核電站1E級(jí)DCS柜內(nèi)線纜選擇原則

韓少華，張嵐（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

隨著數(shù)字化儀控系統(tǒng)（以下簡稱DCS）在核電站的應(yīng)用，核級(jí)DCS（以下簡稱1E DCS）在滿足法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求下，滿足核電站工藝控制需求、滿足傳輸和響應(yīng)時(shí)間要求，是集合計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)為一體的復(fù)雜工程。為此，在1E DCS機(jī)柜設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮多方面的因素，本文將論述上述大框架下機(jī)柜線纜選型的幾個(gè)方面，并結(jié)合法規(guī)最終形成一套原則。

1 核級(jí)DCS系統(tǒng)工程的特點(diǎn)

（1）核級(jí)DCS是集計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)和自動(dòng)控制系統(tǒng)為一體的復(fù)雜工程。如圖1所示為例，在核級(jí)DCS控制系統(tǒng)中，使用了基于CPU的軟件控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，具有信號(hào)處理集中、網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)。從這一點(diǎn)出發(fā)，對(duì)機(jī)柜內(nèi)配線提出了要具備密集布線的能力，同時(shí)芯線對(duì)高頻和低頻信號(hào)傳輸都具有較高的能力。

（2）核級(jí)DCS作為核電站的一部分，且控制的對(duì)象多為核安全設(shè)備，所以需滿足核電站設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營中的一切法規(guī)要求。柜內(nèi)線纜選擇時(shí)，也依然要遵循法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求。圖1為核級(jí)DCS設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系：DCS柜內(nèi)線纜選型時(shí)需結(jié)合機(jī)柜整體設(shè)計(jì)原則，作為DCS機(jī)柜的一個(gè)部分，滿足環(huán)境、抗震、EMC以及隔離等一系列要求。

圖1 核級(jí)DCS設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系圖

2 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)1E DCS機(jī)柜設(shè)計(jì)的約束

在法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)1E DCS機(jī)柜設(shè)計(jì)的制約因素有：

（1）滿足RG1.152，核級(jí)系統(tǒng)元件的選擇；

（2）滿足RG1.189，運(yùn)行核電站防火；

（3）滿足RG1.209，（Environmental qualification of safetyrelated computer-based instrumentationand control systems in nuclear power plants）；

（4）滿足RG1.100， (Seismic Qualification of Electric and Mechanical Equipment for Nuclear PowerPlants)；

（5）滿足RG1.180，（Guidelines for Evaluating Electromagnetic and Radio-Frequency Interferencein Safety-Related Instrumentation and Control Systems）；

（6）滿足RG1.175 (Criteria for Independence of Electric Systems)。

其中，DCS機(jī)柜內(nèi)配線選擇需考慮：

（1）與機(jī)柜內(nèi)其它元件成套后滿足上述法規(guī)關(guān)于鑒定（抗震、隔離、EMC、環(huán)境）的要求；

（2）防火設(shè)計(jì)；

（3）產(chǎn)品選擇的成熟性。

3 1E DCS機(jī)柜電纜設(shè)計(jì)原則

3.1 滿足機(jī)柜整體抗震、環(huán)境、EMC、隔離等鑒定要求

（1）滿足機(jī)柜內(nèi)信號(hào)傳輸要求。對(duì)于1E DCS機(jī)柜，在線纜選擇時(shí)，需滿足信號(hào)衰減小、傳輸速度高，盡量選擇適合寬頻信號(hào)傳輸?shù)目刂齐娎|，滿足控制器CPU與I/O模件之間的數(shù)字高頻信號(hào)通訊，以減少信號(hào)在傳輸時(shí)導(dǎo)致的波形失真。此外，介電常數(shù)小，體積電阻率高（絕緣性能好），都是在儀控柜選擇控制電纜和信號(hào)電纜需考慮的因素，以獲得最好的信號(hào)傳輸效果和絕緣效果。表1是對(duì)比市面通用的絕緣材料做個(gè)對(duì)比，可作為一個(gè)選擇的依據(jù)。

表1 市面通用的絕緣材料對(duì)比表

（2）滿足機(jī)柜內(nèi)導(dǎo)線布置要求。數(shù)字化DCS系統(tǒng)的控制盤柜具有功能集中、信號(hào)量大、進(jìn)出線密集等特點(diǎn)，往往要求控制盤柜內(nèi)的線纜具有較高的信號(hào)傳輸性能、較小的彎曲半徑（柔軟性）和導(dǎo)體規(guī)格，有利于滿足安全級(jí)柜內(nèi)布線和隔離要求。

只有在上述原則滿足的條件下，柜內(nèi)線纜和機(jī)柜內(nèi)其它部件匹配起來才能更好地通過抗震、環(huán)境、EMC、隔離等鑒定要求。

3.2 滿足防火的要求

法規(guī)對(duì)DCS機(jī)柜防火設(shè)計(jì)的要求如表2所示。

表2 法規(guī)對(duì)DCS機(jī)柜防火設(shè)計(jì)的要求

可見在各國的防火標(biāo)準(zhǔn)中，都提出了阻燃的強(qiáng)制要求。

3.3 滿足環(huán)保的要求

在國際綠色環(huán)保組織的推動(dòng)下，以歐洲為中心的世界性環(huán)境保護(hù)意識(shí)日益增強(qiáng)，使用環(huán)境友好型電纜可能是未來的一種趨勢(shì)。從上述標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)也看出，在滿足阻燃這一強(qiáng)制要求之下，HAD102、IEEE420等都提出應(yīng)盡可能地采用無鹵型材料。而材料工業(yè)的進(jìn)步，為這種選擇提供了可能性。如新型的交聯(lián)聚烯烴材料，是我國電纜行業(yè)主打的低煙無鹵阻燃材料，是核電站電纜的發(fā)展方向，并且隨著技術(shù)的成熟，必將成為1E DCS機(jī)柜內(nèi)材料選擇的趨勢(shì)。

4 1E DCS機(jī)柜電纜設(shè)計(jì)過程

1E DCS機(jī)柜在設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足隔離、布線、環(huán)境要求之外，防止火災(zāi)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的對(duì)象。

圖2 1E機(jī)柜設(shè)計(jì)考慮流程

有了以上所示的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的約束和DCS柜內(nèi)電纜設(shè)計(jì)原則，在機(jī)柜設(shè)計(jì)時(shí)，需從防火角度考慮，滿足以下幾點(diǎn)：

（1）防止火災(zāi)發(fā)生；

（2）快速探測(cè)并撲滅已經(jīng)發(fā)生的火災(zāi)；

（3）防止尚未撲滅的火災(zāi)蔓延。

在上述三點(diǎn)中，對(duì)DCS機(jī)柜線纜選擇要求主要集中在第一點(diǎn)：防止火災(zāi)發(fā)生。于是1E級(jí)DCS柜內(nèi)線纜，在充分計(jì)算極限短路工況下，應(yīng)選擇滿足低火災(zāi)載荷，難燃的材料是法規(guī)的硬性要求。圖3是應(yīng)當(dāng)遵循的對(duì)于絕緣材料評(píng)價(jià)選擇過程。

圖3 絕緣材料評(píng)價(jià)選擇過程

在這個(gè)流程中，充分分析柜內(nèi)著火可能性，對(duì)多重短路工況進(jìn)行假設(shè)，計(jì)算極限短路是產(chǎn)生的局部熱量，理論得出對(duì)的線纜絕緣和護(hù)套材料的材料選擇范圍。詳細(xì)展開的設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 1E機(jī)柜設(shè)計(jì)流程

表3簡單比較集中通用的絕緣材料的基本材料特性分析。在做材料選擇時(shí)，需綜合分析適用性。

表3 通用的絕緣材料的基本材料特性分析表

其中最重要是所選擇的材料對(duì)機(jī)柜內(nèi)極限短路工況時(shí)產(chǎn)生的局部高溫要有包絡(luò)性，從而保證在極限短路工況下，機(jī)柜內(nèi)導(dǎo)線的絕緣材料可正常工作，不達(dá)到燃點(diǎn)，不發(fā)生燃燒現(xiàn)象，最好是能包絡(luò)在材料的正常耐熱范圍內(nèi)，這樣局部的短路產(chǎn)生的高溫并不會(huì)改變材料的化學(xué)性能和機(jī)械性能，從而保證材料的使用壽命。

在得出理論計(jì)算數(shù)據(jù)后，下一步，對(duì)環(huán)保的要求，對(duì)產(chǎn)品成熟性的考慮需介入，從而在允許的幾種材料中選擇最適合的1E DCS機(jī)柜材料。

5 結(jié)語

通過上述對(duì)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的解讀，對(duì)1E DCS柜內(nèi)線纜的設(shè)計(jì)和選擇需充分考慮以下幾個(gè)方面：

（1）不會(huì)影響到機(jī)柜參加環(huán)境、抗震、EMC、隔離鑒定時(shí)的評(píng)價(jià)結(jié)果，即線纜在選擇時(shí)應(yīng)充分考慮傳輸性能、絕緣性能是否滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求；

（2）防火設(shè)計(jì)對(duì)材料的要求；

（3）環(huán)保和成熟性。

并且，在1E DCS機(jī)柜在電纜選擇設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵循必要的流程，從而保證各個(gè)因素和環(huán)節(jié)被充分考慮無遺漏。

6 現(xiàn)狀和探討

通過調(diào)研目前的國內(nèi)外現(xiàn)狀，通過遵循上述設(shè)計(jì)流程，選擇下來，不約而同，特氟龍材料（FEP）由于其良好的阻燃防火性能，優(yōu)良的電氣、機(jī)械性能，占據(jù)著核級(jí)DCS機(jī)柜內(nèi)配線的主流角色。

但是從保護(hù)操作員和環(huán)保的角度，無鹵材料（XLPE）的推廣是發(fā)展方向，而我國核安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)一直要求在滿足電氣、機(jī)械、阻燃性能的基礎(chǔ)上盡最大可能地使用低煙無鹵阻燃材料也恰恰印證了這個(gè)趨勢(shì)。

但是，事物的發(fā)展都有一個(gè)客觀的規(guī)律和過程，無鹵線纜雖然是一個(gè)發(fā)展方向，但是現(xiàn)階段，用在核級(jí)DCS柜內(nèi)配線，仍面臨著一個(gè)成熟性的過程。需在充分論證了布線可行性，信號(hào)傳輸滿足性，對(duì)最大短路工況包絡(luò)性的前提下，經(jīng)過充分的鑒定和使用經(jīng)驗(yàn)證明其可行性。

綜上所述，盡管各國主要的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)1E DCS柜內(nèi)線纜是否含鹵都并沒有強(qiáng)制的要求，但是線纜無鹵化作為核電用電纜的發(fā)展方向，應(yīng)當(dāng)積極探討無鹵線纜在核級(jí)DCS柜內(nèi)的應(yīng)用可能性，應(yīng)在滿足電氣、機(jī)械、阻燃性能的基礎(chǔ)上盡最大可能地使用低煙無鹵阻燃材料。