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核电站用lE级K3类电缆概说

作者:高考题库网
来源:https://www.bjmy2z.cn/gaokao
2021-02-02 14:55
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-

2021年2月2日发(作者:parents怎么读)


核电站用


lE



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



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


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



K3


类电缆有关问题


进行讨论,提供企业编制标准作参 考。



1E



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



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


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


0.096



0.106MPa

< p>
: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

< p>
~+55℃;大气压力为


0.096


< p>
0.106MPa


;来自热辐射和热传导影响电缆的温升,最大

< p>
高于环境温度


15K


;最大相对湿度为

< p>
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


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。

< p>


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



)





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,

< p>
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

< p>
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



37


,直流网络电压为


220V


及以下,交 流网络电压为


220V



380V


,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)



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



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

< p>
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



25



25


阻燃交联聚烯烃



阻燃热塑聚烯烃



135


240



25



25


120


240



25



25


阻燃乙丙橡胶



135


240



25



25


(3)

各种阻燃绝缘料燃烧时逸出气体分析应符合:



HCI


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




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





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




40


42d


最大


14 d



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






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





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



25



25




5


4.3


10


交联型护套





9


120




120


240



25



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




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



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。



ln


τ



a



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



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

< p>
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



383


标准。寿命评定试验温度的 每


个级差取


15℃,共有


4

< p>
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



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



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





IEC60216 -1


导则及相关数学原理处理,先应用作图法,分别绘出


4


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



x



1



T y



1og


τ



得方程式


y



a



bx


用最小二乘法计算系数







试验温度(℃)



1


180


2


165


3


150


4


135


Σ




平均值


(p)


-


-


-


-


-


-


-


-



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