1E级低压抽出式成套开关柜的结构设计

纪桂强

（广东正超电气有限公司，广东汕头 515041）

0 引言

核电是一种技术成熟的清洁能源，与火电相比，核电不排放二氧化硫、烟尘、氮氧化物和二氧化碳。以核电替代部分火电，不但可以减少煤炭的开采、运输和燃烧总量，而且是电力工业减排污染物的有效途径、是减缓全球温室效应的重要措施。我国核电已经进入积极稳妥发展的新时期，当前中国在运和在建核电规模总计4 875万千瓦，根据核电发展相关规划，到2020年核电运行装机容量将达到5 800万千瓦，在建3 000万千瓦。

1E级低压抽出式成套开关设备（下简称：1E级低压柜）安装于核电厂核岛厂房内，负责对核电厂安全系统供电，是完成核电厂反应堆安全停堆、安全壳隔离、堆芯冷却以及从安全壳和反应堆排出热量，以及防止反射性物质向环境过量排放所必需的重要设备；若1E级低压柜在假设始发事件（PIE）时失效，可能导致严重后果，如堆芯熔化、大量放射性物质大量向环境释放等[1]。核电工业属于高技术产业，其中核电设备设计与制造的技术含量高、质量要求严，由于国内能设计、生产核电厂1E级低压柜并通过质量鉴定的厂家很少，导致市场份额基本为被ABB、Schneider等跨国企业或其合资公司垄断。

根据国内外市场现状、结合现有基础条件，研制1E级低压柜具有重大的意义。

1 功能要求

目前，国内外低压成套开关设备元器件和配套件品种齐全，在设计过程中，需要合理选择和配置元器件，优化产品机械结构，确保设备在核电厂运行工况（包括正常条件、异常工况），以及在设计基准事件（地震事件）下执行其预定的功能，同时，当设备运行期间发生内部故障电弧时，也须确保设备周围运行人员的人身安全。有鉴于此，1E级低压柜需具备下列功能[2]：

（1）主回路能承受运行电压和瞬态过电压；

（2）断路器和设备能关合、承载和开断运行规定的负荷电流；

（3）断路器和设备能关合、承载和开断运行规定的短路或异常电流；

（4）在正常、异常工况下，主回路元器件只有在规定的指令下可靠动作；

（5）保护器件、控制和辅助系统应能支持主回路的功能特性；

（6）在地震载荷下，开关设备应能执行1～5点功能；

（7）当开关设备发生内部故障电弧时，确保周围运行人员人身不受伤害。

2 结构设计

根据设备鉴定试验项目、安装、运行和维护等方面要求，需对1E级低压柜结构进行综合评估和优化，主要考虑下列几点。

2.1 产品温升

按照核电厂用户要求，开关柜额定分散系数比GB 7251.1-2005的第4.7条[3]规定高一档，同时，母线连接处的温升极限比GB/T 24274-2009的第7.10条低20 K；因此，1E级低压柜的通风散热是结构设计的重点。

成套开关设备的发热现象与热源和传热两个方面有关。对1E级低压柜来说，热源主要由开关设备内部载流导体的损耗和电接触损耗产生；传热主要考虑对流和辐射两个方面。

从下列几个方面解决1E级低压柜发热问题。

2.1.1 发热抑制措施

内部发热问题是成套开关设备的重要问题，如果开关设备内部发热问题解决得不好，将导致开关设备内部器件绝缘材料加速老化，可能导致绝缘件绝缘性能劣化，甚至出现开裂、碎化现象，从而引发内部短路故障，造成设备损坏和停电事故等重大事故。根据阿伦纽斯定律可推算出：有机材料工作温度每升高10℃，有机材料的寿命将缩短一半（即10℃规则），如果有机材料工作温度升高20℃，有机材料的寿命将为原来的1/4；因此，开关设备内部发热问题直接影响设备的安全运行和寿命。

主回路所产生的热量与流过该回路的电流和回路总电阻成正比（P=I×R），回路总电阻包括导体本身的电阻和电接触电阻，因此，减少主回路总电阻是减少设备内部发热量最有效方法之一，可采取下列措施：

（1）采用高纯度铜母线或铜导线；

（2）相同截面积的母线，尽可能采用周长大的规格，以减少母线的集肤效应对母线载流量的影响。

导体与元器件连接螺栓的拧紧力矩严格按照元器件使用说明书或产品标准要求，导体与导体连接螺栓的拧紧力矩严格按照表1要求，防止由于过大的拧紧力矩导致导体接触不良。

表1 母线搭接面螺栓的拧紧力矩

2.1.2 提高导体耐热性

银的电阻率和硬度都小，低温时不易氧化，高温时银的化合物又很容易还原成金属银，且银的氧化物电阻率也低。为了提高主回路导体的运行允许温升，主回路导体搭接面如经过镀银处理，其允许温升比裸铜高至少10 K。

2.1.3 提高设备散热效果

1E级低压柜主要从下列几个措施提供设备的散热效果：

（1）由于不同颜色导体的辐射系数不同，因此，母线表面刷色漆可提高散热效果，刷漆后的铜母线与裸露的铜母线相比较，在相同条件下，温升可降低20%～35%；

（2）在开关设备的外壳开通风孔，在柜体内部形成烟囱效应，可明显降低设备内部温升。

2.2 抗地震性能

地震事件作为核电厂和缓环境下唯一设计基准事件[4]，抗地震性能对于1E级低压柜来说是重点的考核项目。1E级低压柜需有足够的机械强度，保证能承受5次运行基准地震（OBE）和1次安全停堆地震（SSE）；在地震期间，1E级低压柜必须可靠执行其预期功能；试验后，1E级低压柜结构不能出现裂痕，螺栓不能有出现松动脱落现象，柜体结构无变形和损伤[4]。因此，抗地震性能是1E级低压柜最关键指标之一。

开关柜是否具有强的抗地震性能，外壳机械强度是影响设备抗地震性能的关键因素，开关柜外壳具有足够的机械强度，是设备抗地震性能的基本保障；此外，由于各功能单元采用接插连接结构，其抗震动能力最差，抽屉单元的可靠锁定是开关设备具有抗地震性能的重要因素。

通过下列措施提高1E级低压柜的抗地震性能。

（1）柜体框架采用焊接形式[6]，保证设备有足够机械强度和尺寸精度。

目前，国内绝大多数开关设备的框架采用三角连接器连接而成，由于震动过程中，连接器根部容易发生变形或断裂，使柜体框架变形甚至解体。1E级低压柜框架连接采用插接定位，该连接形式具有以下优点：

立柱和横梁均采用优质钢板经数控机床折弯成G字型材，具备很高的机械强度；

各零件之间的配合设计为插接定位，具备极高的配合精度；

（2）抽屉单元设计专用的锁定机构，防止抽屉单元在震动过程中发生位移或脱离现象[6]。

抽屉锁定机构（图1）是由Z字型定位件、抽屉底板定位槽、抽屉单元两侧导轨和涡轮推进机构组成的定位系统，其中，Z字型定位件和抽屉单元底板定位槽实现抽屉单元的左右方向的定位，并与导轨实现上下方向限位，涡轮推进机构除实现抽屉单元的推进功能外，也提供对抽屉单元的前后方向的限位作用。通过实施本定位机构，可防止在地震期间，抽屉单元可能发生X-Y-Z方向移位。

图1 抽屉锁定机构

2.3 耐内部故障电弧

封闭式低压成套开关设备内产生电弧伴随着各种物理现象，例如：电弧产生的能量将引起内部压力升高和局部过热，将造成成套设备的机械应力和热应力；此外，涉及到的材料可能产生热蜕变，以气体或蒸汽形式释放到壳体外部。由于电弧产生的高压热气体对外部释放，如开关设备没有采取有效的防护措施，可能对设备周围的运行人员及设备造成损伤。对于核电用户，耐内部故障电弧性能验证是1E级低压柜的重要试验项目[5]。因此，必须通过优化产品机械结构，使1E级低压柜具备耐内部故障电弧能力。

由于封闭开关设备的异常环境或工作条件导致绝缘性能劣化，或由于闭锁措施不完善导致人员误操作，最终引发开关设备内部故障电弧。如开关设备没有采取有效的防护措施，可能对设备周围的运行人员及设备造成损伤。对于1E级低压柜来说，可以考虑的方法如下：

（1）增加设备外壳厚度，提高其抗电弧能力；

（2）提高设备外部盖板（门板）的密封性能；

（3）柜体配置合理的压力泄放通道，减少内部气压；

（4）提高隔室之间的相对独立性，减少隔室之间相互影响。

若采用第一种方法，增加板材厚度，对设备耐电弧能力有明显提高，设备重量增大，对设备抗地震性能不利；若采用第二种方法，由于设备外壳密封性提高，设备对流散热效果差，导致内部温升增大；若采用最后一种方法，如过于考虑减少隔室之间相互影响，隔室隔板不开对流通风孔，将导致隔室过于密闭，影响抽屉单元对流散热效果，导致温升过高，因此，1E级低压柜主要从电弧合理泄放角度来实现产品的耐内部电弧能力，在设计上采用下列措施：

抽屉隔室设计泄压通道，实现抽屉单元发生短路故障时的压力释放，防止电弧从抽屉单元面板释放而导致对周围运行人员的伤害；

设备顶部设置的泄压装置，当柜顶母线发生内部故障电弧时，柜内气压升高，泄压装置会自动打开，释放压力和排出气体，以确保周围运行人员和开关设备的安全；

门板内侧设置挡板，防止发生短路故障时，电弧从门缝泄放。

3 总结

通过对国内外核电建设标准体系（法国RCC-E标准和美国IEEE标准）的研究，结合我国目前核电建设实际情况及国内试验单位检测能力，1E级低压柜应满足设备温升、具备抗地震性能及耐内部故障电弧等方面的特殊要求。在进行设备结构设计时，应分别采取对应的措施，优化开关柜结构，使1E级低压柜具备了良好的散热效果、抗地震和耐内部故障电弧能力，满足1E级低压柜的功能要求。

［1］IEEE 323-2003.IEEE Standard for Qualifying Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations［S］.

［2］RCC-E法国核岛电气设备设计和监造规则［S］.

［3］GB 7251.1-2005.低压成套开关设备和控制设备第一部分：型式试验和部分型式试验成套设备［S］.

［4］GB/T 13625-1992.核电厂安全系统电气设备抗震鉴定［S］.

［5］GB/Z 18859-2002.封闭式低压成套开关设备和控制设备在内部故障引起电弧情况下的试验导则［S］.

［6］陈炎亮.1E级低压抽出式开关柜质量鉴定和设计要点［J］.低压电器，2010（16）：42-44.