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高温气冷堆氦气环境中电气设备绝缘设计研究

发布日期:2018-03-20 来源: 本网 查看次数: 5125 作者:admin

核心提示:  容量模块化建造,引起了广泛关注。由于氦气化学稳定性好,传热性能好,目前正在运行和准备建造的高温气冷堆(HTR)均采用氦气作为冷却剂。对氦气基本特性的深人研究和正确认识,是高温气冷堆设计和建造的前提

  容量模块化建造,引起了广泛关注。由于氦气化学稳定性好,传热性能好,目前正在运行和准备建造的高温气冷堆(HTR)均采用氦气作为冷却剂。对氦气基本特性的深人研究和正确认识,是高温气冷堆设计和建造的前提和基础。

  科学界和工业界对氦气的物理和热工特性认识较为深人,但对氦气的绝缘特性研究较少,更缺乏与工程设计相结合的实践经验。

  HTR中,很多电气设备都工作在氦气环境中,确保其绝缘结构的有效性也是HTR研究和设计的重要课题。与压水堆不同的是,氦风机和氦气透平发电机等大型电气设备均置于压力壳内部,因此,为贯穿压力壳而设置的高压电气贯穿件,就成了电气设备绝缘设计的重点和难点。

  M.A.Hassouba等测量了不同电极材料下,氦气击穿电压的变化,并认为二次放电是引起这种变化的重要原因;R.A.Haaarrnan等2研究了低温氦气和氮气在冲击过电压情况下的击穿特性;RMeats.在不同的测试条件下,氦气击穿电压的最低值基本维持在150200V.氦气化学性质比空气稳定,但在电场中却更容易发生电气击穿,绝缘特性比空气差。在温度相同的条件下,当氦气的压力从667Pa增加到80000Pa时,氦气的绝缘强度从200V/cm近似线性地增加到1空气的压力从80Pa增加到267Pa时,空气的绝缘强度从350V/cm递增到5验表明,在相同的试验条件下,氦气的最小击穿电压为150200V,而空气为330V.电压/kV在相同温度(150°C)和压力(1MPa)下,空气和氦气氛围中估算得到的绝缘距离列于表1,二者相差约20倍。

  表1氦气与空气绝缘距离比较绝缘距离/mm 2绝缘距离估算的基本方法在HTR电气系统中,若任意相邻两导体之间的最高电压确定,则可根据巴申曲线得到该电压下的气体密度与极间距离的乘积;。

  其中,环境气体的密度P与电气设备的运行温度、环境压力等参数相关;及间距离表示在密度为P的氦气氛围中任意两个带电导体或导体与接地外壳之间的距离,该参数直接影响到电气设备绝缘结构的设计。

  以HTR氦气透平发电系统中电机经贯穿件的导线为例,电机输出电压为10.5kV,根据氦气的巴申曲线得10.4X10―3gmm/cm3.电机腔室的温度为65C,氦气最低的运行压力为0.1MPa,则电机腔室中氦气(视为理想气体)密度p=0.14X10-3g/cm3,线间绝缘距3氦气氛围中绝缘设计需关注的问题绝缘距离HTR的中压贯穿件穿过压力壳时氦气侧裸露的接线端子处最容易发生电气击穿或放电。按上述方法估算两种类型反应堆贯穿件的绝缘距离(表2)。贯穿件必须通过介电强度试验和雷电冲击试验的检验。对于某压水堆的电气贯穿件,在压力为0. 1MPa、温度为50C的空气环境中,如果要求在95kV的雷电冲击电压下不发生电气击穿,估算得到的线间绝缘距离应为36. 7mm.综合考虑各影响因素及工程实际裕量,实际设计的电气贯穿件的线间绝缘距离为231mm.而对于某高温气冷堆,在温度和压力条件基本相同的氦气环境下,估算得到线间绝缘距离则为703. 2mm,约为压水堆的20倍。因此,在氦气环境下电气设备需更长的绝缘距离,需寻求新的绝缘结构或采取新的技术措施。

  表2两种类型反应堆中压动力贯穿件绝缘距离估算结果比较电压/kV绝缘距离/mm压水堆G=50°C)高温堆G=65°C)35(介电试验)95(雷电冲击)注:括号内为实际设计距离3.2气体压力在电气设备的绝缘设计中,气体的密度和绝缘距离是相互制约的。如果电气设备工作环境的气体密度较小,为保证在相同的工作电压下不发生电气击穿,则需较大的极间距离。如果极间距离受到绝缘结构设计的限制,则需对系统的运行参数进行调整,甚至使整个系统不能运行在所要求的理想工作状态下。

  在南非的球床模块高温气冷堆(PBMR)中,由于受到绝缘结构设计和工业制造水平的限制,极间距离不能增大,在其运行过程中要求“充装量调节的下限需保证正常运行时电机腔室压力(动力透平出口)高于1MPa,否则就会出现飞弧、击穿等现象”。如果电极腔室的压力降低,则对应巴申曲线上氦气的击穿电压就会降低,从而使得电机的输出电压高于击穿电压。另外,由于正常工作压力高于0. 1MPa,在电机腔室发生失压事故时,如果不采取措施,系统中的压力会在瞬间降低到0. 1MPa,可能发生电气击穿,所以,对南非的高温气冷堆进行了双重考虑。

  需说明的是,上述定量分析只是巴申定律在理想情况下的简单应用。实际电气设备是不均电场,气体放电现象的发展比较复杂,电极形状、电极材料、气体的杂质和湿度等因素的影响较为突出,在绝缘结构设计时,需综合考虑各种因素的影响。

  3.3电气设备的绝缘设计及检验氦气较差的绝缘特性对氦气环境下电气设备的绝缘设计提出了更高要求,对氦气绝缘特性的研究有助于氦气条件下的电气绝缘设计。

  定电压高于200V的电气设备在绝缘设计中须采取措施避免发生电气击穿。

  其次,氦气对电气设备绝缘材料的渗透,特别是在压力频繁波动时会引起绝缘材料的损坏,所以,对绝缘材料的选择和工艺提出更高的要求。

  最后,电气设备的绝缘结构应接受最严酷的环境条件下的检验。以压水堆为例,安全壳电气贯穿件35kV介电强度试验及95kV雷击过电压试验均在常压常温的空气环境中完成。这对于以氦气作为环境气体的高温气冷堆不适用,目前尚无专门针对氦气氛围中电气设备绝缘结构的验收准则和试验方法,需深人研究和探讨。

  3.4氦气杂质的影响在研究氦气氛围中电气设备的绝缘设计时,还需考虑氦气中杂质含量的影响。10MW高温气冷堆的氦气中需控制的杂质及许可含量<6X10-6g/L.这些杂质的存在将对氦气的绝缘特性产生很大影响,特别是在放射性环境下,微量的放射性杂质将直接影响氦气的绝缘性。另外,氦气回路中固体颗粒及其他腐蚀产物也会降低氦气的绝缘性能。

  4结论氦气的电气击穿特性服从巴申定律,其巴申曲线呈U形,击穿电压存在最小值,不同试验条件下得到的氦气的最小击穿电压为150200V.当电气设备的额定电压低于该值时可不作特殊考虑。

  在氦气氛围下的电气设备绝缘设计中,氦气的压力和绝缘距离相互制约,需综合考虑二者的限制和影响。

  氦气的绝缘强度明显低于空气,所以,氦气氛围下电气设备绝缘结构的设计原则和验收准则应该根据实际运行环境进行深人研究确定。

  氦气对绝缘材料的高渗透性也是引起电气设备绝缘结构失效的一个重要原因,应引起重视,并进一步进行深人试验研究。

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