環氧樹脂澆注封閉母線在核電行業的應用

馮玉輝 高 超

環氧樹脂澆注封閉母線在核電行業的應用

馮玉輝 高 超

（中廣核集團中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳 518124）

環氧樹脂澆注封閉母線具有良好的電氣、力學、散熱性能，既可有效解決核電廠變壓器低壓側金屬共箱封閉母線設備凝露導致絕緣下降的問題，又可有效解決長距離中壓電纜輸配電造成的電容電流超限問題。結合近年來澆注封閉母線在核電廠運行過程中發生的絕緣降低或失效案例，對澆注封閉母線絕緣缺陷的現場查找方法進行總結，同時給出澆注封閉母線絕緣薄弱點及技術改進措施。

環氧樹脂；澆注；封閉母線；絕緣故障

0 引言

國內核電廠220kV以下電力變壓器（輔助電力變壓器、廠用電力變壓器）大部分采用金屬共箱封閉母線出線后經長距離中壓電纜的方式與6.6kV電源系統相連。在沿海高熱、高濕、高鹽的海洋氣候下，電力變壓器金屬共箱封閉母線內的支撐絕緣子及中壓電纜頭等區域易出現凝露或受潮現象，通常情況下可采用壓縮空氣微正壓干燥或電輔助加熱的方式進行緩解。某核電廠兩臺輔助變壓器低壓側曾多次出現絕緣低報警，打開金屬母線出線倉進行檢查發現，內部有較嚴重的凝露情況；后其中一臺輔助變壓器發生由于金屬母線出線倉電纜頭受潮而導致的電纜絕緣對地擊穿事件，造成該變壓器低壓側出現近區短路，同時給核電機組的安全可靠運行帶來了嚴重影響。

為保證核電廠核安全電源供電的可靠性及連續性，某核電站6.6kV中壓電源系統采用中性點不接地方式，以保證系統在發生單相接地時仍可短時間帶負荷運行。該核電廠6臺機組輔助電源系統需接入同一220kV雙電源開關站，若按照參考電站設計就意味著需要使用大規模的長距離大截面中壓交聯聚乙烯電纜進行中壓供電網絡組網。通過對系統單相接地電容電流進行核算發現，其單相接地電流存在超限情況，為確保核電中壓安全電源的穩定性，確保供電可靠性，需要尋找替代中壓電纜的合適產品。在DL/T 5153—2014《火力發電廠廠用電設計技術規程》中提到，當廠用電系統接地電容電流大于7A時，其中性點可采用不接地方式。通常在廠用電系統發生單相接地故障時，將產生高達3～3.5倍額定電壓值的過電壓，若系統電容電流過大將會伴隨著弧光過電壓的產生，會直接影響電氣設備健康狀態，甚至造成對設備運行壽命的不可逆影響[1-2]。

當較大的運行電流通過電氣設備時，將在電氣設備上產生熱和力的效應。受電阻損耗、渦流損耗、介質損耗等因素的綜合影響，電氣設備的運行溫度會顯著提升；同時受電動力的影響，會造成電氣設備振動、形變甚至故障[3-6]。為解決以上問題，經過系統分析與論證，某核電項目采用環氧樹脂澆注封閉母線（簡稱澆注母線）取代交聯聚乙烯電纜[7-8]。以國內某火電廠為例，其10kV中壓廠用電系統采用電纜直接埋地方式進行供電，在投運20多年后，部分電纜外皮已有多處腐蝕破損，電纜屏蔽絕緣電阻為零。歷次大修期間都對電纜進行開挖修補，但由于部分電纜埋設位置特殊，無法開挖修補，電纜屏蔽絕緣缺陷遲遲得不到有效解決。鑒于澆注母線的優良特性，該火電廠決定在大修期間將原有的電纜全部改造為澆注母線。

1 澆注母線介紹

通常200MW及以上機組的中壓廠用回路采用共箱封閉母線結構，澆注母線具有優良的技術性能和較好的經濟性，其安裝通道需求與電纜相近，可行性較高。瑞士、德國核電廠均有中壓澆注母線的應用，共箱母線與澆注母線參數性能對比見表１。

表１ 兩種母線參數性能對比

三相一體式全澆注式中壓母線采用環氧樹脂（epoxy）與火山巖等多種惰性無機礦物按照特定比例充分攪拌混合并經真空排氣后，一次性對金屬母線導體直接澆注而成。為了進一步提高澆注母線對地主絕緣，在澆注母線下方均勻布置絕緣底座，澆注母線結構如圖1所示。

環氧樹脂絕緣材料具有良好的介電絕緣性、熱固化性、耐化學腐蝕性等優點，與火山巖等惰性無機礦物按比例充分混合后，具備高絕緣性、高防潮性、高防爆性等優良特性，根據混合材料的物理化學特性分析，其還具備良好的耐燃性與自熄性等特點。由于澆注母線具有優越的電氣性能、力學性能、良好的散熱性能及優秀的防水防塵性能，采用澆注母線可以很好地解決使用共箱封閉母線與交聯聚乙烯電纜所帶來的倉內凝露和單相接地電流超限問 題[3-6]，且澆注母線有多種結構形式，敷設布置靈活，澆注母線安裝敷設示意圖如圖2所示。從母線布置空間需求上分析，其滿足地下電氣廊道的敷設條件，可完美替代交聯聚乙烯電纜。

圖1 澆注母線結構

圖2 澆注母線安裝敷設示意圖

由于澆注母線固體絕緣澆注材料的熱膨脹系數與銅材料熱膨脹系數比較接近，在溫度不發生劇烈變化的情況下，通過一次性澆注成型的絕緣母線出現開裂或微小裂紋的情況很少發生，可以有效保證絕緣可靠性及整體機械強度。但由于澆注環節中材料配比不當或施工工藝控制不嚴，在母線的絕緣層中形成裂紋的案例也偶有發生。當較大運行電流通過澆注母線時，電阻損耗導致母線導體產生熱量，并通過熱量傳導的方式逐步傳遞到包裹母線導體的絕緣材料，在一定程度上緩解了澆注母線發生絕緣受潮的風險。經壽命評估與加速老化試驗測試，澆注母線運行壽命可達50年以上，不需要開展復雜的運維管理工作，只需在停電窗口進行表面清潔及絕緣測試工作即可。

2 缺陷處理方法

隨著澆注母線技術的不斷成熟與推廣，目前國內多個在運核電廠已采用澆注母線產品并已投運數年。但由于此類產品的應用規模較小，工程應用案例也不是非常豐富，近年來設備缺陷仍時有發生，相關運維管理經驗仍在不斷摸索和積累中[9-10]。

2.1 澆注母線裂紋缺陷

某核電廠1號機組廠用配電盤系統至1、2號機組6.6kV共用配電盤系統（9LGIA和9LGIB）母線采用澆注母線結構，其電氣參數見表2。澆注母線送電后在6.6kV輔助配電盤系統9LGJ側實測的單相最大空載電流為0.9A，澆注母線一直帶電正常運行至輔助開關站停電檢修。

表2 澆注母線基本電氣參數

檢修期間恰逢現場多日暴雨，澆注母線所在地下廊道多處滲水，個別區域滲水量較大，甚至有雨水直接從未封堵的檢修吊裝口流進廊道澆淋在澆注母線表面上。試驗人員對澆注母線進行絕緣測量時發現，1、2號機組6.6kV輔助配電盤系統（9LGJ）至1號機組6.6kV廠用配電盤系統（1LGB）澆注母線B相對地絕緣電阻僅為6MW，遠低于其他兩相絕緣電阻及系統首次送電時母線絕緣測量值（636MW）；次日再次對澆注母線進行測量，B相絕緣電阻仍為6MW。初步判斷雨水淋濕澆注母線后，潮氣隨裂紋浸入母線引起絕緣異常，如何排查及確定澆注母線裂紋的位置成為母線能夠及時恢復送電及后續安全可靠運行的關鍵。

澆注母線裂紋缺陷的查找方法較多，如目視檢查法、超聲波檢測法、紫外成像法、耐壓試驗法、淋水試驗法等。其中目視檢查法是澆注母線裂紋查找的首選方法，母線上較為明顯的裂紋易通過目視檢查發現，但該方法存在以下問題：澆注母線多位于地下廊道區域，空間有限且照明條件一般較差，不利于進行目視檢查；為提高澆注母線的散熱能力,在其相間垂直方向上設置有孔洞，使相間孔洞處存在檢查死區，對于較小裂紋肉眼無法輕易發現。超聲波檢測法需在母線帶電運行期間或停運期間結合耐壓試驗、脈沖沖擊試驗開展絕緣缺陷查找，但要做到對遠距離放電點的精準定位和定量分析仍存在一定的難度，在母線裂紋查找方面存在不足。紫外成像技術只有在母線帶電尤其是較大運行電流的情況下，才能發現局部放電點，且需要特殊的紫外成像檢測儀器。經分析并對比實際應用效果，推薦采用耐壓試驗法和淋水試驗法查找澆注母線裂紋故障點。澆注母線的外殼是全封閉的絕緣材料，通過耐壓試驗的方法查找母線裂紋的關鍵在于使母線導體部分與裂紋、外殼、大地構成放電回路。母線的裂紋可能存在于母線外表各處，因而需要將母線外表全面與大地構成導電回路。總結此次裂紋查找過程，考慮試驗成本及試驗周期，淋水試驗方法可將母線裂紋與大地構成導電回路，易于查找裂紋缺陷點。

9LGJ至1LGB澆注母線B相絕緣測量值已嚴重下降，說明母線裂紋已形成絕緣薄弱點，當耐受電壓升高時裂紋處可能因絕緣能力降低而產生閃絡或發出放電聲。為更有效地查找母線放電位置，將耐壓試驗安排在夜間，當交流耐壓裝置施加電壓升至13kV時，某段澆注母線明顯觀察到放電弧光，經仔細檢查發現，某母線直線段相間澆注部位有裂紋如圖3所示，且裂紋所在母線處恰被雨水淋濕。對母線裂紋所在處進行吹干處理后，再次測量母線絕緣電阻為296MΩ，相比之前測得的絕緣值明顯提升。通過澆注母線裂紋打磨、澆注修補完成絕緣缺陷處理，處理后母線絕緣測量結果合格。

圖3 澆注母線相間澆注部位裂紋

此外，淋水試驗法對現場澆注母線裂紋缺陷查找也有較好的應用效果。首先選取2～3個間隔的澆注母線段，使用2 500V兆歐表對干燥狀態的澆注母線進行絕緣測試，然后用噴霧方法或澆水的方法將母線表面均勻潤濕，也可采用金屬箔或濕布包覆母線與支架間的方法人為制造出電流泄漏通道。需要對母線表面進行多次均勻潤濕，在確保濕氣從母線裂紋缺陷處充分浸入后對潤濕狀態的澆注母線進行絕緣測試，對母線潤濕前后的絕緣狀態進行比較分析；當絕緣電阻明顯下降時，可懷疑該相母線存在絕緣缺陷并開展進一步的試驗驗證。將海綿用銅絲環繞幾圈后與兆歐表的負極相連，澆注母線伸縮節銅排與兆歐表的正極相連；將充分吸水后的海綿在澆注母線疑似絕緣缺陷區域表面前后來回移動，期間持續在正負極間施加1 000V的直流電壓，在母線缺陷處會形成電流通道并使絕緣電阻快速下降。通過這種淋水試驗方法準確查找出現場多起澆注母線絕緣缺陷。

2.2 澆注母線伸縮節短路

某核電廠1號機組9LGJ003JA開關跳閘，地下廊道內有煙霧冒出，并觸發火警信號。電流保護裝置001XI電流速斷保護三相動作。經查看故障錄波裝置，確定1、2號機組共用的中壓交流電源系統9LGJ至1號機組廠用配電系統（LGC）澆注母線（電壓等級為6.6kV）B、C兩相短路故障，兩相短路故障所產生的弧光導致其快速發展為三相短路故障，故障電流達29 000A，超過9LGJ003JA電流速斷保護定值25 942A，保護正確動作跳開開關切除故障。經現場檢查，故障點定位在澆注母線伸縮節處，伸縮節處銅母排已被電弧燒熔，伸縮節外護罩已崩裂，如圖4所示。該澆注母線熱穩定電流為80kA/3s，本次沖擊電流在承受范圍內，對母線設備無影響。

圖4 澆注母線伸縮節短路

考慮到需吸收長距離澆注母線在功率運行期間熱脹冷縮產生的伸縮量，在母線直線段設置多個伸縮節（當澆注母線直線段≥40m時，須至少設置1個伸縮節），伸縮節部位采用絕緣熱縮材料熱縮銅母排的方式。澆注母線伸縮節根部構成以無機礦物混合固體絕緣材料、交聯聚烯烴熱縮材料及空氣介質等復合材料組成的絕緣結構，此處的電場畸變現象較明顯，電場梯度極不均勻。澆注母線相間根部的絕緣距離較短，雖然正常情況下能滿足絕緣要求，但由于不均勻電場、潮濕、積塵等多因素綜合影響，此處的擊穿電壓會隨之下降，在母排處易發生擊穿、閃絡等現象，因此眾多伸縮節成為整個澆注母線絕緣系統中的薄弱環節。在獲取澆注母線相間短路的類似案例反饋后，廠家對伸縮節絕緣結構進行改進優化，原伸縮節母排外絕緣等級由原來的25kV提升至35kV，且通過增加相間絕緣傘裙的結構加大相間絕緣爬距，以提高伸縮節相間沿面閃絡電壓，降低污閃概率，伸縮節絕緣結構優化如圖5所示；同時在母排包裹工藝上消除根部的氣隙，生產工藝改進后大大提升了澆注母線伸縮節部位相間絕緣強度。現場對已投運的舊型號澆注母線伸縮節通過涂刷室溫硫化硅橡膠（RTV）防污閃材料、粘貼U形PVC成型傘裙的方式增強伸縮節絕緣性能，有效降低伸縮節對地或相間放電的風險。伸縮節的相間放電故障均可等效為均勻電場中的沿面放電模型，根據實測結果發現，受潮的固體介質疊加介質表面電阻分布不均、表面傷痕及生產瑕疵等情況，其沿面閃絡電壓比環境良好的固體沿面閃絡電壓低得多。原設計中，伸縮節相間沿面爬電距離為兩相銅排間的沿澆注面直線距離；在伸縮節相間沿澆注面增加絕緣傘裙后，相間爬電距離可增大為原來的2倍。同時配合RTV防污閃材料的使用，伸縮節相間固體介質沿面的憎水性及防潮性能得到有效改善，可提高伸縮節相間沿面閃絡電壓，降低污閃概率。

（a）原型號伸縮節單元

（b）新型號伸縮節單元

圖5 伸縮節絕緣結構優化

3 結論

澆注母線絕緣性能優越、環境適應性強、運維管理成本低等特點，為核電行業中壓電源網絡的配置增加了一種實現方案。但由于澆注母線技術在國內引入時間不長，應用經驗不夠豐富，仍存在一定的局限性，需要長期的運行數據來驗證沿海地區高熱、高濕、高鹽環境對母線絕緣性能和使用壽命的影響，現場技術人員需關注母線的日常檢查與維護，及時發現和有效消除母線運行中存在的安全隱患問題。同時，隨著澆注母線現場運維經驗和澆注母線廠家設計制造經驗的不斷積累，以及產品質量工藝的不斷改進提升，相信越來越多的核電廠會在設計建設階段選用澆注母線產品，也為在運核電廠中壓電纜的中長期替代改造提供了有效的技術方案。

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Application of epoxy resin casting closed busbar in nuclear power industry

FENG Yuhui GAO Chao

(China Nuclear Power Operations Co., Ltd, Shenzhen, Guangdong 518124)

Epoxy resin casting closed busbar has good electrical, mechanical and heat dissipation performance, which can not only effectively solve the problem of condensation insulation decline of metal common box closed busbar equipment on the low-voltage side of nuclear power plant transformers, but also effectively solve the problem of capacitor current overrun caused by long-distance medium-voltage cable transmission and distribution. Combined with the cases of insulation degradation or failure of cast-closed busbars during the operation of nuclear power plants in recent years, the methods of finding the insulation defects of cast-closed busbars on site are summarized, and the weak points of cast-closed busbar insulation and technical improvement measures are also introduced.

epoxy resin; pouring; closed busbar; insulation failure

2022-06-08

2022-06-27

馮玉輝（1983—），男，廣東省深圳市人，本科，高級工程師、高級技師，主要從事核電廠高壓電氣設備的運維與管理工作。