核电厂中压电气贯穿件短路电动力试验探讨

核电厂中压电气贯穿件短路电动力试验探讨

张扬

正泰电气股份有限公司 上海市 201614

摘要：为进一步提升核电厂运行的安全可靠性，需要对核电厂内电气设备完成安全等级的划分，并设计核电厂电气设备验证。针对核电设备不同于常规设备的高安全、可靠性要求，要在完成质量鉴定与安全评审的同时，进一步针对具体参数和具体要求，设计可靠的电气试验。本文针对核电厂中压电气贯穿件，单相、两相和三相短路故障，设计电动力试验。通过分析电气贯穿件功能、中压电气贯穿件结构、电气试验要求，进一步提出短路电动力试验方法，调整实验电路参数，促使实验中的电动力达到预期目标值。

关键词：核电厂；短路故障；电气试验

1. 电气贯穿件的功能

核电厂电气贯穿件，是为安全壳内反应堆冷却剂泵电机提供三相交流电源的设备部件。电气贯穿件，为安全壳提供了连接壳内与壳外的电气通路，能够在各种事故中，保证安全壳的压力边界完整性及电气完整性。根据电气贯穿件的导体功能进行分类，可以划分为中压、低压、以及低压控制和仪表、光纤等多种类型。其中中压动力类型，是指额定电压大于1000伏的电气贯穿件导体。中压动力电气贯穿件，主要为反应堆冷却剂泵电机提供稳定的电源，因此，对于核电厂设备安全运行来说，具有重要的意义。

2. 中压电气贯穿件结构

中压电气贯穿件的结构，以密封结构体和密封筒体两个部分为主要构成。其中，密封结构体以三根导体为同一线规，呈现三角形的布置，对应三根线，并且三根相线之间，用三角支撑板进行固定。三根导体相线组件，穿过钢制的密封铜体，由两端的法兰进行连接。同时导体、法兰之间，设有密封结构。导体在布置过程中，分别与筒体壳内，以及筒体壳外的电路进行有效连接。密封筒体之间，每隔一定的固定间距，会设有圆板，对导体进行径向位移的约束和支撑。并结合导体两端的三角支撑板，实现固定和约束作用。三角形布置的对称位置，能够起到有效的承力作用。当导体间发生短路故障时，各个导体同时承受其他导体的排斥力或吸引力，这时就能通过三根导体的三角形对称位置，实现动力合力趋近于0的作用，保障导体不会对安全壳产生显著的作用力，实现了结构的稳定性。

3. 电气试验要求

电器实验要求，一是要保证电气贯穿件标准的选用，要参照核电厂安全和电气贯穿件标准进行光纤柜通线、电磁兼容性等具体的电气贯穿件要求。本文采用的标准要求为IEEE317《核电厂安全和电气贯穿件标准要求》。标准要求中，依据核电厂安全和电气贯穿件质量鉴定，严格规定了具体实验项目、试验方法、试验条件和验收准则，适用于我国核电厂标准，有助于完成电气贯穿件国产化过程中的设计制造和鉴定实践。短路试验是电气贯穿件中动力与控制导体的鉴定试验项目，因此要通过短路故障中流导体的模拟，讨论导体间的电动力作用。短路电器，实验设计中要充分的考虑可能出现的单相短路故障、两相短路故障和三相短路故障。中压电气贯穿件，不设置中心线，因此相线对中心线的短路不会出现，可不考虑单相短路情况。两相短路的电动力为三相短路的√3/2。因此，确定三相短路的电动力作用最大，可结合三相短路电动力完成中压电气贯穿件的短路电动力实验，严格参照IEEE317标准要求，完成实验内容。

4. 短路电动力分析

1. 短路类型

针对中压电气贯穿件运行的三相交流电力系统，可将短路故障划分为单相、两相和三相短路。在进行短路电动力实验设计时，要对三个短路类型进行综合考量。一是根据电气试验要求可以得知，单相短路的故障发生原因，主要是由于相线对中性线的短路，产生巨大的冲击电动力而引发的。而中压电气贯穿件在设置上，未设置中心线，因此不会发生相线对中心线的短路，可以不考虑单相短路的电动力作用。重点考虑两相及三相短路情况的电动力计算。

2. 短路电动力计算

2.1两相短路电动力计算

两相短路暂态过程电流(i₂)计算公式如图一。

图一：两相短路暂态过程电流计算公式

其中t为时间，单位s。I₂为两相短路电流对称交流分量的有效值，单位A 。ω为电源角频率，单位r a d / s，计算ω=2πf。f 为电源频率，单位H z。a为衰减系数，单位s^-1，计算a =2πf / (X /R )。R为短路时的电路电阻，X为短路时的电路电抗。ψ为短路发生瞬间电源电压初相角，即电压合闸相角；φ为电流滞后电压的相位角，计算φ=arctan(ω/a)。

两相短路电动力(F₂)计算公式如图二。

图二：两相短路电动力计算公式

其中K为常数，K =K_cλ×10^-7，K_c为两相导体间的回路系数，λ为截面修正系数，当截面周长远小于导体间距离时，λ≈ 1。

2.2三相短路电动力计算

三相对称短路的暂态过程电流 (i_a、i_b、i_c)计算公式如图三。

图三：三相对称短路的暂态过程电流计算公式

其中式中，I₃ 是三相短路电流对称交流分量的有效值，单位A。

三相导体呈等边三角形布置，因此可针对三相导体的电动力完成三个具体计算。

a相导体x方向电动力(F_ax)、y方向电动力(F_ay)及合力(F_a)计算公式如图四。

图四

b相导体x方向电动力(F_bx)、y方向电动力(F_by)及合力(F_b)计算公式如图五。

图五

c相导体x方向电动力(F_cx)、y方向电动力(F_cy)及合力(F_c)计算公式如图六。

图六

2. 短路电动力比较

对于远端短路，可通过电气试验要求，明确两相与三相短路之间的电流周期性分量的有效值之比为 √3/2，由此可得到两相短路电动力峰值 (F_p2) 与三相短路最大电动力峰值 (F_p3) 之比。两者比值计算公式如图七。

图七

由这一比值，可以确定，中压电气贯穿件在发生三相短路时，将产生最大的瞬间冲击电动力。

5. 短路电动力试验方法

1. 中压电气贯穿件短路试验设计

针对中压电气贯穿件短路试验的标准以及电动力计算结果，对于电动力试验设计，要完成三个方面。一是要完成实验电路的设计，要保证X/R大于等于16。二是要完成短路试验电流的对称交流分量设计，要保证交流分量有效值不低于额定的短路电流。三是针对试验件中的短路电流持续时间，要保证模拟时长，持续时间不能够小于0.033秒，也就是交流电的两个周波。

试验方法中，重点考虑4个实验关键点。一是试验电压设定；二是短路试验为三相试验；三是短路试验的合闸相角；四是试验电路的X/R值，以及试验时间。针对这4个关键点，要确定，试验内容为三相短路电动力试验；短路合闸相角为三相中的合闸相角为0一相，选定该相角，测试该项角的最大短路电动力。基于IEEE317标准的X/R值设定60赫兹以下的交流电频率。在给定衰减系数，及时间常数的要求下，设置60赫兹交流电频率下的持续时间为0.033秒。

2. 中压电气贯穿件短路试验注意的问题

中压电气贯穿件的导体在受到短路电动力影响时，其最大短路电动力峰值与最大短路电流峰值的平方成正比。因此，电动力实验中要注意导体的最大电流峰值，要确保达到电动力目标要求。另外，三相短路实验，无论电压合闸相角如何，总会有一相短路电动力峰值接近最大值，因此，要注意采用不同的选项合闸装置，调整不同的电压合闸相角，确保电动力足够大，适应短路电流峰值增量要求。

结语：我国核电厂建设于20世纪80年代。在初始阶段，大量核电设备采购于国外，不仅增加了建设造价，同时对我国核电发展来说，不利于我国实际需要及核电安全。随着科学技术的进步，国产化设备已经获得了重要的提升。但仍然需要对核电设备的安全性能进行严格的设计验证。通过核电厂中压电气贯穿件电气实验的设计与探讨，能够进一步探索电气贯穿件电气实验的参数选择和试验方法，为电气贯穿件的国产化设计制造，提供技术参考。同时降低中压电气贯穿件的短路故障发生率，提升核电厂设备运行安全可靠性。

参考文献：

[1]俞高伟,张甬.核电站中压电气贯穿件电气试验参数选择探讨[J].电工电气,2018(11):49-51.

[2]郑开云.核电厂中压电气贯穿件短路电动力试验探讨[J].电工电气,2017(06):51-54.

[3]郑开云,杨晓,陈智.基于IEEE标准的电气贯穿件鉴定试验研究[J].核安全,2016,15(02):70-76+83.