一種核測(cè)儀表用四同軸有機(jī)電纜組件的研制

孫光智, 周?chē)?guó)華, 李昆鵬, 劉彥軍, 劉海峰, 葛孟團(tuán), 秦子凱, 馮紅藝

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所, 武漢 430064;2.寶勝科技創(chuàng)新股份有限公司, 揚(yáng)州 225800)

0 引言

堆外核測(cè)量系統(tǒng)是核電站等核動(dòng)力裝置反應(yīng)堆安全相關(guān)的重要核測(cè)儀表系統(tǒng),主要由位于反應(yīng)堆周?chē)闹凶犹綔y(cè)器、安全殼外的前置放大器、信號(hào)處理機(jī)柜,以及之間的連接電纜組成,通過(guò)監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆內(nèi)部或周?chē)鸁嶂凶油克?實(shí)時(shí)給出反應(yīng)堆的功率水平及變化周期,為反應(yīng)堆的控制和保護(hù)提供保障。 目前,國(guó)內(nèi)已運(yùn)行核電站的堆外核測(cè)量系統(tǒng)幾乎全部依賴(lài)進(jìn)口,本工作針對(duì)國(guó)內(nèi)某三代核電站堆外核測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)展國(guó)產(chǎn)化研制工作。

目標(biāo)核電站堆外核測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)傳輸電纜包括位于安全殼內(nèi)與探測(cè)器一體化焊接的三同軸礦物質(zhì)鎧裝電纜(以下簡(jiǎn)稱(chēng)鎧裝電纜)、連接鎧裝電纜及電氣貫穿件的四同軸有機(jī)電纜、電氣貫穿件饋通線,以及安全殼外的三同軸有機(jī)電纜。 該類(lèi)電纜使用場(chǎng)合特殊,國(guó)內(nèi)未找到成熟產(chǎn)品,僅國(guó)外有少數(shù)類(lèi)似產(chǎn)品。 為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)核電站堆外核測(cè)量系統(tǒng)的全面國(guó)產(chǎn)化,開(kāi)展了信號(hào)傳輸電纜的研制和定型工作。

四同軸有機(jī)電纜用于鎧裝電纜和安全殼電氣貫穿件之間的連接,基本結(jié)構(gòu)為在三同軸有機(jī)電纜的最外層增加一層金屬管護(hù)套,用于阻隔核電站設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故(DBA)工況下,一回路主蒸汽管道破裂失水事故(LOCA)時(shí),高溫蒸汽及事故后安注系統(tǒng)噴淋液等對(duì)電纜內(nèi)部的侵蝕,確保堆外核測(cè)量系統(tǒng)在事故及事故后仍能正常工作。 該電纜及配套的接插件使用環(huán)境苛刻、設(shè)計(jì)難度大,具有代表性。 本工作對(duì)該電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選型和相關(guān)連接器密封件的設(shè)計(jì)做了全面論述,設(shè)計(jì)了較全面的試驗(yàn)項(xiàng)目和檢驗(yàn)要求,并開(kāi)展了相關(guān)鑒定工作,對(duì)研發(fā)相關(guān)電纜組件有一定的參考。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.1 四同軸有機(jī)電纜設(shè)計(jì)

1.1.1 電纜技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求

四同軸有機(jī)電纜主要用于向堆外核測(cè)量系統(tǒng)中子探測(cè)器提供極化電壓,以及傳輸探測(cè)器輸出的弱脈沖信號(hào)和電流信號(hào),最高工作電壓約為DC 1 000 V,最小脈沖電荷量為0.1 pC,脈沖寬度為100 ns,最小電流為1×10-13A。 該電纜敷設(shè)路徑上存在反應(yīng)堆一回路主泵電機(jī)等大功率電器設(shè)備供電電纜,同時(shí)空間狹小,需要考慮電纜的抗干擾能力、信號(hào)衰減能力,以及安裝過(guò)程中可能存在的多次彎曲變形。

根據(jù)上游設(shè)計(jì)要求,四同軸有機(jī)電纜芯線與第一層屏蔽和第二層屏蔽相互絕緣,形成三同軸結(jié)構(gòu),用于將中子探測(cè)器的信號(hào)回路接地,并與金屬保護(hù)外殼分離。 電纜配套的連接器金屬殼體在LOCA時(shí)經(jīng)高溫蒸汽沖擊,容易與有機(jī)材料護(hù)套之間形成裂縫,從而使大氣環(huán)境中的水蒸氣進(jìn)入電纜端面,造成電纜絕緣電阻降低而無(wú)法正常傳輸信號(hào)。 因此,需要在三同軸結(jié)構(gòu)外再增加一層具有防蒸汽和高溫液體滲入的護(hù)套,配合連接器,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可靠密封。

在電氣性能方面,要求電纜特性阻抗為50 Ω;芯線與第一層屏蔽之間的絕緣電阻不小于1 ×1012Ω·m(DC 1 000 V),分布電容約為110 pF·m-1;第一層屏蔽和第二層屏蔽之間的絕緣電阻不小于3 × 107Ω·m; 根據(jù)脈沖寬度,最高頻率在100 MHz。 作為核電站專(zhuān)用電纜,四同軸有機(jī)電纜還需要滿(mǎn)足相關(guān)燃燒性能、毒性、機(jī)械強(qiáng)度等核安全級(jí)電纜的通用技術(shù)要求。

1.1.2 材料選型和工藝設(shè)計(jì)

四同軸有機(jī)電纜的芯線采用鍍銀銅絲絞合而成,提高電纜柔韌性的同時(shí)能夠降低高溫時(shí)的導(dǎo)線電阻。 內(nèi)部絕緣層采用核安全級(jí)電纜常用的輻照交聯(lián)聚烯烴,內(nèi)屏蔽層主要為光覆蓋率大于90% 的鍍錫銀編織網(wǎng)。 考慮到在LOCA 時(shí)的高溫蒸汽沖擊,輻照交聯(lián)聚烯烴可能出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。 如果電纜處于彎曲狀態(tài),則金屬絲容易嵌入絕緣材料,導(dǎo)致電纜的均勻性發(fā)生變化。 因此,在芯線外包覆一薄層熔點(diǎn)較高的聚醚醚酮(俗稱(chēng)PEEK,熔點(diǎn)可達(dá)350 ℃左右),同時(shí)在絕緣層和內(nèi)屏蔽層之間增加一鋁塑帶繞包層,從而在絕緣層內(nèi)外表面形成耐高溫的“骨架”,阻擋金屬絲進(jìn)入。 拆解高溫試驗(yàn)后的電纜樣品發(fā)現(xiàn),該結(jié)構(gòu)很好地維持了內(nèi)部絕緣層的幾何結(jié)構(gòu)。

在內(nèi)屏蔽層外包覆一層輻照交聯(lián)無(wú)鹵低煙阻燃聚烯烴后,形成完整的同軸有機(jī)電纜。 在此基礎(chǔ)上,向外增加一屏蔽層和絕緣護(hù)套(材料與第一層護(hù)套相同),從而形成三同軸有機(jī)電纜。 傳統(tǒng)三同軸有機(jī)電纜的兩層護(hù)套分別用于高壓傳輸和接地平面。在堆外核測(cè)量系統(tǒng)中,三同軸有機(jī)電纜內(nèi)屏蔽層用于連接高壓/信號(hào)回路的地平面,與后端模擬電路的地線導(dǎo)通;外屏蔽層用于保護(hù)機(jī)殼的接地,與參考地導(dǎo)通,從而減小外界感生電荷對(duì)信號(hào)回路的影響。四同軸有機(jī)電纜在三同軸有機(jī)電纜外部設(shè)置了阻隔蒸汽和噴淋液的紫銅導(dǎo)管,同時(shí),為了方便電纜彎曲,該導(dǎo)管被軋制為波紋管外形,在最外層輔助一層有機(jī)材料的護(hù)套。

外屏蔽層和銅波紋管護(hù)套也具有屏蔽作用。 弱信號(hào)在同軸電纜中傳輸時(shí),可能受到的干擾主要為電磁干擾(EMI)和射頻干擾(RFI)兩種[1],EMI 為低頻干擾,RFI 為高頻干擾。 為了盡可能消除外界電磁干擾對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?在屏蔽層中選擇鍍銀銅編織網(wǎng)、鋁塑繞包、防輻射扎帶繞包、坡莫合金帶(高磁材料)繞包等屏蔽材料。 利用各種材料對(duì)特定頻帶噪聲選擇屏蔽的特點(diǎn),盡可能消除從低頻到高頻的電磁干擾。 同時(shí),在電纜樣品制作過(guò)程中發(fā)現(xiàn),如果第二層護(hù)套與波紋管的間隙太小、貼合,甚至過(guò)盈配合時(shí),會(huì)影響波紋管的彎曲性能,容易出現(xiàn)開(kāi)裂、折損等現(xiàn)象,導(dǎo)致波紋管密封失效。 因此,在該護(hù)套和波紋管最內(nèi)側(cè)之間預(yù)留0.1 ～0.5 mm 的間隙,可降低施工過(guò)程中電纜穿管彎曲時(shí)波紋管的折損風(fēng)險(xiǎn)。 四同軸有機(jī)電纜基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 四同軸有機(jī)電纜結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 電纜接插件設(shè)計(jì)

1.2.1 電纜接插件技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求

四同軸有機(jī)電纜接插件與探測(cè)器端的鎧裝電纜和電氣貫穿件端的饋通線連接,一方面用于前后電纜之間的電氣連接;另一方面,需要配合銅波紋管護(hù)套進(jìn)行密封連接,保護(hù)銅波紋管內(nèi)部電纜組件免受高溫蒸汽及酸堿噴淋液的浸蝕,確保整個(gè)信號(hào)通路上的電纜芯線與屏蔽層之間在壽期內(nèi)始終保持高絕緣電阻。 因此,需要有較高的密封能力。

為了保持電纜組件各位置特性阻抗的一致性,接插件與四同軸有機(jī)電纜內(nèi)部的同軸電纜連接部分的特性阻抗設(shè)計(jì)為50 Ω,同時(shí)確保兩者之間的絕緣電阻大于1 × 1012Ω·m。為了減小信號(hào)傳輸路徑上阻抗變化造成的脈沖信號(hào)反射,電壓駐波比要求大于(1.02+0.004f),其中f為傳輸信號(hào)頻率。 電纜接插件雖然是一個(gè)非標(biāo)產(chǎn)品,但作為一種同軸連接器,仍然需要考慮連接器常規(guī)型式試驗(yàn)要求,如對(duì)電纜的保持力、多次插拔后的接觸電阻等。

1.2.2 電纜接插件結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)

將接插件分為負(fù)責(zé)電氣性能連接的連接器和屏蔽高溫蒸汽的密封件兩部分。 連接器用于波紋管內(nèi)部電纜與前后兩端電纜之間的電氣連接;密封件負(fù)責(zé)將銅波紋管與兩端電纜的外護(hù)套(金屬管)連接為一個(gè)整體。

為了保持電纜組件各位置特性阻抗的一致性,在對(duì)四同軸有機(jī)電纜芯線、內(nèi)部絕緣層和內(nèi)屏蔽層組成的同軸電纜,以及連接器設(shè)計(jì)時(shí),均進(jìn)行了阻抗設(shè)計(jì),并對(duì)插針進(jìn)行了阻抗匹配補(bǔ)償。 特性阻抗采用公式(1)計(jì)算。

式中:Z0為特性阻抗,Ω;d為芯線有效直徑,mm;D為絕緣層有效直徑,mm;εr為絕緣介質(zhì)介電常數(shù)。

密封件是本工作研制的關(guān)鍵零部件,需要確保電纜組件整個(gè)設(shè)計(jì)壽期內(nèi),尤其是壽命末期可能的DBA 工況下電纜組件的可靠密封。 由于有機(jī)材料在長(zhǎng)期擠壓及高溫沖擊下容易產(chǎn)生疲勞失效,密封件采用了全金屬材料的卡套密封結(jié)構(gòu),在前后電纜兩端最外層金屬層上均通過(guò)焊接、螺套壓接等方式形成兩個(gè)外徑相同的管狀密封面,在其外層套一根不銹鋼管,利用介子卡環(huán)卡箍結(jié)構(gòu)將兩端的金屬件密封為一個(gè)整體。 在鎧裝電纜側(cè)通過(guò)將連接器尾夾放大的方式,形成不銹鋼管,見(jiàn)圖2。 為了使密封面在較小的扭力作用下產(chǎn)生足夠的形變,密封段加工成薄壁管狀結(jié)構(gòu),電氣貫穿件側(cè)的連接器尾夾也采用了類(lèi)似結(jié)構(gòu)。

圖2 鎧裝電纜尾夾基本結(jié)構(gòu)

由于四同軸有機(jī)電纜波紋管外表面不是規(guī)則的圓柱面,無(wú)法直接用作卡套密封面,在波紋管外設(shè)計(jì)了一根外徑與鎧裝電纜尾夾外徑相同的過(guò)渡管。 考慮到電纜內(nèi)部有機(jī)材料承受高溫能力有限,在過(guò)渡管焊接時(shí),除了在施焊過(guò)程中對(duì)焊縫前后加強(qiáng)冷卻外,還會(huì)在加熱區(qū)和卡套密封部位之間設(shè)置縮徑區(qū)隔熱,以縮短釬焊加熱部分的長(zhǎng)度,避免對(duì)整個(gè)過(guò)渡管加熱,縮短焊接時(shí)間,降低焊接產(chǎn)生的高溫對(duì)波紋管內(nèi)部材料的影響。 波紋管過(guò)渡管結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 波紋管過(guò)渡管結(jié)構(gòu)示意圖

電纜接插件集成后見(jiàn)圖4。 其中,左上方為卡套及相應(yīng)螺套零件。

圖4 集成后的電纜接插件

2 鑒定試驗(yàn)

上述電纜組件需要應(yīng)用到核電站,除了滿(mǎn)足核安全級(jí)電纜常規(guī)的鑒定試驗(yàn)外,還需要滿(mǎn)足堆外核測(cè)系統(tǒng)信號(hào)傳輸和目標(biāo)核電站使用環(huán)境的要求。 根據(jù)目標(biāo)核電站堆外核測(cè)量系統(tǒng)中安全殼內(nèi)電纜的實(shí)際使用需求,將電纜組件的鑒定試驗(yàn)分為核級(jí)電纜材料性能試驗(yàn)[2-3]、同軸電纜及接插件電氣性能試驗(yàn)、堆外核測(cè)量系統(tǒng)專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)三部分,以下分別介紹各部分試驗(yàn)項(xiàng)目情況。

2.1 核級(jí)電纜材料性能試驗(yàn)

核級(jí)電纜材料性能試驗(yàn)主要驗(yàn)證電纜采用的材料是否滿(mǎn)足核級(jí)電纜使用材料的要求,包括電纜的燃燒特性、有機(jī)材料的吸水性能、機(jī)械性能、毒性、老化性能等。 其中,有機(jī)材料包括內(nèi)部絕緣層和三層護(hù)套層。 核級(jí)電纜絕緣材料性能試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果見(jiàn)表1,護(hù)套材料性能試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 核級(jí)電纜絕緣材料性能試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果

表2 核級(jí)電纜護(hù)套材料性能試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果

電纜的燃燒特性不僅與電纜材料選型有關(guān),還與電纜結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。 根據(jù)GB/T 18380.34—2022《電纜和光纜在火焰條件下的燃燒試驗(yàn)》的要求,電纜試樣段的總根數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足總體積中試樣所含非金屬材料為3.5 L·m-1[4]。 根據(jù)所研制電纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算,電纜所含非金屬材料體積約為0.25 L·m-1。因此,成束燃燒需要14 根電纜。 在核電站堆外核測(cè)量系統(tǒng)電纜敷設(shè)時(shí),為了避免其他系統(tǒng)電纜引入的干擾,采用了獨(dú)立的金屬管分組敷設(shè),每組電纜最多7 根,未達(dá)到成束燃燒條件。 因此,電纜燃燒性能試驗(yàn)僅設(shè)計(jì)了單根垂直燃燒試驗(yàn),電纜燃燒試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 電纜燃燒試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果

由表1 ～表3 可知,電纜材料性能滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求,原材料選擇合理。

2.2 同軸電纜及接插件電氣性能試驗(yàn)

同軸電纜及接插件電氣性能試驗(yàn)主要驗(yàn)證四同軸有機(jī)電纜組件作為弱信號(hào)傳輸?shù)囊环N同軸電纜,其電氣性能是否滿(mǎn)足堆外核測(cè)量系統(tǒng)設(shè)定的要求,如絕緣電阻、特性阻抗、分布電容、回波損耗、屏蔽衰減等。 由于四同軸有機(jī)電纜銅波紋管和連接器還承擔(dān)密封功能,因此設(shè)置了氣密性試驗(yàn),將電纜一端與三同軸礦物質(zhì)鎧裝電纜集成后浸入水中,另一端通過(guò)輔助管路接入壓縮空氣,用于檢驗(yàn)鎧裝電纜尾夾、波紋管過(guò)渡管的焊縫及卡套密封面是否存在泄漏,作為連接器密封部件的常規(guī)密封檢驗(yàn)。 電氣性能試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 四同軸有機(jī)電纜組件電氣性能試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果

由表4 可知,研制的四同軸有機(jī)電纜組件電氣性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 其中,反映電纜傳輸特性的表面轉(zhuǎn)移阻抗、屏蔽衰減等參數(shù)優(yōu)于同軸電纜的設(shè)定值。

2.3 堆外核測(cè)量系統(tǒng)專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)?zāi)康暮驮囼?yàn)方法

堆外核測(cè)量系統(tǒng)專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)用于考察四同軸有機(jī)電纜組件作為堆外核測(cè)量系統(tǒng)的一部分在該系統(tǒng)生產(chǎn)集成后對(duì)系統(tǒng)的性能影響。 試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括電纜長(zhǎng)度影響、老化試驗(yàn)、熱循環(huán)試驗(yàn)、安全殼壓力試驗(yàn)、LOCA 事故模擬試驗(yàn)[5](DBE)、浸沒(méi)試驗(yàn)和地震試驗(yàn)。 其中,電纜長(zhǎng)度影響主要考察系統(tǒng)采用工程項(xiàng)目最大長(zhǎng)度的四同軸有機(jī)電纜后能否正常工作。 老化試驗(yàn)包括系統(tǒng)安裝調(diào)試過(guò)程中對(duì)電纜連接器的磨損老化試驗(yàn)、電纜設(shè)計(jì)使用壽期的加速熱老化和輻照老化試驗(yàn)。

電纜加速熱老化試驗(yàn)采用阿倫紐斯定律施加熱應(yīng)力,電纜組件活化能取自組件中活化能最小的材料,同時(shí)考慮壽期內(nèi)正常工況下和異常環(huán)境下的老化時(shí)間。 熱循環(huán)試驗(yàn)考察安全殼異常升溫時(shí)系統(tǒng)是否能夠正常工作。 安全殼壓力試驗(yàn)考察安全殼打壓測(cè)試時(shí)系統(tǒng)是否能夠正常工作。

電纜輻照老化試驗(yàn)包括正常使用期間,安全殼內(nèi)的累積γ 輻照,以及設(shè)定的事故工況下,放射性物質(zhì)異常排放導(dǎo)致的輻照老化。 事故工況下,除了存在γ 射線外,由于電纜浸沒(méi)在氣態(tài)放射性物質(zhì)中,還存在β 射線[6]。 γ 射線輻照老化可采用大型Co-60輻照?qǐng)鲞M(jìn)行模擬輻照,但人工產(chǎn)生大面積的β 射線比較困難,目前采取的試驗(yàn)方式主要為小尺寸樣品電子束輻照(替代β 輻照) 和等效γ 輻照兩種。 等效γ 輻照的方法是以事故工況下最高能量的β 射線作為參考射線,通過(guò)仿真計(jì)算,可計(jì)算得到β 射線穿過(guò)銅波紋管時(shí)產(chǎn)生的軔致輻射,以及穿過(guò)銅波紋管后剩余能量在波紋管內(nèi)部的累積劑量,增加一定裕量后,采用γ 射線進(jìn)行輻照試驗(yàn)。

2.3.2 堆外核測(cè)量系統(tǒng)專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)

堆外核測(cè)量系統(tǒng)專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)除β 輻照老化試驗(yàn)單獨(dú)進(jìn)行了電子束輻照外,其余均按照核電站要求在各種電纜最大長(zhǎng)度配置后開(kāi)展系統(tǒng)物理特性試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求為合格。 為了防止四同軸有機(jī)電纜外護(hù)套試驗(yàn)時(shí)碎化脫落堵塞安全殼排水口,試驗(yàn)結(jié)束后增加了外護(hù)套的外觀檢查,結(jié)果表明,各項(xiàng)試驗(yàn)后外層護(hù)套結(jié)構(gòu)均完整,專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 堆外核測(cè)量系統(tǒng)專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果

由表5 可知,堆外核測(cè)量系統(tǒng)專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足技術(shù)要求。

3 結(jié)論

四同軸有機(jī)電纜在堆外核測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)剛剛起步。 本工作介紹了某三代核電站堆外核測(cè)量系統(tǒng)用四同軸有機(jī)電纜組件的設(shè)計(jì)和鑒定過(guò)程,給出了詳細(xì)的試驗(yàn)項(xiàng)目和要求,希望能為開(kāi)發(fā)此類(lèi)產(chǎn)品的廠家和使用單位提供一定的幫助。 四同軸有機(jī)電纜具有屏蔽性能好、環(huán)境耐受能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),適合弱電信號(hào),尤其是弱脈沖信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。電纜的材料、鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目及方法需要在實(shí)踐中逐漸完善,從而推動(dòng)該類(lèi)電纜的應(yīng)用。