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        容量模塊化建造，引起了廣泛關(guān)注。由于氦氣化學(xué)穩(wěn)定性好，傳熱性能好，目前正在運(yùn)行和準(zhǔn)備建造的高溫氣冷堆（HTR）均采用氦氣作為冷卻劑。對(duì)氦氣基本特性的深人研究和正確認(rèn)識(shí)，是高溫氣冷堆設(shè)計(jì)和建造的前提和基礎(chǔ)。

  科學(xué)界和工業(yè)界對(duì)氦氣的物理和熱工特性認(rèn)識(shí)較為深人，但對(duì)氦氣的絕緣特性研究較少，更缺乏與工程設(shè)計(jì)相結(jié)合的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

  HTR中，很多電氣設(shè)備都工作在氦氣環(huán)境中，確保其絕緣結(jié)構(gòu)的有效性也是HTR研究和設(shè)計(jì)的重要課題。與壓水堆不同的是，氦風(fēng)機(jī)和氦氣透平發(fā)電機(jī)等大型電氣設(shè)備均置于壓力殼內(nèi)部，因此，為貫穿壓力殼而設(shè)置的高壓電氣貫穿件，就成了電氣設(shè)備絕緣設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

  M.A.Hassouba等測(cè)量了不同電極材料下，氦氣擊穿電壓的變化，并認(rèn)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?dú)庠跊_擊過(guò)電壓情況下的擊穿特性；RMeats.在不同的測(cè)試條件下，氦氣擊穿電壓的最低值基本維持在150200V.氦氣化學(xué)性質(zhì)比空氣穩(wěn)定，但在電場(chǎng)中卻更容易發(fā)生電氣擊穿，絕緣特性比空氣差。在溫度相同的條件下，當(dāng)氦氣的壓力從667Pa增加到80000Pa時(shí)，氦氣的絕緣強(qiáng)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(shí)，空氣的絕緣強(qiáng)度從350V/cm遞增到5驗(yàn)表明，在相同的試驗(yàn)條件下，氦氣的最小擊穿電壓為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(tǒng)中，若任意相鄰兩導(dǎo)體之間的最高電壓確定，則可根據(jù)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(huán)境氣體的密度P與電氣設(shè)備的運(yùn)行溫度、環(huán)境壓力等參數(shù)相關(guān)；及間距離表示在密度為P的氦氣氛圍中任意兩個(gè)帶電導(dǎo)體或?qū)�體與接地外殼之間的距離，該參數(shù)直接影響到電氣設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

  以HTR氦氣透平發(fā)電系統(tǒng)中電機(jī)經(jīng)貫穿件的導(dǎo)線為例，電機(jī)輸出電壓為10.5kV，根據(jù)氦氣的巴申曲線得10.4X10―3gmm/cm3.電機(jī)腔室的溫度為65C，氦氣最低的運(yùn)行壓力為0.1MPa，則電機(jī)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(shè)計(jì)需關(guān)注的問(wèn)題絕緣距離HTR的中壓貫穿件穿過(guò)壓力殼時(shí)氦氣側(cè)裸露的接線端子處最容易發(fā)生電氣擊穿或放電。按上述方法估算兩種類型反應(yīng)堆貫穿件的絕緣距離（表2）。貫穿件必須通過(guò)介電強(qiáng)度試驗(yàn)和雷電沖擊試驗(yàn)的檢驗(yàn)。對(duì)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(huán)境中，如果要求在95kV的雷電沖擊電壓下不發(fā)生電氣擊穿，估算得到的線間絕緣距離應(yīng)為36. 7mm.綜合考慮各影響因素及工程實(shí)際裕量，實(shí)際設(shè)計(jì)的電氣貫穿件的線間絕緣距離為231mm.而對(duì)于某高溫氣冷堆，在溫度和壓力條件基本相同的氦氣環(huán)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(huán)境下電氣設(shè)備需更長(zhǎng)的絕緣距離，需尋求新的絕緣結(jié)構(gòu)或采取新的技術(shù)措施。

  表2兩種類型反應(yīng)堆中壓動(dòng)力貫穿件絕緣距離估算結(jié)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(yàn)）95（雷電沖擊）注：括號(hào)內(nèi)為實(shí)際設(shè)計(jì)距離3.2氣體壓力在電氣設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)中，氣體的密度和絕緣距離是相互制約的。如果電氣設(shè)備工作環(huán)境的氣體密度較小，為保證在相同的工作電壓下不發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，則需對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，甚至使整個(gè)系統(tǒng)不能運(yùn)行在所要求的理想工作狀態(tài)下。

  在南非的球床模塊高溫氣冷堆（PBMR）中，由于受到絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工業(yè)制造水平的限制，極間距離不能增大，在其運(yùn)行過(guò)程中要求“充裝量調(diào)節(jié)的下限需保證正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)腔室壓力（動(dòng)力透平出口）高于1MPa，否則就會(huì)出現(xiàn)飛弧、擊穿等現(xiàn)象”。如果電極腔室的壓力降低，則對(duì)應(yīng)巴申曲線上氦氣的擊穿電壓就會(huì)降低，從而使得電機(jī)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(jī)腔室發(fā)生失壓事故時(shí)，如果不采取措施，系統(tǒng)中的壓力會(huì)在瞬間降低到0. 1MPa，可能發(fā)生電氣擊穿，所以，對(duì)南非的高溫氣冷堆進(jìn)行了雙重考慮。

  需說(shuō)明的是，上述定量分析只是巴申定律在理想情況下的簡(jiǎn)單應(yīng)用。實(shí)際電氣設(shè)備是不均電場(chǎng)，氣體放電現(xiàn)象的發(fā)展比較復(fù)雜，電極形狀、電極材料、氣體的雜質(zhì)和濕度等因素的影響較為突出，在絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮各種因素的影響。

  3.3電氣設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)氦氣較差的絕緣特性對(duì)氦氣環(huán)境下電氣設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)提出了更高要求，對(duì)氦氣絕緣特性的研究有助于氦氣條件下的電氣絕緣設(shè)計(jì)。

  定電壓高于200V的電氣設(shè)備在絕緣設(shè)計(jì)中須采取措施避免發(fā)生電氣擊穿。

  其次，氦氣對(duì)電氣設(shè)備絕緣材料的滲透，特別是在壓力頻繁波動(dòng)時(shí)會(huì)引起絕緣材料的損壞，所以，對(duì)絕緣材料的選擇和工藝提出更高的要求。

  最后，電氣設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)應(yīng)接受最嚴(yán)酷的環(huán)境條件下的檢驗(yàn)。以壓水堆為例，安全殼電氣貫穿件35kV介電強(qiáng)度試驗(yàn)及95kV雷擊過(guò)電壓試驗(yàn)均在常壓常溫的空氣環(huán)境中完成。這對(duì)于以氦氣作為環(huán)境氣體的高溫氣冷堆不適用，目前尚無(wú)專門針對(duì)氦氣氛圍中電氣設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)的驗(yàn)收準(zhǔn)則和試驗(yàn)方法，需深人研究和探討。

  3.4氦氣雜質(zhì)的影響在研究氦氣氛圍中電氣設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)時(shí)，還需考慮氦氣中雜質(zhì)含量的影響。10MW高溫氣冷堆的氦氣中需控制的雜質(zhì)及許可含量<6X10-6g/L.這些雜質(zhì)的存在將對(duì)氦氣的絕緣特性產(chǎn)生很大影響，特別是在放射性環(huán)境下，微量的放射性雜質(zhì)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(chǎn)物也會(huì)降低氦氣的絕緣性能。

  4結(jié)論氦氣的電氣擊穿特性服從巴申定律，其巴申曲線呈U形，擊穿電壓存在最小值，不同試驗(yàn)條件下得到的氦氣的最小擊穿電壓為150200V.當(dāng)電氣設(shè)備的額定電壓低于該值時(shí)可不作特殊考慮。

  在氦氣氛圍下的電氣設(shè)備絕緣設(shè)計(jì)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(qiáng)度明顯低于空氣，所以，氦氣氛圍下電氣設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和驗(yàn)收準(zhǔn)則應(yīng)該根據(jù)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行深人研究確定。

  氦氣對(duì)絕緣材料的高滲透性也是引起電氣設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)失效的一個(gè)重要原因，應(yīng)引起重視，并進(jìn)一步進(jìn)行深人試驗(yàn)研究。