环氧树脂浇注封闭母线具有良好的电气、力学、散热性能，既可有效解决核电厂变压器低压侧金属共箱封闭母线设备凝露导致绝缘下降的问题，又可有效解决长距离中压电缆输配电造成的电容电流超限问题。中广核集团中广核核电运营有限公司的冯玉辉、高超，在2022年第9期《电气技术》上撰文，结合近年来浇注封闭母线在核电厂运行过程中发生的绝缘降低或失效案例，对浇注封闭母线绝缘缺陷的现场查找方法进行总结，同时给出浇注封闭母线绝缘薄弱点及技术改进措施。
国内核电厂220kV以下电力变压器（辅助电力变压器、厂用电力变压器）大部分采用金属共箱封闭母线出线后经长距离中压电缆的方式与6.6kV电源系统相连。在沿海高热、高湿、高盐的海洋气候下，电力变压器金属共箱封闭母线内的支撑绝缘子及中压电缆头等区域易出现凝露或受潮现象，通常情况下可采用压缩空气微正压干燥或电辅助加热的方式进行缓解。某核电厂两台辅助变压器低压侧曾多次出现绝缘低报警，打开金属母线出线仓进行检查发现，内部有较严重的凝露情况；后其中一台辅助变压器发生由于金属母线出线仓电缆头受潮而导致的电缆绝缘对地击穿事件，造成该变压器低压侧出现近区短路，同时给核电机组的安全可靠运行带来了严重影响。为保证核电厂核安全电源供电的可靠性及连续性，某核电站6.6kV中压电源系统采用中性点不接地方式，以保证系统在发生单相接地时仍可短时间带负荷运行。该核电厂6台机组辅助电源系统需接入同一220kV双电源开关站，若按照参考电站设计就意味着需要使用大规模的长距离大截面中压交联聚乙烯电缆进行中压供电网络组网。通过对系统单相接地电容电流进行核算发现，其单相接地电流存在超限情况，为确保核电中压安全电源的稳定性，确保供电可靠性，需要寻找替代中压电缆的合适产品。在DL/T 5153—2014《火力发电厂厂用电设计技术规程》中提到，当厂用电系统接地电容电流大于7A时，其中性点可采用不接地方式。通常在厂用电系统发生单相接地故障时，将产生高达3～3.5倍额定电压值的过电压，若系统电容电流过大将会伴随着弧光过电压的产生，会直接影响电气设备健康状态，甚至造成对设备运行寿命的不可逆影响。当较大的运行电流通过电气设备时，将在电气设备上产生热和力的效应。受电阻损耗、涡流损耗、介质损耗等因素的综合影响，电气设备的运行温度会显著提升；同时受电动力的影响，会造成电气设备振动、形变甚至故障。为解决以上问题，经过系统分析与论证，某核电项目采用环氧树脂浇注封闭母线（简称浇注母线）取代交联聚乙烯电缆。以国内某火电厂为例，其10kV中压厂用电系统采用电缆直接埋地方式进行供电，在投运20多年后，部分电缆外皮已有多处腐蚀破损，电缆屏蔽绝缘电阻为零。历次大修期间都对电缆进行开挖修补，但由于部分电缆埋设位置特殊，无法开挖修补，电缆屏蔽绝缘缺陷迟迟得不到有效解决。鉴于浇注母线的优良特性，该火电厂决定在大修期间将原有的电缆全部改造为浇注母线。1 浇注母线介绍通常200MW及以上机组的中压厂用回路采用共箱封闭母线结构，浇注母线具有优良的技术性能和较好的经济性，其安装通道需求与电缆相近，可行性较高。瑞士、德国核电厂均有中压浇注母线的应用，共箱母线与浇注母线参数性能对比见表１。表１ 两种母线参数性能对比三相一体式全浇注式中压母线采用环氧树脂（epoxy）与火山岩等多种惰性无机矿物按照特定比例充分搅拌混合并经真空排气后，一次性对金属母线导体直接浇注而成。为了进一步提高浇注母线对地主绝缘，在浇注母线下方均匀布置绝缘底座，浇注母线结构如图1所示。图1 浇注母线结构环氧树脂绝缘材料具有良好的介电绝缘性、热固化性、耐化学腐蚀性等优点，与火山岩等惰性无机矿物按比例充分混合后，具备高绝缘性、高防潮性、高防爆性等优良特性，根据混合材料的物理化学特性分析，其还具备良好的耐燃性与自熄性等特点。由于浇注母线具有优越的电气性能、力学性能、良好的散热性能及优秀的防水防尘性能，采用浇注母线可以很好地解决使用共箱封闭母线与交联聚乙烯电缆所带来的仓内凝露和单相接地电流超限问题，且浇注母线有多种结构形式，敷设布置灵活，浇注母线安装敷设示意图如图2所示。从母线布置空间需求上分析，其满足地下电气廊道的敷设条件，可完美替代交联聚乙烯电缆。图2 浇注母线安装敷设示意图由于浇注母线固体绝缘浇注材料的热膨胀系数与铜材料热膨胀系数比较接近，在温度不发生剧烈变化的情况下，通过一次性浇注成型的绝缘母线出现开裂或微小裂纹的情况很少发生，可以有效保证绝缘可靠性及整体机械强度。但由于浇注环节中材料配比不当或施工工艺控制不严，在母线的绝缘层中形成裂纹的案例也偶有发生。当较大运行电流通过浇注母线时，电阻损耗导致母线导体产生热量，并通过热量传导的方式逐步传递到包裹母线导体的绝缘材料，在一定程度上缓解了浇注母线发生绝缘受潮的风险。经寿命评估与加速老化试验测试，浇注母线运行寿命可达50年以上，不需要开展复杂的运维管理工作，只需在停电窗口进行表面清洁及绝缘测试工作即可。2 缺陷处理方法随着浇注母线技术的不断成熟与推广，目前国内多个在运核电厂已采用浇注母线产品并已投运数年。但由于此类产品的应用规模较小，工程应用案例也不是非常丰富，近年来设备缺陷仍时有发生，相关运维管理经验仍在不断摸索和积累中。2.1 浇注母线裂纹缺陷某核电厂1号机组厂用配电盘系统至1、2号机组6.6kV共用配电盘系统（9LGIA和9LGIB）母线采用浇注母线结构，其电气参数见表2。浇注母线送电后在6.6kV辅助配电盘系统9LGJ侧实测的单相最大空载电流为0.9A，浇注母线一直带电正常运行至辅助开关站停电检修。表2 浇注母线基本电气参数检修期间恰逢现场多日暴雨，浇注母线所在地下廊道多处渗水，个别区域渗水量较大，甚至有雨水直接从未封堵的检修吊装口流进廊道浇淋在浇注母线表面上。试验人员对浇注母线进行绝缘测量时发现，1、2号机组6.6kV辅助配电盘系统（9LGJ）至1号机组6.6kV厂用配电盘系统（1LGB）浇注母线B相对地绝缘电阻仅为6MΩ，远低于其他两相绝缘电阻及系统首次送电时母线绝缘测量值（636MΩ）；次日再次对浇注母线进行测量，B相绝缘电阻仍为6MΩ。初步判断雨水淋湿浇注母线后，潮气随裂纹浸入母线引起绝缘异常，如何排查及确定浇注母线裂纹的位置成为母线能够及时恢复送电及后续安全可靠运行的关键。浇注母线裂纹缺陷的查找方法较多，如目视检查法、超声波检测法、紫外成像法、耐压试验法、淋水试验法等。其中目视检查法是浇注母线裂纹查找的首选方法，母线上较为明显的裂纹易通过目视检查发现，但该方法存在以下问题：浇注母线多位于地下廊道区域，空间有限且照明条件一般较差，不利于进行目视检查；为提高浇注母线的散热能力,在其相间垂直方向上设置有孔洞，使相间孔洞处存在检查死区，对于较小裂纹肉眼无法轻易发现。超声波检测法需在母线带电运行期间或停运期间结合耐压试验、脉冲冲击试验开展绝缘缺陷查找，但要做到对远距离放电点的精准定位和定量分析仍存在一定的难度，在母线裂纹查找方面存在不足。紫外成像技术只有在母线带电尤其是较大运行电流的情况下，才能发现局部放电点，且需要特殊的紫外成像检测仪器。经分析并对比实际应用效果，推荐采用耐压试验法和淋水试验法查找浇注母线裂纹故障点。浇注母线的外壳是全封闭的绝缘材料，通过耐压试验的方法查找母线裂纹的关键在于使母线导体部分与裂纹、外壳、大地构成放电回路。母线的裂纹可能存在于母线外表各处，因而需要将母线外表全面与大地构成导电回路。总结此次裂纹查找过程，考虑试验成本及试验周期，淋水试验方法可将母线裂纹与大地构成导电回路，易于查找裂纹缺陷点。9LGJ至1LGB浇注母线B相绝缘测量值已严重下降，说明母线裂纹已形成绝缘薄弱点，当耐受电压升高时裂纹处可能因绝缘能力降低而产生闪络或发出放电声。为更有效地查找母线放电位置，将耐压试验安排在夜间，当交流耐压装置施加电压升至13kV时，某段浇注母线明显观察到放电弧光，经仔细检查发现，某母线直线段相间浇注部位有裂纹如图3所示，且裂纹所在母线处恰被雨水淋湿。对母线裂纹所在处进行吹干处理后，再次测量母线绝缘电阻为296MΩ，相比之前测得的绝缘值明显提升。通过浇注母线裂纹打磨、浇注修补完成绝缘缺陷处理，处理后母线绝缘测量结果合格。图3 浇注母线相间浇注部位裂纹此外，淋水试验法对现场浇注母线裂纹缺陷查找也有较好的应用效果。首先选取2～3个间隔的浇注母线段，使用2500V兆欧表对干燥状态的浇注母线进行绝缘测试，然后用喷雾方法或浇水的方法将母线表面均匀润湿，也可采用金属箔或湿布包覆母线与支架间的方法人为制造出电流泄漏通道。需要对母线表面进行多次均匀润湿，在确保湿气从母线裂纹缺陷处充分浸入后对润湿状态的浇注母线进行绝缘测试，对母线润湿前后的绝缘状态进行比较分析；当绝缘电阻明显下降时，可怀疑该相母线存在绝缘缺陷并开展进一步的试验验证。将海绵用铜丝环绕几圈后与兆欧表的负极相连，浇注母线伸缩节铜排与兆欧表的正极相连；将充分吸水后的海绵在浇注母线疑似绝缘缺陷区域表面前后来回移动，期间持续在正负极间施加1000V的直流电压，在母线缺陷处会形成电流通道并使绝缘电阻快速下降。通过这种淋水试验方法准确查找出现场多起浇注母线绝缘缺陷。2.2 浇注母线伸缩节短路某核电厂1号机组9LGJ003JA开关跳闸，地下廊道内有烟雾冒出，并触发火警信号。电流保护装置001XI电流速断保护三相动作。经查看故障录波装置，确定1、2号机组共用的中压交流电源系统9LGJ至1号机组厂用配电系统（LGC）浇注母线（电压等级为6.6kV）B、C两相短路故障，两相短路故障所产生的弧光导致其快速发展为三相短路故障，故障电流达29000A，超过9LGJ003JA电流速断保护定值25942A，保护正确动作跳开开关切除故障。经现场检查，故障点定位在浇注母线伸缩节处，伸缩节处铜母排已被电弧烧熔，伸缩节外护罩已崩裂，如图4所示。该浇注母线热稳定电流为80kA/3s，本次冲击电流在承受范围内，对母线设备无影响。图4 浇注母线伸缩节短路考虑到需吸收长距离浇注母线在功率运行期间热胀冷缩产生的伸缩量，在母线直线段设置多个伸缩节（当浇注母线直线段≥40m时，须至少设置1个伸缩节），伸缩节部位采用绝缘热缩材料热缩铜母排的方式。浇注母线伸缩节根部构成以无机矿物混合固体绝缘材料、交联聚烯烃热缩材料及空气介质等复合材料组成的绝缘结构，此处的电场畸变现象较明显，电场梯度极不均匀。浇注母线相间根部的绝缘距离较短，虽然正常情况下能满足绝缘要求，但由于不均匀电场、潮湿、积尘等多因素综合影响，此处的击穿电压会随之下降，在母排处易发生击穿、闪络等现象，因此众多伸缩节成为整个浇注母线绝缘系统中的薄弱环节。在获取浇注母线相间短路的类似案例反馈后，厂家对伸缩节绝缘结构进行改进优化，原伸缩节母排外绝缘等级由原来的25kV提升至35kV，且通过增加相间绝缘伞裙的结构加大相间绝缘爬距，以提高伸缩节相间沿面闪络电压，降低污闪概率，伸缩节绝缘结构优化如图5所示；同时在母排包裹工艺上消除根部的气隙，生产工艺改进后大大提升了浇注母线伸缩节部位相间绝缘强度。现场对已投运的旧型号浇注母线伸缩节通过涂刷室温硫化硅橡胶（RTV）防污闪材料、粘贴U形PVC成型伞裙的方式增强伸缩节绝缘性能，有效降低伸缩节对地或相间放电的风险。伸缩节的相间放电故障均可等效为均匀电场中的沿面放电模型，根据实测结果发现，受潮的固体介质叠加介质表面电阻分布不均、表面伤痕及生产瑕疵等情况，其沿面闪络电压比环境良好的固体沿面闪络电压低得多。原设计中，伸缩节相间沿面爬电距离为两相铜排间的沿浇注面直线距离；在伸缩节相间沿浇注面增加绝缘伞裙后，相间爬电距离可增大为原来的2倍。同时配合RTV防污闪材料的使用，伸缩节相间固体介质沿面的憎水性及防潮性能得到有效改善，可提高伸缩节相间沿面闪络电压，降低污闪概率。图5 伸缩节绝缘结构优化3 结论浇注母线绝缘性能优越、环境适应性强、运维管理成本低等特点，为核电行业中压电源网络的配置增加了一种实现方案。但由于浇注母线技术在国内引入时间不长，应用经验不够丰富，仍存在一定的局限性，需要长期的运行数据来验证沿海地区高热、高湿、高盐环境对母线绝缘性能和使用寿命的影响，现场技术人员需关注母线的日常检查与维护，及时发现和有效消除母线运行中存在的安全隐患问题。同时，随着浇注母线现场运维经验和浇注母线厂家设计制造经验的不断积累，以及产品质量工艺的不断改进提升，相信越来越多的核电厂会在设计建设阶段选用浇注母线产品，也为在运核电厂中压电缆的中长期替代改造提供了有效的技术方案。本文编自2022年第9期《电气技术》，论文标题为“环氧树脂浇注封闭母线在核电行业的应用”，作者为冯玉辉、高超。
