填充物具有低收縮率、低熱膨脹系數、高溫度阻抗的特點，已經有30 多年的使用經驗[2]。

溫度限值以下樹脂能夠確保電加熱器有良好的物理和電氣性能，且環氧樹脂的老化會非常的緩慢，有利于電加熱器長時間使用。但環氧樹脂在溫度限值以上會受到嚴重的損害，使用中必須對樹脂在高溫狀態下失效的過渡溫度進行評估，以便給出防止Stycast 型環氧樹脂在高溫下過快老化的溫度限值。

使用膨脹測量法在室溫至230℃的不同溫度環境下對一批電加熱器進行了電氣性能和機械性能測試，結果發現Stycast 型環氧樹脂的過渡溫度限值為140℃[2]。顯然，該機組熱試階段電加熱器的表面溫度已經大大超過了該溫度限值，故而環氧樹脂出現了過熱燒斷的現象。

2.2.2 電加熱器的熱老化壽命分析

核電廠穩定運行要求電加熱器的使用最小壽命，在額定功率下工作10000h，在1/2 額定功率下工作20000h，如果嚴格按照實際情況進行常規試驗測試其熱老化壽命不但耗時，還要耗費大量的人力、物力，也滿足不了工程的要求。為了解決這一矛盾，此次驗證試驗引入了加速壽命試驗。

法國THERMOCOAX 公司對樣品進行了不同溫度下熱老化試驗，觀測“快速”動態彈出現象。由于試驗主要進行熱老化性能試驗，因而電加熱器本身未通電，而選擇放在熱烘干箱中模擬。

按照上述加速失效條件對2 組樣品進行模擬，結果顯示隨著溫度的升高，填充樹脂狀態逐步發生變化。250℃持續48h，模擬件一環氧樹脂在連接頭外開始膨脹。275℃持續75h，模擬件二環氧樹脂在連接頭外加速膨脹，電加熱器完成性已經失效如圖6 所示。

圖6 不同溫度下填充物狀態圖Fig.6 State diagram of fillings at different temperatures

電加熱器超負荷工作期間，內部承受熱老化、高電壓等沖擊，由此產生空隙、裂紋等缺陷（如圖6 所示），這些缺陷會降低電加熱器自身的絕緣電阻，在連接頭內部產生電弧，發生短路，進而擊穿環氧樹脂層，造成電加熱元件失效。目前，尚不清楚有多少根電加熱元件環氧樹脂遭受了高溫的破壞，且無法確定持續時間，因而其余電加熱器的剩余壽命或許更短。

2.2.3 解決策略

◇ 短期解決方案

1）安裝翅狀散熱器

按照RCC-E 標準，穩壓器連接頭溫度不應超過50℃，供應商提供的翅狀散熱器驗證性能顯示，安裝散熱器能有效降低連接頭表面溫度至少40℃。

2）調整防火包裹層

表3 某大修穩壓器電加熱器部分溫濕度記錄Table 3 Some temperature and humidity records of the electric heater of a certain overhauled voltage stabilizer

重新對穩壓器底部保溫層進行纏繞封扎，保溫層不超過焊接法蘭面，且不留縫隙。

3）對所有電加熱元件自帶電纜進行重新固定排列，增大散熱面。

4）調整通風管道及通風口位置，增加穩壓器底部的通風量。

◇ 長期解決方案

a）在首次大修期間，更換損壞的電加熱元件

大修開始后，再次發現3 根電加熱元件絕緣電阻性能失效，對兩次已損壞的電加熱元件全部更換。

b）在電加熱器連接端自帶連接電纜位置，安裝核級專用指套管，密封連接端頭，降低濕氣進入填充物內的可能性。

通過以上措施只能解決已經出現的顯象問題，對于其它的隱形電加熱元件損傷卻無能為力，其它電加熱元件隨時有再次出現故障的可能，要消除缺陷或者減緩電加熱器失效速度，需要制定更加長遠的策略。

3 穩壓器電加熱器實施維護保養

經過調研，考慮到目前穩壓器電加熱器實際隱形損傷情況，綜合適用性、經濟性、實施窗口等因素，有3 種方案可供選擇：

方案1：保持目前所有電加熱器狀態，不加干預，達到自然失效的效果。

方案2：在大小修期間，通過一種相對經濟的防潮除濕保養方案，使穩壓器電加熱器長期保持在一種適度的環境下，減緩電加熱器失效速度。

具體方案如下：

◇ 臨時封堵穩壓器底部房間內所有孔洞。

◇ 房間內布置暖風機及除濕機，溫度要求≤40°，濕度要求≤30%。

◇ 不間斷監測臨時設施、溫濕度及絕緣變化情況。

方案3：所有電加熱器元件一次性全部更換。

綜合考慮（見表2），決定采用方案2 作為穩壓器電加熱器后續實施策略。

表2 3種電加熱器處理方案對比分析Table 2 Comparison and analysis of three electric heater treatment schemes

目前，該核電廠已經實施了5 次換料檢修，通過實施的穩壓器電加熱器維護保養專項工作，除了105 大修期間出現一根電加熱元件絕緣性能失效，未發現其它電加熱器失效事件，也驗證了方案2 的有效性。

4 結論

本文詳細介紹了幾起穩壓器電加熱器常見典型故障案例，針對調試期間發現的穩壓器電加熱器連接箱端子排燒毀事件，通過調查研究，采用了更加可靠的連接方式，完成了對連接箱接線端子的修改。通過數據分析以及故障模擬實驗，驗證了高溫對環氧樹脂的不可逆損傷，對于未知的電加熱元件，通過實施維護保養策略，緩解了電加熱器老化損壞的速度。

目前，本公司已完全自主掌握穩壓器電加熱器更換這項核心技術[1]，不僅打破了國外公司的技術壟斷，也成功實現對外服務，給公司帶來了可觀的經濟效益，更重要的是提高了核電廠的安全性能，有力地保障了國內核電機組安全、穩定、經濟運行的技術能力。