何小明，于宏伟，王秋实

（中科华核电技术研究院 北京分院，北京 100086）

0 引言

在核电站的运行中，大量的1E级交流和直流断路器会被安装在可能发生故障的电气线路上，为关键性的安全性设备提供可靠稳定的电能，保证它们所提供的安全功能可靠运作，如反应堆的反应性控制、反应堆冷却系统控制、衰变热移除、安全壳的完整性等，这些功能是核电站的生命线。

随着服役时间的增加，这些断路器会逐渐出现老化失效情况，进而对核电站的运行造成威胁甚至出现停堆事故。我国核电经过20多年的发展，尤其在本世纪之初开始老化研究以来，针对核心核电设备开展了大量老化试验，并积累了一定的数据资源。但是对于断路器的老化研究和管理却较少，且相关数据匮乏。秦山核电站、大亚湾核电站所使用的断路器随着服役年限的增长，故障频率不断增加。对断路器展开全面的老化因素分析，针对核电站常用的断路器类型提出有效的预防性维护措施，有效预防故障的出现，提高电力系统运行的可靠性是非常有必要的。

1 断路器老化因素[1]

在断路器运行中，有多种因素会导致其老化。这些老化因素或单独的、或有相互联系的形成某个老化机理。下面将分析这些老化因素的老化机理以及其对断路器性能的影响。主要老化因素为[2]：高温（包括环境高温和断路器内部产生的高温）、电压、机械动作循环。其他的诸如湿气、烟尘、灰尘和其他污染物对断路器尽管不会产生直接的老化以影响，但是会放大和加剧老化因素对元器件功能性退化的影响。

2 断路器老化因素分析

2.1 高温因素影响

高温会导致断路器有机组件（如有机绝缘体、结构构件、润滑油）的热劣化。高温的产生因素主要是外界环境高温和断路器内部电路的导体电阻发热。

在核电站使用的断路器标准温度范围内，其外部环境的温度是可人为调节的，即其工作的外部环境温度会被限制在40℃。而在一年之中，大部分时间的温度在21.1℃～29.4℃之间。核电站的断路器也很少工作于极端温度环境下，因此外界环境的温度对于核电厂的断路器来说影响相对较小。

在大多数情况下，断路器的控制电路流过电流极小，能耗极低，因此，由控制电路产生的热量几乎没有。但是断路器的主电路会有相当大的电流流过，它是断路器内部热量产生的主要因素。高温会导致绝缘特性的降低，还会加速石油基润滑剂的蒸发。润滑剂用于断路器内部的轴承，润滑其动作及降低磨损。而对于那些无油润滑剂，它们所受到高温的影响相对要低一些。如果主电路的接线处（如断路器端子、电源总线连接处、电路断开处、主触头等）存在高阻态接触，那么电阻发热量就非常高了。高阻态连接会导致其周围绝缘材料的迅速老化。

2.2 电压因素影响

当电压幅值在断路器的额定等级范围时，电压对断路器元件造成的老化影响很小，但是当它与其他的老化因素（如湿气、烟尘、热老化等）联系起来后，其影响程度就无法忽视了。这些湿气、污垢等会在断路器的绝缘体（外壳、绝缘管等）表面形成一个导电通路，电源的两相或三相或相与地之间就会有电流流过。当然，在较为干燥的情况下，这样的导电通路有足够高的电阻，不会导致绝缘击穿。但是，当湿气较大时，就会产生漏电流，进而有电流流过的导电通路就会有电阻发热，蒸发水分。而电流没有瞬变的特性，在水分蒸发后，电流有一个保持不变的趋势，而此时水分蒸发后的漏电通路电阻较大，就会产生极大的热量。所以，在那些电阻较大，发热较多的地方，水分蒸发就较快，很容易出现灼烧现象，这种地方被成为“干燥带”。此过程的往复循环会加大其影响。若不加以清除，电弧路径和干燥带最终就会形成导电通路，导致绝缘性能失效。

热劣化后的绝缘体，当处于潮湿和污染物严重的环境下时，不仅表面绝缘特性会降低，其体积绝缘特性也会降低。因为热劣化后的绝缘体会变得脆化且易碎，漏电流在其表面形成的同时，很可能在在其内部也有通路，那么最终会发生击穿。合理的检查和维护能有效地查出绝缘体表面以及体积绝缘老化，避免击穿的发生。

2.3 机械动作循环因素影响

机械动作循环会随着动作次数的增加对断路器的组件及其功能产生影响，脱扣装置的一次机械动作循环是指一次脱扣和合闸的动作。每次机械动作循环都会产生一定的振动，振动会损伤断路器结构中的焊接点和操动机构，甚至产生机械疲劳。在大多数的情况下，焊接点以及操动机构是能够承受的机械动作循环次数要远远大于对其所需要的开断次数。振动还会导致断路器组件和操动机构的位移，增加了摩擦，进而导致机构的卡壳和锁死。机械动作循环会导致操动机构表面的磨损，特别是在润滑剂蒸发和硬化后，摩擦力的增大会加速磨损进而产生卡壳。

2.4 湿气、烟尘、灰尘和其他污染物的影响[3]

根据前面分析，湿气、污垢、污染物不会对断路器造成直接性的损害，但是会导致部件的性能退化。湿气和污垢在电压和热劣化因素的影响下，会造成绝缘体绝缘特性降低。不仅如此，湿气和污染物还会腐蚀断路器的金属外壳，使其整体结构变得松动，操动机构的动作性能也会受到影响。而且，若活动部件的表面存在污垢或杂质，就会使润滑剂僵化，加大了动作时的摩擦力，最终就会导致部件卡涩。灭弧槽的绝缘体表面出现的污垢，在断路器脱扣时就会形成漏电通路，最终导致绝缘失效。

3 塑壳型断路器的预防维护

通过上面对核电厂断路器老化因素的分析，针对大亚湾核电站低压运营中的塑壳型断路器提出了相应预防性维护措施。

3.1 常规维护方法介绍

1）维护周期

由于塑壳型断路器的封闭型设计，在正常服役寿命器件，只需要很少或几乎不用进行维护。因此，塑壳型断路器的预防性维护会根据其运行的环境的不同有所变化。锁扣机构表面累积的灰尘会影响断路器的机械动作，塑壳型断路器应该至少每1年执行一次机械动作循环。常规的脱扣测试则应该每3~5年执行一次。

2）常规维护测试

通过常规的维护测试，核电站维护人员就能够确定断路器是否能正确有效地执行其保护功能。以下测试需要将断路器从电力系统中拆卸下来。

①介电绝缘测试

用兆欧表测量断路器各极之间以及载流部分和地之间的绝缘性能。在断路器断开的情况下，测量每极两端（电源引线端和负载端）的阻抗。所测得阻抗值小于1MΩ时，则认为断路器绝缘特性不合格，应对断路器表面可能存在的污染物进行检查。

②单极电阻测试[4]

通过单极电阻测试能够发现断路器内部很多的异常状态，如触头腐蚀、触头表面污染物附着情况、内部电路连接松散等。根据断路器的额定电流等级，通过额定等级下的电流后，在每极两端所测得的电压或功耗应符合其出厂技术规格书的要求。

③接线端子检查[4]

检查断路器的接线端子，确定其线路连接处于良好状态，为发现过热或灼烧现象。若是发现有过热或灼烧引起的接线端子处变色或电弧灼烧现象，则应更换接线端子，清理连接处。

④过载脱扣测试[5]

对断路器的每极通以300%的连续额定电流，能够验证断路器的过载脱扣功能是否能正确动作。此测试重点是验证断路器在过载情况下是否能正确地自动脱扣，脱扣时间会随环境条件和测试条件的不同而变化。

⑤机械操作测试[6]

机械操作测试是操作操纵杆，进行分闸与合闸的操作，检查机械操作动作是否正常。

3.2 建立断路器的故障数据库

断路器的老化是一个比较缓慢的过程，而且其老化速率和故障的发生受到许多随机因素的影响。建立断路器的故障数据库有利于找出某一类断路器的故障特点，进而得出故障原因，对故障进行排查和预防。但是，对于轻微老化状态的断路器，此类断路器的各项性能指标都较好，故障发生率较少，而且其故障现象和故障原因常常无法通过常规的维护和测试手段查出，因此核电站的维护检修人员无法有效掌握断路器的老化状态，在维护时也容易出现误查和漏查情况，造成资源浪费以及留下故障隐患。核电站现有的常规维护和测试手段能较好的排查中度老化状态的断路器，但是性能下降的中度老化状态的断路器其实已经对核电站电力系统的运行造成了威胁，因为在中度老化状态形成之前，无法对断路器老化状态进行有效预测和排查。

建立断路器数据库能有效地跟踪断路器的老化状态，实现对断路器服役寿命的预测[7]。断路器的数据库除了包括故障数据以外，还应包括断路器的各项性能指标和可靠性数据。故障数据的作用主要是针对某一类型的断路器故障进行故障预防；性能指标数据则可以跟踪断路器的整个服役生命周期的工作状态，进而对断路器的服役寿命进行预测；可靠性数据则是对某一型号的所有断路器进行整体评估，量化此类型断路器的整体工作状态，为其整体维护工作提供参考依据。

4 结束语

通过对核电厂断路器主要老化因素进行分析，针对主要老化因素提出了塑壳型断路器相应的预防性维护措施。断路器的老化是一个比较缓慢的过程，而且其老化速率和故障的发生受到许多随机因素的影响。建立断路器的数据库能有效的跟踪断路器的老化状态，实现对断路器服役寿命的预测，为其整体维护工作提供参考依据。

[1]Life Cycle Management Plan for Circuit Breakers at Salem and Hope Creek Stations.EPRI Project Manager,Final Report,2003.

[2]AGING MANAGEMENT GUIDELINE FOR COMMERCIAL NUCLEAR POWER PLANTS-ELECTRICAL SWITCHGEAR,2000.

[3]Power Quality Predictive Maintenance (PQPM) Systems Application for Circuit Breakers and Reclosers.Technical Progress Report,2000.

[4]NEMA AB 4-2009 Guidelines for Inspection and Preventive Maintenance of Molded Case Circuit Breakers Used in Commercial and Industrial Applications.

[5]Molded Case Circuit Breaker Maintenance and Application Guide.NP-7410-V3,Revison1,1995.

[6]Inspection and Maintenance Guidelines for Circuit Breakers.L. van der Zel,2005.

[7]郭贤珊.断路器触头电寿命在线监测[J].高电压技术,1999.