-
核电站用
lE
级
K3<
/p>
类电缆概说
上海电缆研究所张兆焕
(2000/03/15)
摘要
我国建造第一座核电站时,电缆几乎全部进口。现在国
内已有能力生产安全壳外使用的电缆,但电缆
标准还不很成熟。
本文粗浅描述了核电站概况,阐述了压水堆核电站用<
/p>
1E
级
K3
类电
缆的品种及其一般要求。此后对电
缆绝缘的热老化寿命评定、中压电力电缆的电寿命安全
性;电缆线芯的绝缘电阻、电缆的绝缘线芯单根燃
烧试验等问题进行了探讨,提供企业编
制标准作参考。
本文认为国
外对核电站用电缆的要求也并不统一,需要深入研讨并掌握其实质,以便正确合理地制定
我国的国家标准。
前言
核电站用电缆的性能参数、质量水平、制造技术和验收
规则比一般电缆高很多。我国核电站的建造,
在技术上受到法国、美国和俄罗斯的影响,
对电缆要求也不完全统一。我国生产
1E
级
K3
类电缆已有一定
经验,但有些电缆厂在试制电缆中也遇
到一些问题,本文主要对压水堆核电站用
1E
能
K3
类电缆有关问题
进行讨论,提供企业编制标准作参
考。
1E
级
K3
类电缆的环境条件及敷设条件
关于
1E
级的定义
----
完成反应堆紧急停堆;安全壳隔离、堆芯应急冷却、反应堆余热导出、反应
堆
安全壳的热导出;防止放射性物质向周围环境排放等功能的电气系统设备的安全级。关
于
K3
级的定义棗
在安全壳外,
在正常情况及地震荷载下能执行其功能的电气系统设备。
至于
1E
级
K1
类电缆敷设
安全壳内,
性能要求更高,但应指出
K1
类电缆不包括反应堆内用的电线电缆。本文主要描述压水堆用
1E
级
K3
类电
缆情况。
不同地区建造核电站,对电缆的环境条件
有一定差异,以下为典型实例。
1
.
电缆在安装期间和投入运行之前的环境条件
环境温度为
-10
~+40℃;大气压力为
p>
0.096
~
0.106MPa
:最大相对湿度为
100
%;有水喷淋;含盐份<
/p>
空气;有大量灰尘。在上述规定环境条件下,电缆的性能和结构不会受到不可恢复的损坏。
当然不可忽视
电缆应能长期经受日光直接照射,其外护套无损坏
(
例如表面开裂
)
,但允许护套颜色变
化。我国曾有大批
进口电缆在投入运行之前,在现场储存和安装期间,发生外护套严重开
裂,分析其原因有三点:首先是护
套用材料质量差;其次是护套挤出工艺不当;第三是实
际最低环境温度下降到低于设计规范提出的最低温
度。这种情况在进行电缆型式试验时不
一定能发现,需要用特殊的冷、热冲击试验方法来考验和判定。这
是值得引起重视的经验
教训。
2
.反应堆安全壳外的使用环境条件
环境温度为
-10
~+55℃;大气压力为
0.096
~
0.106MPa
;来自热辐射和热传导影响电缆的温升,最大
高于环境温度
15K
;最大相对湿度为
100
%;有水喷淋;有含盐空气;存在灰尘;最大空气速度
10m
/
s
;
截止频率的机械振动振幅为
O
一
75
μ
m
,频率在
10?000Hz
的加速度
0.2g
< br>,低于截止频率时表示位移恒定
时的振幅,高于截止频率时表示加速度恒定时的振
幅。实际上这样的振动对电缆无多大影响。反应堆安全
壳外的使用环境条件比地区环境条
件稍严,在这样的条件下,不管电缆是否使用,寿命应大于核电站设计
寿命。
3
.电缆的敷设条件
电缆敷设在户内或户外,在户外敷设时应避免日光直接
照射,但实际上不可能完全无日光照射,所以
电缆护套的耐光性能也需适当注意。
电缆架空敷设情况有
3
种:
a)
电缆用线夹固定在墙上,
b)
电缆敷设在水平的连续或断续的电缆托架上;
c)
电缆被夹在垂直的电缆托架上。
当电缆在非通风用的管道内或埋设于混凝土结构中的导管内敷设。此时电缆受到必要的牵
拉,其要求
为:
a)
电缆应能承受拉
10m
电缆的重量所产生的牵
拉力;
b)
与粗糙地面的摩擦力;
c)
弯曲半径不小于
12
倍电缆外径时
内弯曲应力
(
低压电力电缆为
16
p>
倍
)
。
从敷设经验来看,在正常操作敷设电缆的情况下,电缆
可以满足上述的牵拉要求。
1E
级<
/p>
K3
类电缆常用品种
电缆常用品种有:
6
/
10kV
电力电缆,
0.6
/
1kV
电力电缆,
0.6
/
1kV
控制电缆
,
300
/
500V
< br>仪表电缆,
300
/
500V<
/p>
热偶补偿电缆共
5
种。其中
6
/
10kV
级电力电缆的
连接系统为中压配电盘之间;中压配电盘与
电动机之间;
中压配
电盘与
6000
/
400V
变压器之间。因此电缆的额定运行电压为
6kV
,
但技术规范书却以
6
/
10kV
等级来考虑,留有一定的安全余度。
电力电缆和控制电缆在正常运行状态下,长期导体温度
θ
≤90℃,在事故运行状态下,导体温度
θ
≤
250℃,时间不超过
4s
。
设计规范对
6
/
10kV
电力电缆要求用无卤阻燃交联聚乙烯或无卤
阻燃乙丙橡胶绝缘,这与规范本身试
验要求的规定有矛盾,所以实际采用的还是传统的非
阻燃交联聚乙烯或乙丙橡胶绝缘料。由于乙丙橡胶较
软,用户比较倾向于用乙丙橡胶绝缘
。护套可用热塑型或交联型无卤低烟阻燃材料,无疑后者有显著的优
越性,但工艺较麻烦
,价格也较贵。电缆总体结构与一般电力电缆基本一致。
0
.<
/p>
6
/
1kV
电力
电缆可采用
无卤低烟阻燃型交联聚烯烃或乙丙橡胶绝缘,也谈到用交联聚乙烯和阻燃无卤
材料,含意不很明确。护套
要求用热塑型或交联型无卤低烟阻燃材料,但为了加工简易,
大多采用热塑型无卤低烟阻燃材料。
控制电缆的线芯数为
2
一
37
,直流网络电压为
220V
及以下,交
流网络电压为
220V
和
380V
p>
,主要完
成带有强电性质的操作性功能。绝缘型式有:
a)
无卤阻燃交联聚乙烯;
b)
无卤阻燃材料;
c)
完全粘合的双层无卤材料,外层应阻燃;
d)
阻燃乙丙橡胶。
可见绝缘只要能满足使用温度要求,
< br>并不一定用热固性材料,
但用户会提出承受
4s
时间的
250℃短路
温度,
热塑型绝缘难以胜任,
需有一定措施,
但又会引起用户的质
疑。
控制电缆的线芯一般没有单独屏蔽,
大部分在成缆后加总屏
蔽。
仪表电缆用于测量系统
的连接,实际上是弱电功能性质。补偿电缆用于热电偶与记录仪,计算机以及
数据处理系
统的连接。他们的运行电压虽为
500V
及以下,实际上不是信
号的电压,而是系统设计的要求。
仪表电缆的绝缘线芯需要绞合,由二芯、三芯或四芯绞
成一个单元;补偿电缆绝缘合金线芯,需要对绞成
单元,每个单元有屏蔽层,一般用聚酯
铝箔复合带绕包加引接线构成,也有铜线编制。绝缘型式有:
a)
无
卤材料,交联聚乙烯;
b)
无卤,
阻燃材料;
c)
双层紧密结合的无卤材料。当绝缘能满足最高使
用温度时,
不一定用热固性材料,这类电缆一般未提出短路温度要求。各单元绞合成缆,
绕包后有铜线编织的总屏蔽
层,外护套为无卤阻燃交联或热塑材料。
1E
级
K3
类电缆的一般性能指标
1
.导体
除补偿电缆外,其他电缆的导体采用铜线或镀锡铜线,导体结构性能相应符合
GB3953(
电工圆铜线
)
、
GB4910(
镀锡圆铜线
)<
/p>
、
GB3957(
电力电缆铜、铝导电线
芯
)
、
GB3956(
电气装备电线电缆铜铝导电线芯
)
标准
的有关规定。补偿电缆导体采用的合金线应符合
GB
/
T4990
的规定。
2
.绝缘
绝缘有多种材料,如交联聚乙烯、阻燃交联聚烯烃、阻燃热塑聚烯烃、乙丙橡胶、阻燃乙
丙橡胶等。
以下是对各种材料的基本机械及理化性能要求。
<
/p>
(1)
老化前抗张强度
(To)
和断裂伸长率
(Eo)
To(MPa)
最小
E
。
(
%
< br>)
最小
交联聚乙烯
12.5
200
阻燃交联聚烯烃
阻燃热塑聚烯烃
9.0
200(120)
9.0
120(100)
阻燃乙丙橡胶
4.2
200
核电站设计规范原文中对上述规定有的并不十分确切,从制造经验来看,断裂伸长率对阻
燃交联聚烯
烃和阻燃热塑聚烯烃应取
120
%为宜。
(2)
空气老化后的抗
张强度变化率
(
Δ
T)
和断裂伸长率变化率
(
Δ
E)
老化温度(℃)
老化时间
(h)
Δ
T(
%
)
最大
Δ
E(
%
)
最大
交联聚乙烯
135
240
土
25
土
25
阻燃交联聚烯烃
阻燃热塑聚烯烃
135
240
土
25
土
25
120
240
土
25
土
25
阻燃乙丙橡胶
135
240
土
25
土
25
(3)
各种阻燃绝缘料燃烧时逸出气体分析应符合:
HCI
p>
含量最大为
5mg
/
g
;
pH
值最小为
< br>4.3
;电导率最大为
10
μ<
/p>
s
/
mm
。
p>
3.
中压电力电缆用屏蔽
导体屏蔽和绝缘屏蔽料与一般电力电缆的大致指标相同,见表
1
。
表
1
序号
1
2
3
性能指标
老化前抗张强度最小
老化前断裂伸长率最小
电阻率
20℃最大
90℃最大
4
相容性试验(100℃ 42 d)
断裂伸长率变化率
单位
Mpa
%
Ω
·cm
Ω
·cm
%
导体屏蔽
7
150
绝缘屏蔽
7
150
5000
25000
土
40
42d
最大
14
d
与
42
d
最大差值
以上指标均在材料模压试片上讲行试验。
4
.护套
%
士
25
护套由无卤低烟阻燃材料组成,根据要求可用热塑型或交联型,见表
2
。
表
2
序号
性能指标
1
老化前机械性能
单位
Mpa
%
℃
h
%
%
mg
/
g
μ
s
/
mm
热塑型护套
9(7)*
120(120)*
110(100)*
240
土
25
土
25
5
4.3
10
交联型护套
9
120
120
240
土
25
士
25
5
4.3
10
抗张强度
最小
断裂伸长率
最小
2
空气老化后机械性能
老化条件:温度
时间
抗张强度变化率
最大
断裂伸长率变化率
最大
3
燃烧性能
HCl
含量
最大
pH
值
最小
电导率
最大
*
括
号中数据为中压电力电缆原始和老化后的指标要求。
4
.其他性能
其他一些从成品切取的绝缘和护套试样性能,如热延伸
、高温压力、热收缩、抗开裂、低温弯曲、低
温拉伸、低温冲击、成品附加试验
(
即成品段的附加热老化试验
)
,大部分与一般电缆相同,此处从略。
5.
关于低压电缆的绝缘结构问题
电缆的工作温度、短路温度、热寿命评定、绝缘电阻、燃烧特性以及外径尺寸等指标是相
互制约的,
所以绝缘结构需作全面考虑。规范规定电缆可采用单层绝缘或双层绝缘结构,
按目前各厂制定的企业标准
分析,单层绝缘难以全面符合指标,双层绝缘可使绝缘和阻燃
性能得以平衡,但工艺比较麻烦,需要双层
共挤。电缆要求承受
250℃4s,所以双层绝缘内层宜用无填料的交联聚乙烯,外层可用交联或热塑阻燃聚
烯烃。内外层绝缘厚度不宜相差悬殊,并紧密结合不分层,若内层厚度过分薄,就不能理解为绝缘,实质
上成为隔离层,按推理隔离层厚度不应计人绝缘总厚度,进一步推论隔离层的材料和工艺可不受上
述绝缘
材料和挤出工艺的限制,当然选用隔离层材料也不得低于绝缘的水平。从成品上剥
取线芯绝缘的机械和老
化试验方法也存在问题,因试样是整体进行试验的,假如内层为交
联材料,外层为热塑材料,则指标与老
化条件不相同。如果分别将材料压片进行试验,只
能说明材料性能的保证,工艺因素未能考核。此外需着
重指出,无论哪种绝缘和隔离层都
必须是无卤材料,否则就不符合规范规定。
1E
级
K3
类电缆的热寿命评定
核电站的工作寿命要求
40<
/p>
年,最近又提出争取
60
年,当前设计要
求电缆寿命应不低于
40
年。交联
聚乙
烯电缆已有
40
多年的发展史,长期在
90℃下使用的热老化已被确认,但核电规范要求必须进行热老
化寿命评定试验,所以电
缆厂必须提供热老化寿命评定报告。
1
.热老化评定的基本原理
几十年来,根据国际上对电线电缆用高分子材料的试验研究和运行经验,得出这样的结论,即电线
电缆在
一定工作温度范围内,热寿命的化学反应,大多数情况符合下面的经验公式。
p>
ln
τ
=
a
十
b/T;
式中
τ
------
产品在温度
T
条件下工作的寿命
(h)
T-------
工作温度
(K)
a
,
b-------
待定系数
此公式已应用了几十年,很多情
况下验证有效,在设定的工作温度下,通过试验和推导,可计算出待
定系数
a
和
b
,利用此公式可算出
寿命
τ
,若
τ
的数值大于期望值,也就满足了设计寿命要求。
2
.寿命评定试验方案设计
交联聚乙烯电缆的常规老化试验为
135℃168h,因此可确定
135℃为最低试验温度。试验方案参考
IEC216“确定热老化试验程序和评定试验结果的一般规程”和
IEE
E
一
383
标准。寿命评定试验温度的
每
个级差取
15℃,共有
4
个试验温度点,最高试验温度为
180℃。试验时间延续到
5000h
左右。
3
.试样
试样制取是影响试验结果的主要因素之一。试样应当符合国内试验标准的规定,试验可采
用电缆绝缘
线芯制成试样,绝缘线芯的制造工艺与生产电缆工艺完全一致,具有实际代表
性,从绝缘线芯上剥取管状
试样,管壁厚约
1mm
,外径约
3mm
。在进行热老化试验之前,应先进行
其他有关试验,如热延伸试验等,
以确认试样的工艺和性能正常,这样才能保证热老化试
验的正确性。
4
.寿命终止参数的选择
绝缘材料热老化过程中有二个特征参数,即抗张强度和
断裂伸长率,在本试验过程中,断裂伸长率的
下降速率比抗张强度快;
< br>因此,
取断裂伸长率作为寿命评定参数。
核电站用
1E
级
K3
类电缆,
届固定敷设,
电缆处于静弯曲状态下运行,绝缘的伸长状态稳定
。按电缆敷设弯曲半径计算,绝缘实际伸长率数值不超
过
10<
/p>
%。
测得试样原始断裂伸长率为
260<
/p>
%,假设取断裂伸长率保留率
50
%作为
寿命终止点,此时断裂伸
长率仍有
130
%,对运行中电缆有足够的安全系数。
5
.数据处理及寿命推算
按
IEC60216
-1
导则及相关数学原理处理,先应用作图法,分别绘出
4
p>
个温度的断裂伸长率保留
与时间的关系,并根据假设的寿命终止点标
出时间。典型的试验和计算结果如下:
试验温度(℃)
终止时间
(h)
180
75
165
380
150
1000
135
4000
设
x
=
1
/
T
y
=
1og
τ
得方程式
y
=
a
十
bx
用最小二乘法计算系数
编
号
试验温度(℃)
1
180
2
165
3
150
4
135
Σ
平均值
(p)
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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