反應堆安全殼電氣貫穿件絕緣支撐盤耐潮性能試驗研究

陳　青，郭　星，王廣金，邱新媛，王江武，周　寒，段緒星，羅　峰

反應堆安全殼電氣貫穿件絕緣支撐盤耐潮性能試驗研究

陳青，郭星，王廣金，邱新媛，王江武，周寒，段緒星，羅峰

（中國核動力研究設計院，四川 成都 610213）

近年來我國在運核電廠相繼發生兩起反應堆安全殼中壓電氣貫穿件絕緣支撐盤絕緣擊穿短路故障，造成反應堆非計劃停堆停機，發生故障的中壓電氣貫穿件均為國外同一廠家同一批次設計生產的產品。上述故障造成核電廠巨大經濟損失的同時，也對反應堆的安全穩定運行提出了挑戰。本文針對發生故障的絕緣支撐盤和中國核動力研究設計院同類型產品開展試驗研究，力求找到中壓電氣貫穿件絕緣支撐盤故障的主要原因，為電廠運維和產品設計生產提供參考依據。試驗分析結果表明：中壓電氣貫穿件絕緣支撐盤在材料選型和成型工藝等方面存在一定缺陷，導致其絕緣耐潮性能不佳，是發生絕緣擊穿故障的主要原因。

安全殼；電氣貫穿件；絕緣支撐盤；耐潮性能

電氣貫穿件是安裝在核電廠安全殼上，用于各類電纜貫穿安全殼屏障的專用設備，屬核電廠第三道安全屏障的一部分[1,2]。在反應堆正常運行和事故工況下，要求能夠維持設備電氣連續性和壓力邊界的完整性，防止放射性物質外泄，對反應堆的安全運行起著至關重要的作用。中壓動力電氣貫穿件為反應堆冷卻劑泵電動機提供電力，安裝在中壓變頻器和冷卻劑泵之間[3,4]。

絕緣支撐盤作為中壓電氣貫穿件起機械支撐和電氣絕緣作用的部件，必須同時滿足電氣絕緣性能和機械強度要求，即電氣絕緣性能必須保證在核電廠正常運行和設計基準事故環境條件下，不因絕緣支撐盤絕緣性能降低導致三相導體之間發生沿面放電或絕緣擊穿而引發短路故障[5,6]；其機械強度必須能夠抵消三相動力導體相間短路時電動應力對設備造成的機械沖擊，避免因陶瓷絕緣套管受損導致設備密封失效[7,8]。

近年來我國兩座在運核電廠反應堆安全殼上中壓電氣貫穿件相繼發生兩起因絕緣支撐盤處絕緣擊穿導致的短路事故，導致反應堆非計劃停堆，造成巨大的經濟損失。此外，發生故障的中壓電氣貫穿件均為國外同一廠家同一批次設計生產的產品。國內外各電氣貫穿件設計生產廠家均將絕緣支撐盤作為中壓電氣貫穿件整機的一部分開展各項鑒定和型式試驗，未有公開資料顯示對絕緣支撐盤耐潮性能開展試驗分析研究[1,4,9]。絕緣支撐盤材質為有機絕緣材料，其絕緣性能受環境溫濕度的影響較大。核電站多處臨海地域，中壓電氣貫穿件絕緣支撐盤正常工作時基本處于高電壓和高溫高濕環境中，對其耐潮和絕緣性能提出了高要求。

本文對上述發生故障的絕緣支撐盤和中國核動力研究設計院絕緣支撐盤取樣，開展吸水率、絕緣電阻、微觀結構和成分分析試驗研究，力求找到中壓電氣貫穿件絕緣支撐盤出現故障的主要原因，為電站運維和產品設計生產提供參考依據。

1　中壓電氣貫穿件故障

電氣貫穿件設計壽期同核電機組，即在整個機組壽期內不考慮貫穿件更換。6.6 kV中壓電氣貫穿件內部結構如圖1所示，主要包括：A—導電桿，共三相，起通流作用；B—瓷套管，為穿心瓷套管，起到絕緣、固定及密封作用；C—支撐絕緣板，起支撐固定和防電動力作用，需具備良好的電氣絕緣性能。

圖1　中壓電氣貫穿件內部結構

現場對故障貫穿件核島內側端子箱瓷瓶、支撐絕緣盤、導電桿及端部接線外觀進行了檢查，均未見異常。對故障貫穿件核島外側端子箱進行檢查，發現短路故障致使絕緣支撐盤表面被熏黑且表面有明顯的爬電痕跡，導電桿與瓷套管之間的密封部件失效。初步判斷是由于絕緣支撐盤存在某種絕緣缺陷，導致相間擊穿故障，發生故障的中壓電氣貫穿件如圖2所示。

圖2　故障中壓貫穿件

核電廠中壓電氣貫穿件防護等級為IP547，要求防灰塵及各方向噴水，對其氣密性和防潮性沒有具體的標準要求。發生故障的中壓電氣貫穿件接線箱均存在平衡孔（孔徑約35 mm）未封堵情況，其氣密性和防潮性不佳，同時其所處房間的濕度狀況也不佳，當外界環境比較潮濕時，可能導致接線箱內絕緣支撐盤受潮而埋下絕緣缺陷的隱患。因此，本文通過試驗的方法，研究絕緣支撐盤材料試樣的吸水率和絕緣電阻隨環境溫度和相對濕度的變化趨勢。

2　試樣和試驗方法

將發生故障的絕緣支撐盤和中國核動力研究設計院絕緣支撐盤材料按標準規定制備成吸水率和絕緣電阻測試試樣，用無水乙醇清洗后置于40 ℃環境中烘干24 h備用[10]。

采用AX224ZH/E密度天平，如圖3所示，按GB/T 1034的規定材料的吸水率[11]。采用ZC-90G高絕緣電阻測量儀，如圖4所示，按GB/T 10064的規定測試試樣的絕緣電阻[12]。采用KTHC-015TBS恒溫恒濕試驗機對試樣在23 ℃、不同相對濕度環境中處理24 h后開展試驗。

圖3　AX224ZH/E密度天平測定材料吸水率

圖4　ZC-90G高絕緣電阻測量儀測試絕緣電阻

3　試驗結果及分析

3.1　吸水率

按標準要求制備大小尺寸（長×寬×厚）為50 mm×50 mm×2 mm的試樣三塊，在不同環境下試樣吸水率試驗結果以平均值為準，兩種材料吸水率隨環境溫度和相對濕度變化趨勢如圖5所示。

發生故障的絕緣支撐盤材料和中國核動力研究設計院絕緣支撐盤材料的吸水率隨環境相對濕度的增加顯著增大，同時環境相對濕度越高，吸水率增加速率越大。環境相對濕度為50%時，故障絕緣盤材料和中國核動力研究設計院絕緣盤材料吸水率分別為0.04%和0.03%，環境相對濕度為98%時吸水率均為0.10%。在環境相對濕度低于98%的范圍內，中國核動力研究設計院絕緣盤材料吸水率均低于發生故障的絕緣盤材料。

3.2　絕緣電阻

按標準要求制備大小尺寸（長×寬×厚）為100 mm×50 mm×2 mm試樣三塊，在不同環境下試樣絕緣電阻試驗結果以平均值為準，兩種材料標準試樣的絕緣電阻隨環境溫度和相對濕度變化趨勢如圖6所示。

圖6　絕緣電阻隨環境溫濕度變化趨勢

發生故障的絕緣支撐盤材料和中國核動力研究設計院絕緣支撐盤材料標準試樣絕緣電阻隨環境相對濕度增加而顯著減小，環境相對濕度越高，絕緣電阻減小速率越大。環境相對濕度為50%時，故障絕緣盤材料和中國核動力研究設計院絕緣盤材料標準試樣絕緣電阻分別為9.33 GΩ和4 840 GΩ，98%時分別為0.19 GΩ華潤338 GΩ。環境相對濕度由50%增至98%，故障絕緣盤材料和中國核動力研究設計院絕緣盤材料標準試樣絕緣電阻分別下降97.96%和93.02%。

故障絕緣盤材料標準試樣絕緣電阻遠遠小于和中國核動力研究設計院絕緣盤材料標準試樣絕緣電阻，環境相對濕度為50%時，故障絕緣盤材料標準試樣絕緣電阻僅為中國核動力研究設計院絕緣電阻的0.193%，98%時僅為0.056%。由以上分析可知，中國核動力研究設計院絕緣盤材料絕緣耐潮性能遠優于發生故障的絕緣盤材料。

因此，絕緣支撐盤材料絕緣耐潮性能不佳，環境相對濕度增大后其絕緣性能顯著下降，造成中壓電氣貫穿件絕緣支撐盤絕緣擊穿而發生短路事故。

3.3　材料微觀結構及成分試驗分析

采用顯微分析方法研究發生故障的絕緣支撐盤材料的顯微組織大小、形態和分布性質，按要求制備材料的顯微分析樣品，試驗分析結果如圖7所示。該材料分布呈層狀和網狀，內部存在球狀組織，材料分布不均勻，容易吸潮吸濕，導致絕緣性能下降。

圖7　故障絕緣支撐盤材料微觀結構

采用光譜分析法對故障絕緣盤材料試樣開展成分分析，該材料的光譜譜圖與已知材料的譜圖分析對比如圖8所示。對比分析可知：該絕緣支撐盤材料譜圖與環氧樹脂（聚合物環氧）譜圖相似度為76.11%，與聚乙烯（丙烯酸辛酯）譜圖相似度為75.28%，可知該絕緣支撐盤由環氧樹脂和聚乙烯的兩種材料復合而成。在電工板生產中上述材料的絕緣板大多采用層壓工藝，該工藝制成的絕緣板致密性差，容易吸潮吸濕。

圖8　故障絕緣支撐盤材料成分分析對比

4　結論

（1）核電廠發生故障的中壓電氣貫穿件絕緣支撐盤材料的吸水性能和絕緣耐潮性能不佳，性能指標遠低于中國核動力研究設計院同類型產品。環境相對濕度增大后絕緣支撐盤絕緣性能顯著下降，最終導致絕緣擊穿短路故障。

（2）發生故障的中壓電氣貫穿件絕緣支撐盤采用層壓工藝，該工藝制成的絕緣板致密性差；同時，絕緣盤微觀分布呈層狀和網狀且分布不均勻，容易吸潮吸濕，導致絕緣性能下降。

（3）在進行反應堆安全殼中壓電氣貫穿件絕緣支撐盤的結構設計和材料選型時，要以絕緣耐潮性能試驗數據為依托，重點著眼于絕緣支撐盤的整體絕緣耐潮性能。

［1］ 王勝，向文元，趙月揚．1E級電氣貫穿件設備鑒定［J］．機電信息，2011（24）：239-240．

［2］ 俞高偉，馬濤，孫健，等．核電站嚴重事故下電氣貫穿件鑒定的研究［J］．電工電氣，2019（6）．

［3］ 李銀，張廣來．AP1000電氣貫穿件安裝工藝［J］．中國新技術新產品，2014（11）：126-126．

［4］ 俞高偉，胡子嬰，吳珂科，等．標準研究AP1000中壓電氣貫穿件合格鑒定電氣試驗要求［J］．發電設備，2013，27（2）：142-144．

［5］ 陳鑫．EPR核電站核島電氣貫穿件介紹及安裝［J］．機電信息，2016（18）：63-64．

［6］ 劉剛，黃冬艷，方文治，等．核電廠安全殼電氣貫穿件泄漏率計算分析［J］．發電設備，2018，32（1）．

［7］ 鄭開云．核電廠中壓電氣貫穿件短路電動力試驗探討［C］// 中國電機工程學會核能發電分會學術交流會．2016．

［8］ 朱幼君．核電站電氣貫穿件的應力評定及試驗驗證［J］．發電設備，2019，33（2）：103-107．

［9］ 核電廠安全殼電氣貫穿件：GB/T 13538—2017［S］．北京：中國質檢出版社，2017．

［10］固體絕緣材料在試驗前和試驗時采用的標準條件：GB/T 10580—2015［S］．北京：中國標準出版社，2015．

［11］塑料吸水性的測定：GB/T 1034—2008［S］．北京：中國標準出版社，2008．

［12］測定固體絕緣材料絕緣電阻的試驗方法：GB/T 10064—2006［S］．北京：中國標準出版社，2006．

Experimental Study on Moisture Resistance of Insulation Support Plate of Reactor Containment Electrical Penetration

CHEN Qing，GUO Xing，WANG Guangjin，QIU Xinyuan，WANG Jiangwu，ZHOU Han，DUAN Xuxing，LUO Feng

（Nuclear Power Institute of China，Chengdu of Sichuan Prov．610213，China）

In recent years，there have been two insulation breakdown short-circuit faults in the insulation support plate of medium voltage electrical penetration of reactor containment in Yunhe nuclear power plant．This resulted in unplanned shutdown of the reactor．The fault medium voltage electrical penetrations are designed and produced by the same foreign manufacturer in the same batch．At the same time，the failure causes huge economic loss of nuclear power plant，which also challenges the safe and stable operation of the reactor．In this paper，the test and research on the fault insulation support plate and the same type of products of Nuclear Power Institute of China are carried out．Try to find out the main cause of the insulation support plate fault of the medium voltage electrical penetration，and provide reference for the operation and maintenance of the power plant and the product design and production．The test results show that there are some defects in the selection of materials and forming process of the insulation support plate of the medium voltage electrical penetration．The above defects lead to the poor moisture resistance of the insulation support plate，which is the main reason for the breakdown of the insulation．

Reactor containment；Electrical penetration；Insulation support plate；Moisture resistance

470.4021

A

0258-0918（2021）03-0588-05

2020-04-30

陳青（1984—），男，湖北孝感人，副研究員，碩士，現主要從事反應堆通用設備設計與研發方面研究