核電站用1E級(K3類)電纜相關(guān)標準的討論

王 巖

(江蘇新遠程電纜有限公司，江蘇宜興214251)

1 我國核電站與核電站用電纜的簡介

目前，我國核電站建設(shè)已進入了快速發(fā)展的時期。據(jù)有關(guān)文獻報道，預(yù)計到2020年底，中國運行和在建的核電機組將會有100套左右。核電站用電纜用量的大量增加使之成為電纜制造業(yè)爭相開發(fā)的一個品種，國內(nèi)許多企業(yè)對開發(fā)核電站用電纜表現(xiàn)出濃厚的興趣。

本文所述的核電站用電纜實際上是指核電站用1E級電纜。根據(jù)目前使用工況，我國又將其分為:K1、K2、K3等三類。核電站使用的電纜有普通電站用的常規(guī)電纜和能滿足核電站特殊運行工況要求的所謂核電站用1E級電纜。1E級電纜的生產(chǎn)在我國實施許可證管理，獲證單位必須具有該類產(chǎn)品的設(shè)計能力。

目前國際上民用核電站的主要類型有兩種，即:壓水堆(PWR)型核電站和沸水堆(BWR)型核電站。兩者的最大區(qū)別在于:在PWR型核電站中，推動汽輪機組葉輪轉(zhuǎn)動的蒸汽是通過將堆芯產(chǎn)生的熱量經(jīng)換熱器加熱而得到，電站的汽輪機設(shè)備作為正常區(qū)域?qū)Υ?而在BWR型核電站中，是直接使用堆芯產(chǎn)生的蒸汽來推動汽輪機組葉輪的轉(zhuǎn)動，電站的汽輪機設(shè)備則是作為放射性管理區(qū)域來對待。

我國運行和在建的商用核電站幾乎全部采用PWR型。

PWR型核電站的核島由反應(yīng)堆廠房和反應(yīng)堆輔助廠房組成，在此完成蒸汽的產(chǎn)生和輸送。1E級電纜就應(yīng)用在這些廠房內(nèi)。

2 有關(guān)核電站用電纜的主要規(guī)范及分類

由于我國核電事業(yè)起步較晚，目前還是在對世界的先進技術(shù)消化、創(chuàng)新的過程中，至今還沒完成有關(guān)核電站用電纜標準的制定。在2008年，我國參考了IEEE 383—2003《核電站用1E級電纜和接頭質(zhì)量鑒定》［1］、IEEE 323—2003《核電站用 1E 級設(shè)備質(zhì)量鑒定》和RCC-E《壓水堆核電站核島電氣設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》等標準，制定和頒布了 GB 22577—2008《核電站用1E級電纜 通用要求》，其后續(xù)相關(guān)標準正在制定中。國內(nèi)各企業(yè)在研發(fā)該類產(chǎn)品過程中，也主要參考IEEE 383—2003和RCCE。

目前世界各國核電站機組數(shù)量和核電發(fā)電容量位居世界前三位的是美、法、日等三個國家;世界三大主要核電設(shè)備制造商集團也是由這三個國家的公司組成。

美國是最早制訂有關(guān)核電站用電纜鑒定規(guī)范的國家，其標準系列為IEEE 383。IEEE于1974年公布首版IEEE Std 383—1974《核電站用1E級電纜、接頭、連接的型式經(jīng)驗》［2］，2003年將其修訂為IEEE Std 383—2003《核電站用1E級電纜和接頭質(zhì)量鑒定》。

IEEE 383是關(guān)于輕水堆核電站(含PWR型核電站和BWR型核電站)用1E級電纜質(zhì)量鑒定的原則、方式、方法的指導性文件，是對IEEE 323標準在有關(guān)1E級電纜方面的補充和具體化。1E級的定義源自美國IEEE 323/383標準，是指核電站內(nèi)電氣設(shè)備和系統(tǒng)的安全級別。1E級設(shè)備和系統(tǒng)是在緊急情況下所必須工作的設(shè)備和系統(tǒng)，如反應(yīng)堆急停、安全殼隔離和堆芯應(yīng)急冷卻等系統(tǒng)。IEEE 383涵蓋的產(chǎn)品使用范圍為:核島安全殼內(nèi)(但不包括壓力容器內(nèi))的1E級設(shè)備用電線電纜和1E級設(shè)備內(nèi)部用電線電纜。IEEE 383將1E級電纜分為需要或不需要做模擬冷卻劑跑失事故(LOCA)試驗共兩種。

日本未制訂自己的核電站用電纜產(chǎn)品標準，目前執(zhí)行的規(guī)范是參照IEE 383—1974。日本將這類電纜定義為:在核電站內(nèi)，安全上重要的構(gòu)筑物及設(shè)備系統(tǒng)(簡稱:安全系)使用的各種電纜。涵蓋的產(chǎn)品使用范圍為:輕水堆核島安全殼內(nèi)(但不包括壓力容器內(nèi))的安全系用電線電纜。日本也將1E級電纜分為需要或不需要做LOCA試驗共兩種。

法國的RCC-E是國內(nèi)各廠家經(jīng)常參照的法國文件。顧名思義，RCC-E《壓水堆核電站核島電氣設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》是一份關(guān)于壓水堆核電站核島部分的電氣設(shè)備設(shè)計和建造的指針。電纜作為電氣設(shè)備的一員，其相關(guān)的要求也包括在這一規(guī)則中。法國的RCC-E將1E級設(shè)備定義為:為電站安全履行保護功能的設(shè)備。同時提出了K類分級的概念:

K3質(zhì)量鑒定程序。用于保證安裝在安全殼以外的設(shè)備在正常環(huán)境條件下和在地震荷載下以及對某些設(shè)備所規(guī)定的事故環(huán)境條件下能夠執(zhí)行其規(guī)定的功能;

K2質(zhì)量鑒定程序。用于保證安裝在安全殼內(nèi)的設(shè)備在正常環(huán)境條件下和在地震荷載下仍能夠執(zhí)行其規(guī)定的功能;

K1質(zhì)量鑒定程序。用于保證安裝在安全殼內(nèi)的設(shè)備在正常、事故/或事故后環(huán)境條件下和在地震荷載下仍能夠執(zhí)行其規(guī)定的功能。

RCC-E在涵蓋的產(chǎn)品使用范圍上比IEEE 383有了拓展，增加了對使用在安全殼以外的產(chǎn)品要求。

GB 22577—2008《核電站用1E級電纜 通用要求》也將核電站用1E級電纜分為三類:

K3類電纜。為安裝在安全殼外，通過K3類質(zhì)量鑒定程序驗證其具備在正常環(huán)境條件下和在地震荷載下，以及在對一些設(shè)備項規(guī)定的事故條件下能完成其規(guī)定功能的電纜;

K2類電纜。為安裝在安全殼內(nèi)或者安全殼外對輻射有要求的場合，通過K2類質(zhì)量鑒定程序驗證其具備在正常環(huán)境條件下和在地震荷載下能完成其規(guī)定功能的電纜;

K1類電纜。為安裝在安全殼內(nèi)，通過K1類質(zhì)量鑒定程序驗證其具備在正常環(huán)境條件、地震荷載下以及在事故環(huán)境下和(或)事故后能完成其規(guī)定功能的電纜。

3 國外標準(規(guī)范)對K3類電纜有關(guān)試驗的規(guī)定

3.1 IEEE 383標準

IEEE 383將1E級電纜分為需要或不需要做LOCA試驗共兩種;抗地震和阻燃是1E級電纜的通用要求。如果將不需要做LOCA試驗的電纜鑒定程序去除有關(guān)輻射試驗的內(nèi)容，就可以認為是符合IEEE要求的，即我們所說的1E級(K3類)電纜鑒定程序。

符合IEEE 383標準要求的1E級(K3類)電纜應(yīng)該滿足以下幾點要求:

(1)滿足IEEE 383—1974中第2.3.1條規(guī)定的8個電纜產(chǎn)品標準中的某一個要求;

(2)電纜成品試驗要通過:

①熱老化前、后的阻燃試驗。試驗方法為:開關(guān)柜電纜和同軸類電纜要符合UL VW-1的要求，其它類電纜要符合IEEE Std 1202—1991《IEEE Standard for Flame Testing of Cables for Use in Cable Tray in Industrial and Commercial Occupancies》或 NEPA 262—2002《Standard Method of Test for Flame Test Travel and Smoke of Wires and Cables for Use in Air Handing Spaces》的規(guī)定。

②熱老化試驗(鑒定壽命不低于40年)。試驗結(jié)果采用彎曲浸水耐壓試驗來驗證。

3.2 日本的相關(guān)規(guī)范

日本有關(guān)機構(gòu)組織專業(yè)人員經(jīng)過驗證得出結(jié)論:熱老化和輻射老化對電纜的燃燒性能無可見影響，所以日本規(guī)范規(guī)定只做老化前的阻燃試驗。

滿足日本規(guī)范的，即我們所述的1E級(K3類)電纜應(yīng)該是:

(1)滿足相應(yīng)電纜產(chǎn)品標準要求;

(2)電纜成品試驗要通過:

①熱老化前的阻燃試驗。試驗方法應(yīng)符合IEEE Std 383—1974的規(guī)定(到2009年的3月份，日本對于安全系電纜的阻燃試驗方法還未作改動)。

②熱老化試驗(鑒定壽命不低于40年)。試驗結(jié)果采用彎曲浸水耐壓試驗來驗證。

3.3 RCC-E標準

RCC-E已有中文版，標準中有明確的描述。RCC-E和IEEE 383—2003都明確指出:要求一個質(zhì)量保證體系來控制1E級電纜的設(shè)計、鑒定、生產(chǎn)質(zhì)量等，以確保公共事業(yè)的安全。這就是我們在電纜的設(shè)計制造過程中所必備的質(zhì)量保證體系。

4 對1E級(K3類)電纜幾項試驗的分析

4.1 阻燃試驗

IEEE 383—1973第1.3.4.2.2節(jié)將燃燒事件定為1E級電纜DBE中的一項要求。IEEE 383—1973規(guī)定的1E級電纜垂直成束燃燒試驗類似于GB/T 18380中C級阻燃的規(guī)定。也許可以說當今世界的電纜垂直成束燃燒試驗標準起源于IEEE 383—1973。

IEEE 383—1973中對于電纜試樣根數(shù)的規(guī)定較為簡單，即:電纜單層垂直排列，排列的間隙為試樣電纜外徑的1/2倍，排列總寬不小于150mm。

4.2 熱老化試驗的邊界確定

熱老化試驗的邊界如何確定，是大家非常感興趣的問題。IEEE 383提出可以用阿累尼烏斯方程或其它經(jīng)過證明可行的方法由計算得出，以加快老化試驗的進程。日本學者認為:在復(fù)雜配方的電纜用絕緣、護套等材料中，對于由多種化學反應(yīng)和物理變化共同作用而形成的老化過程，用阿累尼烏斯方程來定量反映還有一些需要探討的問題。

IEEE 383是一個非強制的、開放性的標準，它兼收并蓄了社會上各種成熟的觀點，指出質(zhì)量鑒定可以使用幾種不同的方法進行，是一份質(zhì)量鑒定指針性質(zhì)的文件，具有極大的靈活性。它明確表明:文件中所給出的參數(shù)僅是一般情況，對于具體項目的工況參數(shù)所需的試驗用參數(shù)還需業(yè)主和供方直接確定。就交聯(lián)聚乙烯絕緣材料的40年熱老化試驗來講，目前所見的不同邊界條件，按化學原理分析可推出數(shù)十倍的壽命差距，顯然這里還有一些事宜需要探討。畢竟實踐經(jīng)驗是這一問題的最好的解答。

4.3 耐地震試驗

耐地震試驗似乎沒有體現(xiàn)在上面所述的鑒定試驗中。IEEE 383—2003第6.4.4.1節(jié)《Post-design basis event simulation test》中闡述電纜的彎曲浸水耐壓試驗的目的就是為了驗證:經(jīng)過苛刻試驗后的電纜依然保持一定的柔順性能，在經(jīng)受一定的運動(movement)和振動(vibration)后，仍然具有電纜的使用功能。也許，這就應(yīng)該是關(guān)于電纜的耐地震試驗。

5 結(jié)束語

核電站用電纜因市場需求必定是電纜行業(yè)發(fā)展的一個重要品種，透徹的分析1E級(K3類)電纜性能要求是開發(fā)1E級電纜的基礎(chǔ)。GB 22577—2008明確規(guī)定:我國1E級電纜的質(zhì)量鑒定將采用型式試驗的方法。對于1E級(K3類)電纜的試驗項目、程序、要求的確定就尤為重要。在此提出自己的學習體會，衷心地希望能夠得到各位同仁的批評指正。

［1］IEEE Std 383—2003《IEEE Standard for Qualifying Class 1E E-lectric Cables and Field Splices for Nuclear Power Generating Stations》［S］.

［2］IEEE Std 383—1974《IEEE Standard for Type Test of Class 1E E-lectric Cables，F(xiàn)ield Splices，and Connections for Nuclear Power Generating Stations》［S］.