CAP系列穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜的設計及驗證

倪 勇， 劉旌平， 胡誠成

(上海電纜研究所有限公司 特種電纜技術國家重點實驗室， 上海 200093)

0 引 言

核電站的“心臟”是核反應堆，而穩(wěn)壓器則是“心臟”的“起搏器”。穩(wěn)壓器是壓水堆核電站(Nuclear Power Plant，NPP)的關鍵設備，起著維護系統(tǒng)壓力的作用[1]。全球核電廠穩(wěn)壓器電加熱器供應商主要有THERMOCOAX、VULCANIC、WATLOW、GENERAL ELECRIC、重慶川儀等[2]。穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜隨穩(wěn)壓器加熱元件同機進口，用量不大，價格昂貴、采購周期漫長，其研發(fā)、結(jié)構(gòu)設計、生產(chǎn)工藝、試驗評估等各個環(huán)節(jié)都具有一定的難度和相當?shù)墓ぷ髁浚瑢儆谏倥?、高技術含量產(chǎn)品。供貨商提供的相關技術參數(shù)比較模糊，響應較遲緩，特別是材料在耐熱性、耐輻照性能指標參數(shù)上存在技術上的“黑匣子”。甚至部分核電工程因電纜的問題無法解決而耽擱了穩(wěn)壓器整體設備的國產(chǎn)化進程。鑒于此，本工作對CAP系列穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜進行設計并驗證，解決電加熱器電纜的國產(chǎn)化問題。

1 電纜設計

1.1 總體設計

因高溫電纜的工作環(huán)境存在核輻射、濕熱環(huán)境方面的要求，電纜應有優(yōu)良的電氣性能、阻燃性能可通過單根燃燒試驗以及B類的成束燃燒試驗、長期浸水試驗。

1.2 電纜結(jié)構(gòu)設計

穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。根據(jù)相關要求，穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜在CAP1000核電站中，持續(xù)運行溫度至少為124 ℃，工作壽命期望60 a；在CAP1400核電站中，持續(xù)運行溫度至少為132 ℃，工作壽命期望60 a，同時須耐受γ射線累積輻照劑量312 kGy。因此，電纜的線芯導體、絕緣層、防護層均須滿足嚴格的技術指標要求。

1—鍍鎳銅導體；2—內(nèi)襯層；3—硅橡膠絕緣；4—外襯層；5—編織護套；6—填充；7—不銹鋼絲編織

1.3 主要材料的選擇及研制

1.3.1 導體材料的選擇

為了防止導體在高溫條件下發(fā)生氧化，通常需要選擇有鍍層的導體。

本技術的使用場合主要是CAP系列穩(wěn)壓器電加熱器，由于其特殊的工作環(huán)境，根據(jù)用戶方的要求，試驗選用27級鍍鎳圓銅線作為本技術導體使用材料。

本技術包含多個規(guī)格的導體，采用不大于0.30 mm的單絲導體多股復絞的方式，以提高導體本身的柔軟性，解決鍍鎳導體本身柔軟性不足的問題。

1.3.2 絕緣材料驗證

(1) 基料選擇。根據(jù)項目要求以及工程實際需求：允許工作溫度為124，132 ℃時，其使用年限要求均為60 a。根據(jù)使用工況要求，須選用耐高溫、耐輻照的無鹵材料。本工作選用硅橡膠作為本技術的基料進行絕緣材料的研制。

(2) 絕緣材料的研制。試驗選用的甲基乙烯基苯基硅橡膠(PMVQ-1、PMVQ-2和PMVQ-3)、耐熱劑(HR-1、HR-2和HR-3)、氫氧化鎂(MH)、改性三聚氰胺氰尿酸鹽(PNFR)、添加劑(SMP)、有機硅樹脂中間體(FR-60)和硫化劑(MM)為市售工業(yè)產(chǎn)品。鉑金阻燃劑(PtFR)購自市售產(chǎn)品后進行實驗室調(diào)配。

經(jīng)過改性后的硅橡膠[3]主要性能如下：

(1)機械性能。硅橡膠的機械性能見表1。

表1 硅橡膠的機械性能

(2) 長期耐水性。絕緣材料通過14 d加速吸水老化試驗，14 d的電容增量大于10%，后7 d的電容增量不大于3%，測量結(jié)果符合技術要求。

(3) 抗輻照能力。試驗對絕緣材料進行累計312 kGy的γ射線輻照后，其機械電氣性能保持良好。

(4) 阻燃性。絕緣材料通過單根燃燒以及B類成束燃燒。

(5) 熱壽命驗證。通過124 ℃以及132 ℃下60 a的壽命驗證；通過對苯基硅橡膠基材開展耐輻照和耐熱老化試驗并進行選型研究，通過配合納米耐熱劑，對添加劑進行疏水功能化改性，配合鉑金阻燃劑，最后經(jīng)過捏合、開煉等工藝，研制出新型阻燃耐高溫耐輻照硅橡膠絕緣材料。經(jīng)檢驗，硅橡膠絕緣材料的機械物理性能、電氣性能和阻燃性能均優(yōu)良，硅橡膠絕緣材料[4]可應用于CAP1400電加熱器高溫電纜。

2 試驗件試制

根據(jù)設計方案，確定電纜的結(jié)構(gòu)，電纜的中心導體以及絕緣層的結(jié)構(gòu)尺寸是固定值，根據(jù)設計過程中對方案的探討、驗證并進行產(chǎn)品試制。

2.1 電纜規(guī)格

試制件按導體規(guī)格典型值的原則，中心導體的截面積選用35 mm2和70 mm2兩個規(guī)格。

2.2 產(chǎn)品質(zhì)量鑒定大綱

本工作研制的穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜，目前為國內(nèi)首批核電站穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜，暫時沒有十分匹配的產(chǎn)品標準供參考，經(jīng)與用戶單位的多次技術溝通，最終確定考核項目和試驗方法，制定了質(zhì)量鑒定試驗大綱。

2.3 電纜制作關鍵工序

絕緣擠出是本產(chǎn)品的關鍵工序。

研制電纜需經(jīng)受工頻火花檢驗和成品樣線絕緣電阻、耐電壓等電性能試驗，絕緣的擠出質(zhì)量可明顯影響以上技術要求。需要在絕緣的擠出中嚴格控制擠出的外徑以及絕緣同心度。

通過設計計算，選擇適當?shù)慕^緣層厚度，滿足電纜的性能要求的同時盡量控制電纜的單位質(zhì)量以及安裝所需的空間，根據(jù)生產(chǎn)設備的實際情況結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗，通過對生產(chǎn)設備的硫化管道的改造，保證電纜絕緣硫化過程中溫度均勻穩(wěn)定、硫化時長適宜及冷卻時間充分，從而來保證絕緣的硫化程度并且保證電纜的圓整性。

為保證絕緣線芯的電氣性能擠出時應加一層濾網(wǎng)過濾。

本工作采用硅橡膠作為絕緣材料，其加工過程分兩步：①絕緣擠出工藝：在試生產(chǎn)過程中，使用擠壓式摸具，同時使用在線測偏儀實時監(jiān)控，嚴格控制電纜的同心度在95%以上；使用在線測徑儀對外徑進行實時監(jiān)控，確保厚度誤差在±0.05 mm以內(nèi)，嚴格控制絕緣厚度；保證電纜的連續(xù)長度；②硫化工藝：絕緣擠出后，接著就是硫化工藝，在硫化管道內(nèi)，需要控制好每段硫化管道的溫度，控制絕緣材料的熱延伸在50%～150%之間，收盤時，保證其不被收線履帶壓變形。

3 成品電纜主要性能驗證

3.1 電氣性能

穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜是一種壓水堆核電站高溫電纜，對穩(wěn)壓器電加熱器元件的持續(xù)穩(wěn)定工作起到保障的作用。穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜電性能見表2。

表2 穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜電性能

由表2可以看出：穩(wěn)壓器電加熱器元件電纜各項電性能指標均符合技術指標要求。高溫下，絕緣電阻常數(shù)比常溫下絕緣電阻常數(shù)下降了不到1個數(shù)量級，比預期的下降3個數(shù)量級的指標要求要理想很多，絕緣性能是電纜能夠運行的首要技術指標，這項性能的優(yōu)異表現(xiàn)說明電纜可在高溫132 ℃條件下進行正常工作。穩(wěn)壓器電加熱器是壓水堆核電站的重要部件，是唯一長期處于汽、水兩相狀態(tài)的主設備，表2中加速吸水試驗表明，絕緣層材料除最開始時對水汽有吸收以外，后期基本不再吸收水分(0.3%，遠小于要求的不大于3%)，由此，能夠確保在電纜長期運行過程中，不會因為材料吸水導致絕緣性能下降，能夠穩(wěn)定有效地進行工作。

3.2 長期濕熱試驗

因為電加熱器穩(wěn)壓器元件電纜的特殊工作環(huán)境，為模擬事故工況下，電纜護套被破壞失去保護功能后，電纜絕緣受到高溫和水汽同時作用的情況下，電纜線芯是否能夠進行一段時間的正常工作以待檢修。項目組將電纜的線芯從電纜中取出，取兩根線芯做比對試驗，將電纜線芯浸漬在90 ℃的鹽水溶液中，每隔7 d測試1次電纜的絕緣性能，監(jiān)測電纜的絕緣性能變化，線芯長期絕緣電阻測試結(jié)果見圖2。

圖2 線芯長期絕緣電阻測試

由圖2可知：電纜線芯在失去了護套的保護作用之后，電纜線芯在90 ℃的鹽水溶液的作用下，在最初的28 d內(nèi)，其絕緣電阻迅速下降了3個數(shù)量級，但在隨后的很長一段時間內(nèi)保持著緩慢的下降趨勢，196 d的絕緣電阻只下降了一個數(shù)量級，依然保持絕緣性能完好，能夠正常運行。試驗證明絕緣線芯擁有良好的耐熱和耐水性能，可以長期運行。

3.3 電纜壽命驗證試驗

成品電纜按IEEE 383要求依次進行加速熱老化試驗、常規(guī)輻照老化試驗，隨后通過柔性保持試驗以及燃燒性能來判定。

熱壽命按照GB/T 11026.1—2016的方法模擬電纜持續(xù)132 ℃導體運行溫度等效60 a壽命加速熱老化試驗(試驗條件：230 ℃×289 h)；耐輻照壽命按照GB/T 26168.2—2010的規(guī)定進行了累計計量312 kGy的γ射線輻射(輻照劑量率1 kGy·h-1)，模擬老化試驗后性能驗證見表3。

表3 模擬老化試驗后性能驗證

由表3可知：電纜在進行了熱老化和輻照老化后，電纜仍具備一定的柔韌性，并且能夠通過AC 3 150 V·mm-1，5 min的耐壓試驗，老化后的電纜能通過單根和成束燃燒的性能要求，證明電纜能夠滿足設計的壽命要求。

4 結(jié) 論

本技術[5]有利于從技術上深入理解核電設備的研制和制造，提高核電裝備的可靠性，突破長期制約我國核電穩(wěn)壓器電加熱電纜規(guī)?；l(fā)展的技術瓶頸，通過產(chǎn)、學、研相結(jié)合的模式，開展系統(tǒng)性的共性技術研究，從基礎理論層面支撐重大專項工程技術的持續(xù)創(chuàng)新，并帶動我國高溫電纜的提升。這種穩(wěn)壓器電加熱器電纜在技術水平上處于國際的先進水平，在實際應用中能夠滿足CAP系列穩(wěn)壓器電加熱器電纜的使用需求，避免了因為電纜的問題無法解決而影響穩(wěn)壓器整體設備的國產(chǎn)化進程。該電纜通過了CAP核電要求的事故工況功能驗證試驗，能夠普遍適用于CAP核電站內(nèi)可能的應用場景，同時可以應用于類似場景的長期高溫、高輻照劑量的特殊環(huán)境。