核電站電纜設(shè)計選型與應(yīng)用中的若干技術(shù)問題研究

王志堅 / 陳懷宇

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

核電站電纜設(shè)計選型與應(yīng)用中的若干技術(shù)問題研究

王志堅 / 陳懷宇

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

結(jié)合多年的核電站設(shè)計、電纜選型、采購及電纜研究經(jīng)驗，通過對國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比、分析，立足于電纜的基本結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵材料理化性能要求及性能驗證試驗等基礎(chǔ)技術(shù)研究，力求從根本上解決核電站中電纜設(shè)計選型不合理、應(yīng)用中出問題的情況，亦進(jìn)一步推動核電站電纜自主化和全面國產(chǎn)化。

電纜設(shè)計選型 結(jié)構(gòu) 驗證試驗 自主化

0 引言

在核電站設(shè)計與運行中，由于電纜設(shè)計選型不盡合理，已發(fā)生多起問題事例，本文立足于核電站電纜的設(shè)計與選型，重點提出了核電站電纜功能驗證試驗、老化壽命評定標(biāo)準(zhǔn)和成纜試驗方案選擇的見解，使電纜設(shè)計更合理，亦進(jìn)一步推動核電站電纜的設(shè)計自主化和全面國產(chǎn)化。

1 核電站電纜設(shè)計選型準(zhǔn)則

核電站核級設(shè)備根據(jù)其安裝位置和承擔(dān)的安全功能，可以分為3類，具體如下。

K1類核級設(shè)備：安裝在安全殼內(nèi)的設(shè)備在地震荷載下和在正常事故情況下和/或在事故后能執(zhí)行其規(guī)定功能。

K2類核級設(shè)備：安裝在安全殼內(nèi)的設(shè)備在正常環(huán)境條件下和地震荷載下能執(zhí)行其規(guī)定功能。

K3類核級設(shè)備：安裝在安全殼外的設(shè)備在正常環(huán)境條件下和地震荷載下以及對一些設(shè)備項規(guī)定的事故條件下能執(zhí)行其規(guī)定功能。

與核級設(shè)備對應(yīng)原則大致相同，核級電纜分為K1類、K2類、K3類和不分級(NC類)電纜。由于K2類核級設(shè)備較少，依據(jù)“高副低代”的原則，核級電纜可分為K1類和K3類，加上不分級的非核級電纜，共同組成核電站的全部電纜。

另外，HAD 102/13《核電廠應(yīng)急動力系統(tǒng)》和HAD 102/11《核電廠防火》給出了核電站電纜運行及環(huán)境要求，是核級電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計的基準(zhǔn)，IEEE 383標(biāo)準(zhǔn)給出了核級電纜鑒定的具體要求。

2 核電站電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料選擇

核電站電纜對材料的基本要求是：無鹵、低煙、阻燃，基本結(jié)構(gòu)組成為：導(dǎo)體、絕緣層、屏蔽、內(nèi)襯層、填充和護(hù)套等。

2.1 導(dǎo)體

按照GB/T 3956-2008 《電纜的導(dǎo)體》中的規(guī)定，應(yīng)采用絞合緊壓圓形銅導(dǎo)體或絞合圓形銅導(dǎo)體。

2.2 絕緣層

在正常運行狀態(tài)下，長期導(dǎo)體溫度≤90℃；在事故狀態(tài)下，導(dǎo)體溫度≤250℃，時間≤4s。

絕緣材料有很多種，歸納起來可分為兩類：熱固型材料(包括交聯(lián)聚乙烯、交聯(lián)聚烯烴、乙丙橡膠)和熱塑型材料(包括聚乙烯(聚烯烴))。

其中，從抗開裂、耐受溫度和電氣性能要求等方面考慮，核電站用電纜首選熱固型材料作為電纜的絕緣材料。

交聯(lián)聚乙烯材料的電性能優(yōu)越、介質(zhì)損耗低，是作為絕緣材料的最佳選擇；同時交聯(lián)聚乙烯材料不含鹵素，燃燒時不會產(chǎn)生大量毒氣及煙霧，被稱為“清潔電纜”材料。但是，交聯(lián)聚乙烯材料不具備阻燃性能，若要兼?zhèn)錈o鹵、阻燃性能，須在絕緣材料中添加阻燃劑，但這勢必會使絕緣層的機械和電氣性能下降。因此，基于阻燃基礎(chǔ)的交聯(lián)聚乙烯材料的復(fù)合配方是電纜絕緣材料設(shè)計的關(guān)鍵點，也是開發(fā)的技術(shù)難點之一。

乙丙橡膠材料具有耐氧、耐臭氧的穩(wěn)定性和局部放電的穩(wěn)定性、優(yōu)異的耐寒特性、優(yōu)良的抗風(fēng)化和光照的穩(wěn)定性，特別是乙丙橡膠材料不含鹵素又具有阻燃特性。其較優(yōu)異的電氣、機械特性與耐高溫性能，使其成為核級電纜絕緣材料的優(yōu)選方案，是可用作低壓電力電纜、控制電纜的絕緣材料。

熱塑型材料諸如聚乙烯或聚烯烴材料作為電纜絕緣層會存在開裂的問題，但近年來阻燃型的熱塑型電纜絕緣層開裂問題已得到了根本性解決，電性能和耐熱性能亦有顯著提高，工藝性能也大為改善。

絕緣材料的基本機械及理化性能要求詳見表1。絕緣材料經(jīng)空氣老化后的性能要求詳見表2。

表1 絕緣材料的基本機械及理化性能要求

注：To：老化前抗張強度，Eo：斷裂伸長率

表2 絕緣材料經(jīng)空氣老化后的性能要求

注：ΔT：抗張強度變化率，ΔE：斷裂伸長率變化率

2．3 屏蔽、內(nèi)襯層和填充

要求采用無鹵、低煙、阻燃的材料。

2．4 護(hù)套

要求在20℃和80℃時測得的氧指數(shù)差值應(yīng)不超過2。

護(hù)套材料分為熱固型材料和熱塑型材料2種。其中，熱固型材料是作為電纜護(hù)套材料的優(yōu)選方案。但是，對于使用聚烯烴(聚乙烯)作護(hù)套的電纜尤其是大截面電纜，使用輻照交聯(lián)工藝易構(gòu)成電纜輻照扭轉(zhuǎn)、彎曲困難、輻照不均勻等不利影響，這將引發(fā)絕緣老化等性能的加速、介電強度的下降，不利于電纜長期可靠運行。雖然絕緣交聯(lián)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但護(hù)套交聯(lián)的應(yīng)用還較少。此外，以乙丙橡膠作為護(hù)套材料又存在國內(nèi)供貨商少、成本太高等問題。所以，諸多因素使熱固型電纜護(hù)套在國內(nèi)不被推廣。

電纜應(yīng)能長期經(jīng)受日光直接照射，其外護(hù)套應(yīng)無損壞(如表面開裂)，但允許護(hù)套顏色變化。

護(hù)套材料的基本機械及理化性能要求詳見表3。絕緣材料經(jīng)空氣老化后的性能要求詳見表4。

表3 護(hù)套材料的基本機械及理化性能要求

注：To：老化前抗張強度，Eo：斷裂伸長率

表4 絕緣材料經(jīng)空氣老化后的性能要求

注：ΔT：抗張強度變化率，ΔE：斷裂伸長率變化率

2.5 相容性原則

電纜絕緣、護(hù)套內(nèi)襯層和填充、護(hù)套等材料應(yīng)與絕緣的工作溫度相匹配，且對絕緣和其他電纜構(gòu)成物無有害影響。

電纜絕緣、護(hù)套材料的相容性要求具體為：電纜試樣在100℃ 熱空氣箱中進(jìn)行熱老化試驗，第一個試樣經(jīng)過42d老化后，絕緣和護(hù)套的抗張強度變化率和斷裂伸長率變化率≤±30%；第二個試樣經(jīng)過14d老化后與經(jīng)過42d老化后的第一個試樣對比，絕緣和護(hù)套的抗張強度和斷裂伸長率的變化率≤±20%。

3 核電站電纜性能驗證試驗

核電站電纜的性能驗證試驗主要包括3類試驗：例行試驗、抽樣試驗和型式試驗，其中，例行試驗和抽樣試驗由電纜廠進(jìn)行；型式試驗包括常規(guī)型式試驗和專項的核級功能驗證試驗，其應(yīng)能證明電纜在規(guī)定的使用條件下能履行其核安全功能。一般來說，模擬試驗的條件應(yīng)達(dá)到或高于電纜的使用條件。試驗程序框圖如圖1所示。

圖1 試驗程序框圖

3.1 常規(guī)型式試驗

常規(guī)型式試驗包括常規(guī)的電氣性能和非電氣性能試驗。由于常規(guī)試驗在核電站設(shè)計的技術(shù)規(guī)格書中已明確，在此不做展開論述。

3.2 核級功能驗證試驗

核級功能驗證的目的是驗證核級電纜在嚴(yán)酷環(huán)境條件下性能是否會下降，且依舊能滿足預(yù)期的壽命。嚴(yán)酷的環(huán)境條件包括：溫度、壓力、濕氣、輻射、機械應(yīng)力、化學(xué)噴濺或者設(shè)計基準(zhǔn)事件(DBE)結(jié)果的組合。

核級電纜核級功能驗證試驗項目順序詳見表5。

表5 核級電纜核級功能驗證試驗項目順序

注：√ 試驗項目， -不要求試驗

由表5可知，K1類核級電纜相對于K3類核級電纜的功能驗證試驗要求增加了輻照老化試驗和DBE條件下的相關(guān)試驗，嚴(yán)酷環(huán)境條件的考核要求K1類核級電纜在絕緣、護(hù)套等材料以及試驗程序方面均有特殊要求。

電纜的熱老化試驗是通過加速熱老化來模擬電纜的壽命，取得熱老化壽命評定報告。不同的核電工程文件體系對核級電纜的熱老化壽命評定要求和標(biāo)準(zhǔn)不同，主要歸結(jié)為美國標(biāo)準(zhǔn)和法國標(biāo)準(zhǔn)。在核級電纜開發(fā)中，筆者就兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行了實踐和分析評估。

1)方法一

基于IEEE 383標(biāo)準(zhǔn)和IEC 60216“確定熱老化試驗程序和評定試驗結(jié)果的一般規(guī)定”的熱老化試驗和評估，推薦用于非金屬加速老化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型為阿倫紐斯(Arrhenius)模型。

試驗中，以低煙無鹵阻燃交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜為例，常規(guī)老化試驗為135℃，時長168h，壽命評定試驗溫度的每個級差取15℃，共有4個試驗溫度點，最高試驗溫度為180℃，試驗時間5 000h。

結(jié)果表明，試驗的核級電纜(交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜)的絕緣層的熱老化壽命已超過40年。

2)方法二

參考法國核電站對核級電纜的電老化試驗評估。

法國核電站對核級電纜的壽命考核是直接對成纜進(jìn)行電老化試驗評估，方法是：成品電纜段應(yīng)經(jīng)受工頻電壓2U0，運行5 000h長期電老化試驗。試驗過程中，試樣導(dǎo)體應(yīng)通過電流加熱到100℃，加熱時間為8h，自然冷卻時間16h，如此熱循環(huán)至少209次，電纜不應(yīng)出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。

上述兩種方法各自有其核電站的設(shè)計、建造、運行，有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)作依托，各有其合理性。而在我國，K3類核級電纜熱老化壽命評定試驗更傾向于方法一。

在初中英語閱讀教學(xué)過程中，與學(xué)生進(jìn)行有效的溝通交流能夠幫助教師更好地實施教育方案，達(dá)到事半功倍的效果。所以，教師要樹立為學(xué)生發(fā)展做貢獻(xiàn)的觀念，不斷完善自己，提高自身的科學(xué)和文化素質(zhì)，不論是在課上還是課下，都應(yīng)當(dāng)主動走近學(xué)生，經(jīng)常站在學(xué)生的角度理解問題，尊重學(xué)生的想法和意見，以真誠的態(tài)度詢問并幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)與生活中的困難。當(dāng)與學(xué)生產(chǎn)生矛盾時，教師不應(yīng)急于呵斥或反對學(xué)生，要先反思自身的教育方式是否出了問題，然后耐心疏導(dǎo)學(xué)生，與學(xué)生一同進(jìn)步。教師應(yīng)該具有“隨風(fēng)潛入夜，潤物細(xì)無聲”的教育意識，以自身的文化修養(yǎng)和思想品德影響學(xué)生，幫助學(xué)生建立正確的英語學(xué)習(xí)觀和價值觀。

3.2.2 常規(guī)老化試驗后電纜性能試驗

性能試驗包括絕緣電阻試驗、耐壓試驗、絕緣和護(hù)套的抗張強度和斷裂伸長率試驗等。

3.2.3 柔性保持試驗

這個試驗又作為模擬抗震試驗，其方法是：在一定環(huán)境溫度下，將樣品電纜繞在試驗圓柱體上(線盤的筒體)至少一圈,圓柱體的直徑為7D±5%(這里D為電纜的實測外徑)，然后松開電纜，再在相反方向上重復(fù)此過程。電纜冷卻后對彎曲狀態(tài)的電纜進(jìn)行耐壓試驗。

試驗結(jié)束后電纜應(yīng)無擊穿,外護(hù)套無裂紋。

3.2.4 燃燒性能試驗

核級電纜材料的基本要求是低煙無鹵阻燃，這個要求決定了共混絕緣材料的配方必須要解決無鹵阻燃高分子絕緣材料的阻燃性能、力學(xué)性能和電性能三者之間存在的此消彼長的“三角形”矛盾。對核級電纜燃燒性能試驗技術(shù)要求的提出也兼顧了這個矛盾關(guān)系。

核級電纜應(yīng)經(jīng)受GB/T 18380.34-2008《電纜和耐火焰條件下的燃燒試驗》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的成束電線電纜燃燒試驗方法(B類)要求的試驗。B類阻燃要求就是平衡了材料阻燃性能、力學(xué)性能和電性能三者矛盾關(guān)系的取舍。當(dāng)有要求時，核級電纜的絕緣應(yīng)通過GB/T 18380.12-2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的單根垂直燃燒試驗。

4 結(jié)束語

隨著電纜材料和工藝工裝技術(shù)水平的進(jìn)步，核電站核級電纜已不存在技術(shù)方面的落后，所欠缺的只是試驗的積累，尤其是試驗方法的明確與應(yīng)用。

本文通過對核電站電纜的運行環(huán)境進(jìn)行分析、評估，針對電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選取，進(jìn)行技術(shù)明確，并依據(jù)充分的性能驗證試驗方法進(jìn)行驗證、保證。從設(shè)計選型的源頭進(jìn)行技術(shù)分析和研究，首先，要求核級電纜在低煙無鹵阻燃基礎(chǔ)上，絕緣材料選用熱固性材料，最大限度避免絕緣層開裂；其次，針對護(hù)套開裂的問題，選用先進(jìn)的護(hù)套材料和更完備的工藝工裝技術(shù)，以使電纜護(hù)套在產(chǎn)品質(zhì)量、性能等方面得以提高、改進(jìn)，另外，對電纜截面相對小的K1類核級電纜優(yōu)先選用熱固型材料作護(hù)套，最后，對電纜進(jìn)行評估試驗。

故此筆者亦希望通過核電站電纜設(shè)計選型技術(shù)研究推進(jìn)我國核電站電纜的設(shè)計自主化和全面國產(chǎn)化發(fā)展。

[1] 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].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[2] EJ/T 705-2006核電廠安全級電纜及現(xiàn)場接頭的型式試驗[S].

[3] GB/T 12727-2002核電廠安全系統(tǒng)電氣設(shè)備質(zhì)量鑒定[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[4] 《IEEE standard for qualifying class 1E electric cables and field splices for nuclear power generating stations》IEEE 383-2003.

[5] RCC-E壓水堆核電站核島電氣設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則(1993年1月版).

[6] JB/T 10707-2007熱塑性無鹵低煙阻燃電纜料[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

Research on Design Selection and Application of Cable in Nuclear Plant

Wang Zhijian / Chen Huaiyu

Combined with years of experience of the nuclear power plant design, cable selection, cable procurement, through comparing and analyzing the domestic and foreign design standards, implemented several performance verification test and researches on cable properties which based on the basic cable structure and key material physical and chemical properties, and striving to fundamentally solve the problem of unreasonable design and selection of cable in nuclear power plants, the problem of the application of the cable, and further promoting the autonomy of nuclear power plants and comprehensive localization.

cable design selection, structure, verification test, autonomy