核电厂附加电源中压盘柜凝露浸水问题处理及分析

0引言

附加电源中压配电系统是核电厂安全运行的关键组成部分,在全厂断电的超设计基准事故状态下或备用柴油机组失效时,附加柴油发电机组能凭借“设计全替代性”,经附加电源中压配电系统向10 kv应急配电系统紧急供电。图1为电气主接线图。该设计保证了极端工况下安全设施的电力供应,能使反应堆安全停堆,其设备可靠性对核电机组的应急反应能力至关重要。然而,核电厂所在东南沿海属于湿热高盐环境,中压配电装置普遍面临凝露浸水问题威胁[1],可能导致核电厂应急供电能力受损,对核电厂整体运行安全构成严重威胁。

1凝露的机理与危害

1.1 凝露相关理论基础

凝露现象是指,当一定湿度与温度的气体遭遇温差显著的物体时,气体冷却至露点温度并在冷热交界面发生液化的现象[2]。空气湿度通常用相对湿度(RH)表示,即:

RH=(E/Ew)× 100%

式中:E为实际空气水汽压;Ew为同温度下饱和水汽压。

随着环境温度升高,饱和水汽压Ew增大,若实际空气水汽压E保持不变,则相对湿度会随温度升高而下降,反之亦然[3]。当温度降至露点温度时,空气达到饱和状态,水分以水珠形式凝结在低温表面,如金属柜体或绝缘件表面。这种现象在电气设备运行环境中尤为常见,尤其是在温湿度变化较大的区域,凝露的形成条件与空气湿度、温度及露点温度之间的动态关系密切相关。

1.2 凝露的危害

1.2.1 电气设备腐蚀

凝露现象在中压盘柜内会导致金属部件表面形成水膜,发生电化学反应,某些情况下冷凝水中可能溶有腐蚀性化学物质,进一步加快金属腐蚀。这一过程首先表现为金属表面的氧化层被破坏,随后腐蚀产物逐渐积累,进一步削弱电气设备的导电与绝缘性能。特别是在搭接点和触头部位,腐蚀产物的堆积会增加接触电阻,进而引发局部过热甚至烧毁,严重时可能导致整列中压母线失电。

1.2.2绝缘性能下降

凝露会使绝缘材料表面潮湿,从而显著降低其绝缘电阻值。根据相关研究,绝缘材料表面的水分会导致电场分布畸变,增加爬电距离,并提高闪络发生的概率[4]。例如,在高湿度环境下,中压开关柜内的绝缘子、套管等部件表面容易形成凝露,导致其憎水性下降,进而诱发高压回路上的绝缘表面爬电或对地闪络现象[5]。实际运行数据表明,当相对湿度超过65%时,绝缘材料的闪络电压可下降至干燥状态下的70%左右,这对设备的运行可靠性构成了严重威胁。此外,长期处于潮湿环境中的绝缘材料还可能发生老化,进一步降低其绝缘性能,最终导致设备故障率显著上升[6]。

1.2.3对人员安全的威胁

凝露引发的设备故障可能对核电厂工作人员的生命安全构成潜在威胁。当凝露导致电气设备绝缘性能下降时,可能导致短路或接地故障,进而诱发火灾,扩大事故的影响范围。这类事故不仅影响设备的正常运行,还可能对周围环境和人员安全造成严重威胁。因此,凝露问题不容忽视,必须采取有效措施加以预防和治理。

然而,当前针对核电厂附加电源中压盘柜这一特定设备的凝露问题研究仍显不足,尤其是在高湿度与特定环境因素的共同作用下,凝露的形成机制及防治策略尚需深入探讨。

2凝露故障案例分析

2.1 案例概述

2024年9月,某核电厂运行人员在进行附加柴油机定期实验前的现场巡检时,发现附加电源中压盘柜0EMM001TB后柜门观察窗内壁出现大量冷凝水。为进一步探查,维修人员解体中压盘柜进行了详细检查,现场拍摄的照片如图2、图3和图4所示。经过解体,发现4台中压柜的顶板、CT本体、CT下方线槽、开关柜侧板、铜排以及下静触头极柱均有大量冷凝水,柜底积水严重,板间缝隙处可见锈水。使用温湿度计测得柜内湿度最高达85%RH。附加电源系统处于不可用状态。

2.2 设备解体清理

针对核电厂附加电源中压盘柜凝露浸水问题,设备解体清理是首要且关键的步骤。首先,需将中压盘柜完全断电,并确保设备处于安全状态,避免在操作过程中发生触电事故。随后,逐步拆解盘柜外壳,暴露出内部结构,以便全面检查和清理。在清理过程中,应重点清除积水、污垢以及金属部件表面的锈蚀物。对于积水,需使用吸水性强的材料彻底吸干;对于污垢,可采用中性清洁剂配合软布擦拭;而对于锈蚀物,则需通过机械打磨或化学除锈方法进行清除。此外,在清理过程中需特别注意保护敏感元件和绝缘材料,避免因操作不当造成二次损伤。同时,应采集冷凝水样本送化学实验室对水样成分及酸碱度进行检测。

2.3 临时防潮措施

在凝露浸水问题的处理过程中,在去除表面凝露后采取临时防潮措施是防止问题短期内再次发生的重要保障。常用的临时防潮方法包括放置干燥剂和使用除湿机。干燥剂具有较强的吸湿能力,可迅速吸收盘柜内部残留的水分,从而降低环境湿度。在实际操作中,应选择适合电气设备使用的干燥剂,如硅胶干燥剂,并将其均匀放置在盘柜内部的关键位置,如接线端子附近和绝缘材料表面。此外,除湿机作为一种主动式防潮设备,能够通过循环空气并冷凝其中的水分,显著降低盘柜内部的相对湿度。特别是在高湿度环境下,除湿机的作用尤为显著。如图5所示,通过合理布置除湿机,并利用塑料膜将盘柜整体包覆,确保其除湿范围涵盖并集中于整个中压盘柜区域。经验证,该方式除湿12 h后盘柜内部湿度降低至50%RH以下,可以有效预防凝露的再次形成。这些临时防潮措施虽然仅能在短期内发挥作用,但在彻底解决凝露问题之前,它们为附加电源配电系统恢复可用性提供了必要的保障。

2.4 投运前检查

完成设备解体与清理作业后,对母线、断路器、电压互感器(PT)、电流互感器(CT)等关键部件进行绝缘测试,母线绝缘数据如表1所示,测试结果表明各部件绝缘参数均符合预定标准。对中压盘柜进行绝缘测试是评估其性能恢复情况的重要手段。绝缘测试主要包括绝缘电阻测试和耐压实验两种方法。绝缘电阻测试通过测量设备导体与地之间的电阻值,判断绝缘材料是否存在受潮或老化现象。通常采用兆欧表进行测试,测试结果需符合相关标准规定的阻值范围,以确保设备在运行过程中不会因绝缘电阻过低而引发故障。耐压实验考核设备在极端过电压情况下绝缘耐受击穿或闪络的能力,这一测试不仅能够验证清理后的绝缘强度,还能发现潜在的绝缘缺陷,为后续维护提供科学依据。但对于是否需要对已投运的盘柜在凝露浸水后进行耐压实验以及如何选择考核电压,应根据实际情况综合评估后慎重决策。

若凝露涉及断路器触头,水分腐蚀或氧化可能导致接触面电阻增大,应考虑测量断路器主回路电阻。若中压柜内机械操作与联锁机构因凝露导致锈蚀,应在除锈防腐后进行联锁功能验证实验。通过对清理后的中压盘柜进行全面实验可以有效评估设备的状态,确保其在重新投入运行前具备良好的电气性能和机械性能。

a3凝露的成因分析

3.1环境温差影响

该核电厂地处东南部沿海,多受台风影响,夏季35℃以上高温日数多,属于高温高湿环境,配电盘所在厂房内外温差超13℃ 。现场空调出风口直吹盘柜顶板及后柜板,导致柜体表面温度骤降至22℃以下,形成明显的冷热交界面,示意图如图6所示。当高温空气接触低温柜面时,冷热交汇使水汽持续析出形成凝露。根本诱因在于空调强制制冷与外部高温叠加形成的局部强温差效应。现场解体检查时发现的中压盘柜越靠近出风口部位凝露越严重的情况也验证了这一判断。此外,设备运行与停运时的温差同样不可忽视。设备运行时产生的热量及加热器的投用使其表面温度较高,而当设备停运后,表面温度迅速下降,这种快速温度变化进一步加剧了凝露形成。因此,环境温差通过改变空气的水汽饱和状态,为中压盘柜凝露现象的发生提供了必要条件。

3.2 湿度因素

核电厂一般位于沿海地区,环境湿度影响因素多样,而湿度与凝露形成之间存在密切关系。首先,空气流通是影响湿度的因素之一,尤其是在核电厂的厂房通风系统设计中,若未能充分考虑空气湿度控制,外部高湿空气可能进入设备区域,增加室内湿度水平。其次,水汽凝结也是湿度升高的重要原因。在核电厂运行过程中,冷却水系统、蒸汽排放等操作可能导致局部区域水汽含量增加,这些水汽在特定条件下可能凝结成液态水,进一步提高环境湿度。高湿度环境下,空气中水汽含量接近饱和状态,一旦遇到低温表面,如表面温度较低的中压盘柜,极易在其表面凝结形成凝露。因此,高湿度不仅是凝露形成的直接原因,也是中压盘柜凝露问题频发的重要推动因素。

3.3 管理因素

3.3.1厂房管理因素

附加电源配电盘厂房位于1号机组实保围栏外、土建阶段的2号机西侧,厂房外部环境恶劣,配电间的防火门未按照既定要求上锁,加之夏季酷暑难耐,施工人员频繁进出纳凉,导致外部湿热空气频繁侵入厂房内部。即使中压柜内部空间相对密闭,但这种结构在阻挡水汽侵入的同时,也使偶然进入的水汽滞留累积[7]。

3.3.2运行管理因素

查阅系统运行规程发现,在柴油机停运期间,运行人员将中压柜控制电空开全部断开,导致电加热器失去电源,直至下次附加柴油机启动时随综保装置一同启动,而柴油机的启动带载时间很短,这导致柜内水汽反复累积。此外,中压开关柜的一次电源与附件电源(二次控制电)来源不同,即便柜内加热器空开合闸,当加热器上游低压配电柜停役时,电加热器依然无法正常投运。电加热器防凝露本质上是提高空气的最大含水量来降低相对湿度,而当中压柜已处于冷凝水浸的情况下盲目投入加热器,将使柜内外温差进一步加大,导致柜内空气含水量与凝露量进一步升高。

同时,使用电加热器防凝露时整体加热效果不均的缺点叠加顶部强冷风直吹的环境因素将增大产生温度回差的风险,进一步加剧凝露[8]。

4 长期维护策略

4.1通风系统改造

核电厂附加电源中压盘柜所在厂房的通风系统在设计及运行过程中存在诸多不足,这些问题为凝露的形成提供了条件。例如,现有通风系统的气流分配与温度控制不合理,导致局部区域持续处于冷气环境,进而加剧了温湿度分布不均的现象。此外,出风口的数量与位置未能充分考虑设备在运行与备用时的热量分布特点,使得关键区域无法及时散热,从而形成较大的温差,促使凝露生成。针对上述问题,提出以下改造方案:首先,在盘柜内部及周围合理增加通风口,以增强空气流动能力;其次,优化气流组织,将盘柜上方的出风口调整至走廊过道,确保冷空气能够均匀覆盖高温区域,避免局部过热产生热岛效应。

4.2加强设备管理

为及时发现并处理潜在的凝露问题,制定科学合理的设备巡检计划至关重要。巡检计划应涵盖以下内容:一是定期检查中压盘柜内部是否存在积水、污垢或锈蚀现象,尤其是易受潮的关键部件;二是监测设备的绝缘性能,包括开展母线、断路器、互感器的绝缘电阻测试,以确保设备在长期运行过程中保持良好的电气性能。此外,还需对加热器投运情况进行全面跟踪,防止再次出现加热器非预期的长期失电。在巡检频率方面,建议每周进行一次常规巡检,重点关注厂房温湿度,每月对中压柜内部凝露情况进行一次深度检查,并根据实际运行环境适当调整频次。明确巡检责任人是保障计划有效执行的关键,责任人需经过充分培训,具备相关专业知识并建立完善的记录与反馈机制,以便及时分析和处理巡检中发现的问题。通过对设备运行状态的持续监测,可以尽早识别凝露隐患,及时干预,避免故障扩大化。

4.3环境监控与预警

在中压盘柜区域安装温湿度监测设备是实现环境参数实时监控的重要手段[9]。具体来说,可在盘柜内部、柜板布置高精度温湿度传感器,通过连续采集环境数据并利用无线通信技术上传至环境智能控制系统,建立一套完善的盘柜环境参数预警与调节体系,以气候季节性变化为基本框架,结合实时监测的温湿度数据动态调整。例如当监测到的相对湿度达到60%~65%且温度接近露点温度时,系统可触发预警信号,提示运维人员启用除湿设备或调整通风系统运行模式,从而实现精准调控。此外,预警系统还应具备历史数据存储与分析功能,通过对长期监测数据的挖掘,揭示温湿度变化的规律,为优化维护策略提供科学依据。

上述改造措施的实施,不仅可以从根源上预防凝露问题的发生,还能显著提高运维效率,为核电厂附加电源系统的安全稳定运行提供有力保障。

5 结束语

作为核电厂的关键组成部分,附加电源配电系统的稳定性直接关系到反应堆安全停堆及重要设备的保护能力。凝露浸水问题的成功解决,避免了因设备故障可能引发的电气事故,从而减少了核安全风险。此外,本文提出的长期维护策略为核电厂其他类似设备的管理提供了全面且有价值的参考,通过实施环境监控与预警机制,能够及时发现并处理潜在的凝露问题。核电厂运维人员需高度重视此类应急设备,加强风险分析,从而提升核电厂应对突发情况的能力,为核电机组的长期稳定运行奠定坚实基础。

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《机电信息》2025年第21期第16篇