AP1000核电站是美国西屋公司设计的先进压水堆核电站,它的防雷与接地系统可以分为五个方面,即核电厂接地网、系统接地、设备接地、仪表/计算机接地及防雷保护.防雷与接地系统分布范围极广,涉及电站所有构筑物与系统设备^{[1, 2]}.

与火力发电厂、变电站等常规厂站采用镀锌扁铁作为接地材料不同,核电厂接地网则采用裸铜缆作为接地材料^[3],从接地网、接地干线引入到设备接地也全部采用裸铜缆作为接地材料.接地材料间的连接,如铜缆与铜缆,铜缆与钢筋,模块、接地盘、钢结构之间的连接全部采用放热焊接^[4].

相对于扁铁,铜缆由于具有优越的导电性及耐腐蚀性,更适合用作电站的接地材料.但由于铜缆材料价格相对较高,焊接复杂且成本较高,使得铜缆接地仅仅在核电站以及少数基建项目中应用.由于国内铜缆接地项目的应用相对不普及,对接地系统施工的质量问题及解决措施的研究较少,因此,对核电站接地系统施工的技术改进过程进行分析研究意义重大.

放热焊接实质上是热化学反应,其化学反应方程式为

利用上述放热焊接原理,铜缆与接地部件之间通过放热焊接组成了一个遍布全厂范围的接地网络.施工中,相对于常规火电中接地扁铁采用电焊连接的方式,放热焊接要复杂,工程量要大很多^[5].放热焊接需要厂家定制各种模具,以适应不同的焊接连接类型,如:不同规格的铜缆连接,铜缆与钢筋连接、铜缆与钢结构连接.利用焊药在模具中瞬间爆炸、燃烧、热化学反应瞬间释放出巨大的热量,使接触部位的铜、铁迅速融化,达到紧密连接的效果^[6].

在放热焊接操作前,根据铜缆接头类型选择合适的模具和焊药.焊接前用热源(液化气罐加喷枪)烘烤模具和导体,确保将水分烘干,并使模具保持在一定温度,提高接头质量.焊接操作中需焊接的两铜缆处于放热焊接模具中,如图 1所示.焊药点火、爆炸燃烧如图 2所示.

图 1

Fig. 1

图 1 焊接操作 Fig. 1 Welding operation

图 2

Fig. 2

图 2 焊药点火、爆炸燃烧 Fig. 2 Welding compound ignite,explode,and burn

但接地施工后的一段时间中,现场出现了虚焊、脱焊等质量问题;此外,也出现了接地盘凹陷或凸出在墙体、楼板内等质量问题.图 3为脱落的钢筋焊接头,图 4为脱落的CV接地焊接.

图 3

Fig. 3

图 3 脱落的钢筋焊接头 Fig. 3 Detachment of welded joint for reinforcement bars

图 4

Fig. 4

图 4 脱落的CV接地焊接 Fig. 4 Detachment of welded joint for CV base

现场出现的接地盘凹陷、凸出于混凝土表面的现象,以及铜缆焊接头虚焊、脱焊等质量问题,不仅影响了现场的整洁美观,更重要的是影响了接地系统回路的可靠性和电气连续性,造成了在系统故障时,不能迅速排泄故障电流,也会因接地电阻增加导致系统故障状态或雷击时接地点电压升高,对设备与人身安全造成重大威胁.

现场技术人员针对上述问题,组织相关人员进行了分析研究.接地盘与混凝土表面不平齐,其主要原因在于混凝土倾倒、振捣等所导致的接地盘偏移;而对于铜缆焊接头虚焊、脱焊等质量问题其形成原因比较复杂.可以从质量管理“人、机、料、法、环”五要素的角度,对接地施工整个过程以及对施工人员、队伍、施工组织管理等方面进行深入分析^[7],结果发现:

(1) 人员因素:施工人员不按照作业程序操作,施工技术交底不到位,施工组织管理不到位,接地施工培训不到位,施工人员责任心不强.

(2) 施工机具因素:焊接机具使用不当,焊接模具更换不及时,放热焊接设备清理不干净.

(3) 施工材料因素:焊药保管不当,焊药储存箱密封不严,导致焊药受潮;焊接前加热模具的液化气供应压力低,供应量不足.

(4) 施工工艺、方法因素:焊接打磨强度不够,打磨后清理不干净;焊接面预加热不足,预热时间短,以及模具与待焊材料预热未同步进行.

(5) 环境因素:环境温度低,湿度较大,雨天施焊作业.

为改善现场接地施工质量,解决接地盘、接地电缆虚焊,脱焊等问题,按照质量问题出现的各种原因,逐一采取改进措施.

(1) 人员因素:可以通过健全组织机构,明确人员职责分工,加强各级人员的技能培训等管理手段减少人为失误.

(2) 施工机具因素:需注意焊接设备使用后的清理,尤其是焊接模具,应严格按照相关规定,在达到规定的使用次数后及时更换.

(3) 施工材料因素:对施工材料,特别是焊药的保管,需确保储存条件达到厂家技术要求.可以采用密封塑料箱储存焊药,防止受潮.在焊接发放时做到按需发放.

(4) 施工工艺、方法因素:必须改进施工方法,特别是焊接面的清理要彻底,预热要充分,这对改善焊接接头虚焊、脱焊至关重要.

(5) 环境因素:需严格控制作业环境,不能因施工进度压力而违规操作.

施工单位和作业人员在严格采取以上改进措施后,后续施工中出现的接地电缆虚焊、脱焊问题大幅减少,改进措施取得了良好效果.

对于接地盘凹陷、凸出于混凝土表面的质量问题,虽然可以通过混凝土墙体深度打磨,或者重新涂抹混凝土墙面等措施加以完善,但是,在一定程度上仍会造成现场不美观,另外,也会增加工程量.因此,在混凝土浇筑前,提前采取固定接地盘的改进措施,防止因混凝土倾倒、振捣、碰撞等因素导致接地盘移位,以便更好地满足现场要求.在AP1000核电依托项目现场,技术人员采用以独立支撑结构固定接地盘的技术措施,有效防止了接地盘的偏移.

施工人员在接地盘周围竖向放置4根直径不小于12 mm的钢筋,将其绑扎在楼板的主体钢筋上,底部与楼板底模可靠接触(保证接地盘不会下沉);再将水平钢筋与竖向4根钢筋焊接形成一个钢筋支架,防止松动、歪斜;根据标高控制点用另外2根水平钢筋托住接地盘底部,利用水平尺调整接地盘顶面水平后将这两根钢筋焊接在钢筋支架上.

固定好接地盘后,用方形木板盖在接地盘表面,木板和接地盘用螺栓固定,防止灰浆灌入螺栓孔,同时还能防止接地盘受到污染和损坏.最后,紧贴木板上表面压实放置1根钢筋,并与钢筋支架中成对角的2根竖向钢筋焊接,同时另外成对角的2根竖向钢筋也用1根短钢筋焊接连接,增加了钢筋支架的稳定性,避免了因混凝土浇筑活动导致接地盘偏移.

由于接地系统分布极广,遍布核电站的所有构筑物与设备,需要焊接的铜缆头、接地盘数量巨大,焊接次数达到上万次以上.假设以每次放热焊接的平均成本为100元进行保守计算,可以预见采取优化改进措施后,取得的经济效益十分显著.

本文针对核电站接地系统施工中出现的问题的产生原因,进行了深入分析,特别对铜缆接头虚焊、脱焊问题提出了改进措施.对于接地盘浇筑后出现的凹陷、凸出于混凝土表面等问题,也提供了解决方案.采取管理及技术改进措施后,取得了良好的技术效果和经济效益.