第三代核電站用電纜絕緣熱壽命試驗研究

王怡瑤， 賀金紅， 陳媚玉， 武宇波， 魏瑩瑩， 范克儉

(上海電纜廠有限公司，上海200093)

0 引言

AP 1000是美國西屋公司開發(fā)的第三代百萬千瓦級壓水堆核電機組，與二代核電技術(shù)有顯著區(qū)別。AP 1000通過采用非能動專設(shè)安全系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可靠性，簡化系統(tǒng)，并采用模塊化建造技術(shù)縮短建造周期，以此來達到核電廠安全性和經(jīng)濟性的有機協(xié)調(diào)。第三代核電站用電纜的運行壽命要求60年［1］，遠遠高于二代核電40年的要求，其所用的絕緣材料，除了要具備良好的電氣性能和機械物理性能，更要具備優(yōu)良的長期耐熱性能。因此，開展第三代核電站電纜絕緣60年熱壽命評定試驗研究是十分必要的。

1 試驗原理

電纜絕緣所采用的高分子材料，在一定溫度范圍內(nèi)熱老化時大多符合化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的熱老化壽命方程，即阿累尼烏斯(Arrehenius)線性關(guān)系［2］:

式中，τ為產(chǎn)品在溫度T條件下的工作壽命;T為工作溫度(絕對溫度K);a、b為與材料熱老化本質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。

利用這一原理，選擇無鹵低煙阻燃輻照交聯(lián)聚烯烴為絕緣材料，將其試樣暴露在高于預(yù)估溫度指數(shù)的至少3個、最好是4個老化溫度下進行熱老化試驗。通過測定試樣老化后的評定性能來確定試樣的終點時間，得到終點時間的對數(shù)和熱力學(xué)老化溫度之間的阿累尼烏斯方程，繪制熱壽命曲線，得到90℃下無鹵低煙阻燃輻照交聯(lián)聚烯烴絕緣的使用壽命。

2 試驗方法

有關(guān)熱壽命評定試驗方法主要有UL 746B、IEEE Std 98、IEC 60216和GB/T 11026(等同于IEC 60216)。通過研究比較可以看出:它們之間的最大差異在于對熱老化試驗用的老化烘箱的技術(shù)要求有所不同［3］，UL 746B和IEEE Std 98方法中所要求的老化烘箱為強迫通風(fēng)，速率為100～200次/h，而GB/T 11026(IEC 60216)方法中所要求的老化烘箱為自然通風(fēng)，通風(fēng)速率為5～20次/h。根據(jù)現(xiàn)有條件，本項研究確定以GB/T 11026為試驗依據(jù)。

3 試驗程序

3.1 評定性能的確定

所選的性能應(yīng)盡可能反映材料在實際應(yīng)用中的功能。作為熱壽命評定的性能參數(shù)應(yīng)與產(chǎn)品實際損壞的性能有關(guān);應(yīng)與熱老化的時間與溫度顯示明顯的關(guān)系;在一定溫度范圍內(nèi)應(yīng)與熱老化的關(guān)系是均勻而不突變的。不同材料的熱壽命評定的性能參數(shù)是不完全相同的，而每種材料的熱壽命也會隨選擇的評定性能不同而有所不同。

根據(jù)積累的試驗經(jīng)驗以及 GB/T 11026.2—2000中推薦的聚烯烴(包括交聯(lián)聚乙烯)的評定性能，確定斷裂伸長率為本次熱壽命評定試驗中的評定性能。

3.2 終點指標(biāo)的確定

選擇終點最好能反映絕緣材料劣化的程度。GB/T 11026.2—2000標(biāo)準推薦用性能原始值的50%作為首選終點，來評價耐熱特征參數(shù)。如果原始值的50%終點沒有實際意義，則可按次選的終點即用性能原始值的25%作為終點來評價耐熱特征參數(shù)，使其更適合材料的應(yīng)用和功能。

本試驗采用性能原始值的50%作為聚烯烴絕緣的壽命終點指標(biāo)。

3.3 試樣的制備

老化試驗用試樣應(yīng)由所研究總體中隨機抽取的樣品組成并經(jīng)均一化處理。本項試驗選擇無鹵低煙阻燃輻照交聯(lián)聚烯烴絕緣，隨機抽取，試樣的尺寸和制備方法按GB/T 528規(guī)定進行。

3.4 試樣數(shù)量

本項試驗為破壞性試驗，所需要的試樣數(shù)量N按下式得出［4］:

式中，a為每個老化溫度下每次取出的一組試樣的數(shù)量，通常為5個，性能測定之后即丟棄;b為每個溫度下的測量次數(shù)，即老化周期數(shù)，通常每個溫度下至少投15組試樣;c為老化溫度水平的個數(shù);d為測量性能原始值的試樣數(shù)，當(dāng)診斷標(biāo)準是以其性能相對于其原始值的百分數(shù)時，通常d=2a，當(dāng)診斷標(biāo)準是性能絕對值時，通常d=0。

3.5 初始性能值的確定

用于測定性能初始值的試樣應(yīng)從準備進行老化的試樣總體中隨機選取，性能值測定之前，應(yīng)把這些試樣置于溫度135℃下2天進行預(yù)處理。初始值一般取試驗結(jié)果的算術(shù)平均值。

3.6 老化試驗溫度的確定

在熱壽命評定試驗中，求取溫度指數(shù)時，試樣應(yīng)分布在范圍足夠?qū)挼?個、最好是4個老化溫度下進行老化試驗，以便能證明到達終點時間與熱力學(xué)(絕對)溫度倒數(shù)之間的線性關(guān)系。為減少計算的不確定性，應(yīng)仔細選擇熱老化的溫度范圍，可參考下列要求［4］:

(1)最低的暴露溫度應(yīng)是能使測得的終點的平均時間或中值時間大于5000 h;

(2)耐熱曲線的外推應(yīng)不大于25 K;

(3)最高的暴露溫度應(yīng)是能使測得的終點的平均值或中值時間大于100 h(如果可能，小于500 h);

(4)如果期望在試驗的整個溫度范圍產(chǎn)生相同的老化機理，則選擇的暴露溫度最好是相等間隔，通常為20 K。如果這個準則導(dǎo)致機理變化，例如，當(dāng)某一轉(zhuǎn)變點，像熔點或軟化點，則最高暴露溫度將需要予以限制。在這種情況下，或如果半差(HIC)已知或預(yù)期小于10 K，則老化溫度水平之間的差可能需要減少，但不小于10 K。

依據(jù)上述原則，確定老化試驗溫度依次為135℃、150℃、165℃、180℃。

3.7 取樣時間及試驗

取樣時間間隔應(yīng)有計劃的安排:使得最少有兩組試樣測試的結(jié)果落在平均終點時間之前，至少有一組試樣的測試結(jié)果落在平均終點失效時間之后，在該間隔內(nèi)，性能隨時間變化的速率最好呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系［4］。具體的取樣時間視老化試驗后的結(jié)果而定。

試驗采用烘箱，其通風(fēng)速率5～20次/h，烘箱中放樣空間的最大溫度偏差不超過5℃，符合GB/T 11026.4 規(guī)定。

試驗時將總體試樣隨機分為5個一組，在每個老化溫度下至少投入15組試樣，記錄老化時間，并按時取樣進行斷裂伸長率的測定。試驗及測試方法按照GB/T 528標(biāo)準進行。

4 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

4.1 試驗結(jié)果

第三代核電站電纜用無鹵阻燃聚烯烴絕緣在不同老化溫度下及不同老化時間下測定的斷裂伸長率的試驗結(jié)果如表1所示。其中，斷裂伸長率原始值為580%，壽命終點指標(biāo)為性能原始值的50%，即K2=50%。根據(jù)表1的試驗數(shù)據(jù)繪制出聚烯烴絕緣在不同老化溫度下斷裂伸長率保留率與時間的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 不同老化溫度下斷裂伸長率保留率與時間的關(guān)系曲線

4.2 數(shù)據(jù)處理

在圖1中，每個老化溫度下的性能曲線與終點標(biāo)準曲線的交點對應(yīng)的時間就是其終點時間，如表2所示。對于破壞性試驗，選擇老化曲線的近似線性范圍，并通過最靠近終點指標(biāo)的3組樣品的(時間、性能)點，繪制平行于平均老化曲線的線，該線與終點線的交點所對應(yīng)的時間，就是需要的平均終點時間，如圖2 所示［4］。

圖2 破壞性試驗——終點時間評估

表1 聚烯烴絕緣在不同老化溫度下的測試結(jié)果

4.2.1 計算組平均和方差

根據(jù)表2，計算出每一老化組的方差。

4.2.2 總平均值和總方差

計算所有老化組內(nèi)方差的加權(quán)平均值:

計算x值的二階中心距:

4.2.3 回歸方程的計算

回歸方程:y=a+bx

表2 試驗數(shù)據(jù)及相關(guān)計算［3］

即得到回歸方程y=－10．7079+5978．6175x

根據(jù)求得的回歸方程可得到聚烯烴絕緣的熱壽命曲線，如圖3所示。

圖3 聚烯烴絕緣的熱壽命曲線

計算由回歸線得到的老化組平均值偏離回歸線的偏差的方差:

4．3 統(tǒng)計檢驗［5］

4．3．1 方差相等性檢驗

計算巴特利特(Bartlett＇s)X2函數(shù)的值:

取q=10，經(jīng)計算X2=3．91。

查GB/T 11026．3附錄C．5中的X2表得X20=7．8(自由度f=3，顯著水平 0．05)，因X2＜X20，故接受在顯著水平0．05以上的假設(shè)。

4．3．2 線性檢驗(F檢驗)

通過顯著水平為0．05下的F檢驗，把偏離回歸線偏差的方差與k測量組內(nèi)的總體方差s21進行比較，計算比值=2387．78。

對應(yīng)于fn=k－2=2及fd=N－k=8自由度的F0值，查《電氣絕緣測試技術(shù)》第6章附錄F中方差比值表Ⅱ，得F0=F(0．95，2，8)=4．5。

因為F＞F0，調(diào)整至)a=(F/F0)并計算s2的調(diào)節(jié)值:

4．3．3X和Y評估的置信界限

(1)Y評估值

對應(yīng)于已知X的Y的評估值及其低于95%置信界限是:

在置信水平 0．95 下，查 IEC 60216-3［6］附錄 C表C．4，獲得在N－2=10自由度下的t分布，即t0.95，10=1.812。

(2)X評估值

計算對應(yīng)于終點時間τf的X值及其下95%置信界限:

低于95%置信界限的溫度評估值計算:

4.4 熱壽命的計算

應(yīng)用回歸方程y= －10.7079+5978.6175x計算對應(yīng)于終點時間20 000 h時的溫度，TI=125.3371°C，即溫度指數(shù)。用同樣的方法，計算對應(yīng)于終點時間10 000 h的溫度TI10=133.4900°C。

半差HIC=TI10－TI=8.15°C

以Y=log 20000，按 4.3.3 節(jié)方法計算TI的低于95%置信界限TC。

因(TI－TC)/HIC＜0.6，則報告TI(HIC)=125(8.15)

綜上所述，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計、評估及檢驗，應(yīng)用回歸方程y= －10.7079+5978.6175x計算得:無鹵低煙阻燃輻照交聯(lián)聚烯烴絕緣在工作溫度90℃下的熱壽命 τ90℃=66.01(年)。

5 結(jié)束語

電纜絕緣在運行情況下受到的作用因素是復(fù)雜的，本項研究是考慮以熱為主要老化因子而使絕緣結(jié)構(gòu)的性能發(fā)生不可逆變化，并以此來研究和確定絕緣材料在工作溫度(90℃)下的使用壽命。本項試驗研究嚴格按照GB/T 11026標(biāo)準規(guī)定進行，試驗用熱老化烘箱符合GB/T 11026.4要求，其試驗程序及主要參數(shù)符合GB/T 11026.1要求，對所獲得的試驗數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計檢驗符合GB/T 11026.3要求，因此可以認為，無鹵低煙阻燃輻照交聯(lián)聚烯烴絕緣在90℃工作溫度下能夠滿足第三代核電站60年運行壽命要求。

［1］AP 1000 DOCUMENT NO.CPP-G1-E1-002:Wire and cable design criteria，discipline design criteria［R］.2008.

［2］邱昌榮，曹曉瓏編.電氣絕緣測試技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［3］高寶娟，張軍，戴英培.核級電纜用EPR絕緣熱壽命試驗研究［C］//第六屆絕緣材料與絕緣技術(shù)學(xué)術(shù)會議論文集.1996.10.

［4］GB/T 11026.1—2003電氣絕緣材料耐熱性第1部分:老化程序和試驗結(jié)果的評定［S］.

［5］GB/T 11026.3—2003電氣絕緣材料耐熱性第3部分:老化程序和試驗結(jié)果的評定［S］.

［6］IEC 60216-3:2006(E)Electrical insulating materials-thermal endurance properties Part 3:instructions for calculating thermal endurance characteristics［S］.