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    高溫氣冷堆氦氣環境中電氣設備絕緣設計研究

    發布日期:2018-03-20 來源: 本網 查看次數: 58036 

    核心提示:  容量模塊化建造,引起了廣泛關注。由于氦氣化學穩定性好,傳熱性能好,目前正在運行和準備建造的高溫氣冷堆(HTR)均采用氦氣作為冷卻劑。對氦氣基本特性的深人研究和正確認識,是高溫氣冷堆設計和建造的前提

      容量模塊化建造,引起了廣泛關注。由于氦氣化學穩定性好,傳熱性能好,目前正在運行和準備建造的高溫氣冷堆(HTR)均采用氦氣作為冷卻劑。對氦氣基本特性的深人研究和正確認識,是高溫氣冷堆設計和建造的前提和基礎。

      科學界和工業界對氦氣的物理和熱工特性認識較為深人,但對氦氣的絕緣特性研究較少,更缺乏與工程設計相結合的實踐經驗。

      HTR中,很多電氣設備都工作在氦氣環境中,確保其絕緣結構的有效性也是HTR研究和設計的重要課題。與壓水堆不同的是,氦風機和氦氣透平發電機等大型電氣設備均置于壓力殼內部,因此,為貫穿壓力殼而設置的高壓電氣貫穿件,就成了電氣設備絕緣設計的重點和難點。

      M.A.Hassouba等測量了不同電極材料下,氦氣擊穿電壓的變化,并認為二次放電是引起這種變化的重要原因;R.A.Haaarrnan等2研究了低溫氦氣和氮氣在沖擊過電壓情況下的擊穿特性;RMeats.在不同的測試條件下,氦氣擊穿電壓的*低值基本維持在150200V.氦氣化學性質比空氣穩定,但在電場中卻更容易發生電氣擊穿,絕緣特性比空氣差。在溫度相同的條件下,當氦氣的壓力從667Pa增加到80000Pa時,氦氣的絕緣強度從200V/cm近似線性地增加到1空氣的壓力從80Pa增加到267Pa時,空氣的絕緣強度從350V/cm遞增到5驗表明,在相同的試驗條件下,氦氣的*小擊穿電壓為150200V,而空氣為330V.電壓/kV在相同溫度(150°C)和壓力(1MPa)下,空氣和氦氣氛圍中估算得到的絕緣距離列于表1,二者相差約20倍。

      表1氦氣與空氣絕緣距離比較絕緣距離/mm 2絕緣距離估算的基本方法在HTR電氣系統中,若任意相鄰兩導體之間的*高電壓確定,則可根據巴申曲線得到該電壓下的氣體密度與極間距離的乘積;。

      其中,環境氣體的密度P與電氣設備的運行溫度、環境壓力等參數相關;及間距離表示在密度為P的氦氣氛圍中任意兩個帶電導體或導體與接地外殼之間的距離,該參數直接影響到電氣設備絕緣結構的設計。

      以HTR氦氣透平發電系統中電機經貫穿件的導線為例,電機輸出電壓為10.5kV,根據氦氣的巴申曲線得10.4X10―3gmm/cm3.電機腔室的溫度為65C,氦氣*低的運行壓力為0.1MPa,則電機腔室中氦氣(視為理想氣體)密度p=0.14X10-3g/cm3,線間絕緣距3氦氣氛圍中絕緣設計需關注的問題絕緣距離HTR的中壓貫穿件穿過壓力殼時氦氣側裸露的接線端子處*容易發生電氣擊穿或放電。按上述方法估算兩種類型反應堆貫穿件的絕緣距離(表2)。貫穿件必須通過介電強度試驗和雷電沖擊試驗的檢驗。對于某壓水堆的電氣貫穿件,在壓力為0. 1MPa、溫度為50C的空氣環境中,如果要求在95kV的雷電沖擊電壓下不發生電氣擊穿,估算得到的線間絕緣距離應為36. 7mm.綜合考慮各影響因素及工程實際裕量,實際設計的電氣貫穿件的線間絕緣距離為231mm.而對于某高溫氣冷堆,在溫度和壓力條件基本相同的氦氣環境下,估算得到線間絕緣距離則為703. 2mm,約為壓水堆的20倍。因此,在氦氣環境下電氣設備需更長的絕緣距離,需尋求新的絕緣結構或采取新的技術措施。

      表2兩種類型反應堆中壓動力貫穿件絕緣距離估算結果比較電壓/kV絕緣距離/mm壓水堆G=50°C)高溫堆G=65°C)35(介電試驗)95(雷電沖擊)注:括號內為實際設計距離3.2氣體壓力在電氣設備的絕緣設計中,氣體的密度和絕緣距離是相互制約的。如果電氣設備工作環境的氣體密度較小,為保證在相同的工作電壓下不發生電氣擊穿,則需較大的極間距離。如果極間距離受到絕緣結構設計的限制,則需對系統的運行參數進行調整,甚至使整個系統不能運行在所要求的理想工作狀態下。

      在南非的球床模塊高溫氣冷堆(PBMR)中,由于受到絕緣結構設計和工業制造水平的限制,極間距離不能增大,在其運行過程中要求“充裝量調節的下限需保證正常運行時電機腔室壓力(動力透平出口)高于1MPa,否則就會出現飛弧、擊穿等現象”。如果電極腔室的壓力降低,則對應巴申曲線上氦氣的擊穿電壓就會降低,從而使得電機的輸出電壓高于擊穿電壓。另外,由于正常工作壓力高于0. 1MPa,在電機腔室發生失壓事故時,如果不采取措施,系統中的壓力會在瞬間降低到0. 1MPa,可能發生電氣擊穿,所以,對南非的高溫氣冷堆進行了雙重考慮。

      需說明的是,上述定量分析只是巴申定律在理想情況下的簡單應用。實際電氣設備是不均電場,氣體放電現象的發展比較復雜,電極形狀、電極材料、氣體的雜質和濕度等因素的影響較為突出,在絕緣結構設計時,需綜合考慮各種因素的影響。

      3.3電氣設備的絕緣設計及檢驗氦氣較差的絕緣特性對氦氣環境下電氣設備的絕緣設計提出了更高要求,對氦氣絕緣特性的研究有助于氦氣條件下的電氣絕緣設計。

      定電壓高于200V的電氣設備在絕緣設計中須采取措施避免發生電氣擊穿。

      其次,氦氣對電氣設備絕緣材料的滲透,特別是在壓力頻繁波動時會引起絕緣材料的損壞,所以,對絕緣材料的選擇和工藝提出更高的要求。

      *后,電氣設備的絕緣結構應接受*嚴酷的環境條件下的檢驗。以壓水堆為例,安全殼電氣貫穿件35kV介電強度試驗及95kV雷擊過電壓試驗均在常壓常溫的空氣環境中完成。這對于以氦氣作為環境氣體的高溫氣冷堆不適用,目前尚無專門針對氦氣氛圍中電氣設備絕緣結構的驗收準則和試驗方法,需深人研究和探討。

      3.4氦氣雜質的影響在研究氦氣氛圍中電氣設備的絕緣設計時,還需考慮氦氣中雜質含量的影響。10MW高溫氣冷堆的氦氣中需控制的雜質及許可含量<6X10-6g/L.這些雜質的存在將對氦氣的絕緣特性產生很大影響,特別是在放射性環境下,微量的放射性雜質將直接影響氦氣的絕緣性。另外,氦氣回路中固體顆粒及其他腐蝕產物也會降低氦氣的絕緣性能。

      4結論氦氣的電氣擊穿特性服從巴申定律,其巴申曲線呈U形,擊穿電壓存在*小值,不同試驗條件下得到的氦氣的*小擊穿電壓為150200V.當電氣設備的額定電壓低于該值時可不作特殊考慮。

      在氦氣氛圍下的電氣設備絕緣設計中,氦氣的壓力和絕緣距離相互制約,需綜合考慮二者的限制和影響。

      氦氣的絕緣強度明顯低于空氣,所以,氦氣氛圍下電氣設備絕緣結構的設計原則和驗收準則應該根據實際運行環境進行深人研究確定。

      氦氣對絕緣材料的高滲透性也是引起電氣設備絕緣結構失效的一個重要原因,應引起重視,并進一步進行深人試驗研究。

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