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当核电站专用电缆简介

发布时间:2021-09-15 00:26:16 阅读: 来源:液压滤芯厂家
当核电站专用电缆简介

核电站专用电缆简介

据 2002 年全国能源消耗统计,全国商品能源消费量为 14.8 亿吨标准煤,居世界第二位。其中煤炭占 66.1% ,石油占 23.4% ,天然气占 2.7% ,水电占 7.1% ,核电占 0.7% 。另外全国农村消耗秸杆和薪材达 2.8 亿吨标准煤。总之我国核电能量的应用与经济发展速度十分不协调。再从电力供应的紧缺情况分析,国家最近公布的电力工业情况,全国 2004 年一季度发电量为 4794 亿 kWh ,全社会用电容量为 4805 亿 kWh 。 2004 年第一季度有 24 个省市拉闸限电。发电不足的主要原因: ⑴ 除三峡外全国 24 座重点水电站水量比每年同期少 10% 以上。 ⑵ 发电用煤供应不足,一季度全国煤炭社会库存量同比下降 16.6% ,企业煤炭库存量同比下降 6.84% 。 ⑶ 铁路运输制约,铁路全路装车满足率仅 35% 。 2004 年全社会用电量约 21725 亿 kWh ,净增 2844 亿 kWh ,同比增长 15% 左右。全国新增发电装机容量 4174 万 kW ,其中水电 817 万 kW ,火电 3185 万 kW ,核电 165 万 kW 。 2004 年年底总装机容量达到 4.32 亿 kW ,提前二年实现电力 “ 十五 ” 调整增长目标,同比增长 10.7% 。预计到 2008 年,电力供需趋向平衡或略有富裕,据悉待批电厂总项目规模已达到 2.5 亿 kW ,这是目前全国装机容量的 2/3 ,按此计算大致年增长率为 10.5% ,可见电力建设发展之规模。技术方面我国将对火电、燃气、水力、核电和风力发电设备同时研究发展。

·核电站建设的审批权在我国高度集中,我国经济发达、电力负荷集中的沿海地区,核电站将成为电力结构的重要支柱。近日国务院就进一步建设我国核电站作出 决策,批准了浙江三门、广东岭澳扩建项目;此外,广东阳江核电项目和浙江秦山二期扩建项目正在报审过程中。截止 2004 年 7 月,我国共有 9 台核电机组投入运行。东部沿海其他省份还有几个核电厂址,目前正在开展前期工作。预计到 2020 年以前,将新建 27 个百万千瓦级的核电机组。也就是说,今后 16 年中,新增核发电装机容量将达 3000 万千瓦,每年将有二到三个核电机组开工建设。到 2020 年核电在总发电容量中的比重将从目前 1.8% 上升到 4% 。由于当前核电站的运转需要大量水源,所以规划核电站主要布局是考虑东南沿海省份。关于核电建设的投资问题,国外经济专家认为要完成这样大规模的核电工程 建设,按保守的估计,投资也在 400 亿美元以上。中国核工业集团公司,希望新建核电站的平均国产化率能够达到 60% ,这样估计有 240 亿美元(约 2000 亿人民币)的货物可能国产化。从我国电线电缆行业分析,在目前电缆制造技术水平上,再进一步改进设备和产品开发,电线电缆的国产化率可达到 95% 以上。

·常规电厂用电缆,无论是电力、控制、仪表、数字和热偶电缆,国内制造技术已经成熟,生产能力富裕。但核电厂的非常规发电区域用电缆,仍有一些问题需要解决。进一步提高现有的 1E 级 K3 类电缆质量和品种开发,同时 1E 级 K1 类电缆及其试验基地的建设,也是当前应考虑的任务。既然核电站发展是当务之急,那么核电站用电缆的标准问题也必然会提上日程上。我国核电站设计受法国、美 国和俄罗斯三方面的影响,因此核电设计部门对电缆技术要求并不完全统一,从而各电缆厂的企业标准也不尽相同,从安全性、可靠性和强制性的观点来看, 1E 级电缆标准是否可由多方面联合起草,并制定为国家标准,这个问题比较复杂,需要多方面进行协调。 国内 1E 级电缆是这样定义的:指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。 K3 类电缆是指在安全壳外处,在正常情况和地震荷载下能执行其规定功能的电缆 。 按此定义要求作为强制性国家标准也并不过分,并且标准制定的准备工作和具体操作 宜快而不宜怠。从用途来说,核电用电缆品种与一般火力发电厂基本相同,但其材料组成和试验项目则有较大的差异。主要品种有 1 kV 及以下电力电缆、控制电缆、仪器仪表电缆、热偶补偿电缆以及 6/10kV 等级电力电缆。

·当前国内的绝缘以交联聚烯烃为主,护套以热塑性聚烯烃为主,今后可能需要增加乙丙橡胶绝缘和交联聚烯烃护套品种的应用比重。 1E 级 K1 类电缆,需要经受辐射试验,大概情况如下: (1) 热老化试验,美国为 138 ℃ 300 小时,相当于使用 40 年。 (2) 辐照试验,老化试验后用钴源进行 γ 射线辐照试验,美国对缓和环境电缆的吸收剂量规定为 7 × 105 Gy ,对严酷环境为 15 × 105 Gy 。 (3) 模拟 LOCA-HELB 试验,电缆放在容器内以规定的温度、蒸汽压力和时间进行循环试验,同时喷射化学溶液,常采用含 1.5% 硼酸溶液,并在室温下用氢氧化钠调节其 pH 值至 10.5 作为溶液。喷射流量对水平投影面为 34.2 i/min m2 。 (4) 浸水耐电压试验,在 γ 辐照试验后,对缓和环境电缆,卷绕在 20 倍电缆外径在金属圆柱体上,对严酷环境电缆则为 40 倍径,然后浸入室温水中,以 3.15 MV/m 梯度施加电压, 5 分钟不击穿为合格。 以上仅是核电站用电缆试验的概略说明,实际试验还有许多具体细则。

·大致在上世纪 80 年代中期,我国在消化并结合美国火力发电站规范的基础上,开始研究发展核电站用电线电缆,原第一机械工业部下达任务:由上海电缆厂和沈阳电缆厂试制电缆, 由上海电缆研究所进行电缆的全面评测,该阶段的工作虽然带有摸底性质,但对以后的开发很有帮助。上世纪 80 年代后期,大亚湾核电站的大量进口电缆护套发生开裂,委托上海电缆研究所进行试验,并分析了产生开裂的根本原因,最后外商同意经济索赔。由于时间上不可能 由外国重新提供电缆,所以必须更换的电缆由上海电缆厂及时供应并运行正常。上世纪 90 年代中期和后期,我国加快了核电站建设步伐,核电站用电线电缆制造厂已进入市场竞争阶段。至今上海电缆研究所电线电缆检测中心和技术开发中心,已相继进行了十次以上的核电站用电线电缆测试和评定,结果说明要生产出全面优质的核电站用电线电缆,技术上也不是轻易的事,就最近二年内,已交货待使用的电缆,仍发现质量问题。今后更多的核电站用电线电缆要上市,更应该重视线缆质量问题。

一. 核电站电缆的分类

核电站电缆主要应用于核反应堆厂房、核辅助厂房、汽轮机厂房,电缆敷设方式一般采用管道或线槽,要求电缆具有可靠的使用寿命、热稳定性、防潮性、化学稳定 性和抗辐射性。为保证系统设计的高可靠性,避免设备损坏导致的严重经济后果,通常采用重复的多路独立线路系统和装置,通常动力电缆采用两套独立线路系统, 控制电缆采用三套独立线路系统。

核电站用 1E 级电缆按核电站电气系统设备的安全类别分为三类: K1 、 K2 、 K3 。安全类别 K1 、 K2 、 K3 类有如下定义:

K1 类电动执行机构。安装在核反应堆安全壳以内,在正常环境条件下和在 SL2 (安全停堆地震)载荷以下及在事故期间或事故之后仍能执行其规定的功能。

K2 类电动执行机构。安装在核反应堆安全壳以内,在正常环境条件下和在 SL2 (安全停堆地震)载荷下仍能执行其规定的功能。

K3 类电动执行机构。安装在核反应堆安全壳以外,在正常环境条件下和在 SL2 (安全停堆地震)载荷下仍能执行其规定的功能。

三类电缆的运行环境差别很大,其中 K1 类的运行环境最恶劣,对电缆的性能要求也最为苛刻,必须通过模拟冷却剂跑失事故( LOCA )试验才可以投入运 行。根据电缆的实际运行环境,核电站发生 LOCA 时,安全壳( Containment Vessel )内外的电缆都将会受到严峻考验。有人认为,安装在核反应堆厂房内的电缆都应进行模拟 LOCA 试验;其次,只有能够生产 1E 级 K1 类电缆,才 能够证明该电缆厂家完全具备了生产核级电缆的能力,电缆的结构设计和性能指标的制定最好根据反应堆厂房和核辅助厂房两个运行环境的具体条件进行确定。

核电站电缆常用品种有: 6/ 10 kV 和 0. 6/ 1 kV 电力电缆, 0. 6/ 1 kV 控制电缆, 300/ 500 V 仪表电缆, 300/ 500 V 补偿导线共 5 种。

下表是国内某公司的规格表:

表 1 1E 级核电站电缆的型号名称

型 号

名称

YJY K3

铜芯交联聚乙烯绝具有峰值保持、破坏自动停机、过流、过载自动保护功能缘无卤低烟聚烯烃护套核电站用 1E 级 K3 类电力电缆

YJY23 K3

铜芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装无卤低烟聚烯烃护套核电站用 1E 级 K3 类电力电缆

YJYJ K1

铜芯交联聚乙烯绝缘无卤低烟阻燃热固型护套核电站用 1E 级 K1 类电力电缆

YJYJ23 K1

铜芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装无卤低烟阻燃热固型护套核电站用 1E 级 K1 类电力电缆

KYJY K3

铜芯交联聚乙烯绝缘无卤低烟聚烯烃护套核电站用 1E 级 K3 类控制信号电缆

KYJY23 K3

铜芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装无卤低烟聚烯烃护套核电站用 1E 级 K3 类控制信号电缆

KYJYJ K1

铜芯交联聚乙烯绝缘无卤低烟阻燃热固型护套核电站用 1E 级 K1 类控制信号电缆

KYJYJ23 K1

铜芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装无卤低烟阻燃热固型护套核电站用 1E 级 K1 类控制信号电缆

二.电缆有关实验标准和要求.

1 、试验内容

( 1 )电缆基本性能的型式试验;

( 2 )电缆应能通过 IEEE383 规定的成束电缆垂直燃烧试验;

( 3 )烟浓度试验;

( 4 )成品电缆护套材料燃烧时释放气体的试验;

( 5 )电力电缆电老化试验;

( 6 )绝缘和护套材料的长期耐热性评定试验;

( 7 )等效 50 年运行的热老化模拟试验;

( 8 )等效 50 年运行的放射线照射老化模拟试验;

( 9 )模拟抗震试验;

( 10 )等效 50 年运行 LOCA 时的放射线照射试验、模拟 LOCA 试验(高温、高压的水蒸汽);

( 11 )性能检查试验。

其中, (1)~(3) 为型式试验, (7)~ (10) 为环境模拟试验, (8) 和 (10) 两项试验都是经过第 7 项试验后进行的。性能检查试验包括电压试验、燃烧试验、绝缘和护套的抗拉强度、断裂伸长率的测量等。对运行环境的具体条件进行确定。

2 、试验方法

a. 电力电缆 5000 h 电老化试验

电力电缆应通过 5000 h 的电老化试验,试验按 lEC 60502 规定进行测试。试验条件为 :

( 1 )电缆试样的长度:不小于 30m ;

( 2 )施加电压:相与相之间施加电压 2 ( μ 为电缆导体间的额定工频电压);

( 3 )施加电流:电流通过电缆,要使导体温度达到 95~ 100℃ ;

( 4 )一个循环的持续时间: 8h 加热,然后 16h 冷却;

( 5 )试验持续时间不少于 5000h (即 209 个温度循环 ) 。

试验结果:试验期间电缆应不击穿。

试验电压和试验时间是依据电缆绝缘的寿命指数 n 来确定的,并留有一定的安全裕度,电老化寿命方程式为: Unt=C[(1) 式中, U 为电缆上施加的电压; n 为寿命指数; t 为电击穿时间; C 为常数 ( 与结构等有关 )] 。

若采用的交联聚乙烯的寿命指数 n≥9 ,核电站要求电缆使用寿命为 50 年,可利用式 (1) 来推算电压与时间的关系。例如:工作电压 U= 10 kV ,则要求最大的3d打印件获吉尼斯纪录—abs和碳纤维复合材料工作时间 t = 348000 h ( 50 年 ) ;试验电压 =20 kV ,则要求试验时间 = 5000 h 。

将上述参数代入式( 1 ) 可得:

求解可得 n = 6. 45 ,小于 9 ,说明该试验方法有安全裕度。

b. 绝缘和护套材料的长期耐热性评定试验

根据 IEC60216 标准和 IEEE 标准推荐用于非金属材料加速老化规律的数学模型为阿伦纽斯 (Arrhenius) 经验推算公式 : Inτ=a+b/T ( 2 )中, τ 为产品在温度 T 条件下工作的寿命 (h) ; T 为工作温度 (K) ; a , b 为待定系数。

式( 2 )己应用了几十年,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 ,然后利用式 (2) 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。

( 1 )试验温度和时间的确定。常规老化试验为 135℃ ,168 h ,因此可确定 135℃ 为最低试验温度。试验方案参考 IEC60216" 确定热老化试验程序和 ! 评定试验结果的一般规程 ” 和 IEEE383 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。

( 2 )寿命终止参数的选择。绝缘材料热老化过程中有两个特征参数,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,故取 断裂伸长率作为寿命评定参数。按电缆敷设弯曲半径计算,绝缘实际伸长率不超过 10 %。测得试样原始断裂伸长率为 160 % , 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 80 %,对运行中电缆有足够的安全系数。

( 3 )数据处理及寿命推算。按 IEC 则及相关数学原理处理,先应用作图法,根据假设的寿命终止点绘出 Arrhenius 曲线图。同时计算出待定系数 a , b, 确定试验材料的温度 与寿命关系式,当 90℃ 时计算寿命值不小于 50 年时,材料即判定为具有 50 年合格寿命。

c. 等效 50 年运行的热老化模拟试验

根据 IEEE 标准,成品电缆样品的热老化模拟试验使用 Arrhenius 技术制定的数据,在一定温度和时间内将电缆放置在空气循环烘箱内来进行模拟试验。

绝缘和护套材料热特性数据应建立在热寿命评定结果的基础上。将己确立的材料具有 50 年使用寿命的 Arrhenius 曲线图和温度与寿命关系式,作为确定成品电缆样品运行老化模拟试验数据的依据。

已经确立的 Arrhenius 曲线图和温度与寿命关系式,是在材料的断裂伸长率保留率为 50% 时的假定寿命终止点,成品电缆样品等效 50 年运行热老化 模拟试验应选择在 90 ℃ 时,假定寿命终止前的一个点。在 Arrhenius 曲线图中,根据式 (2) 和己知的斜率,建立新的曲线和温度与时间关系式来选择模拟试验的温度和时间。

d. 等效 50 年运行的放射线照射老化模拟试验

辐射试验的成品电缆样品应经过等效 50 年运行的热老化模拟试验。等效 50 年运行的辐射老化模拟试验以 C60 作为放射源,辐射的速率不大于 1.0×104Gy / h 辐射剂量为 2.5×105Gy ,满足电缆在核辅助厂房和反应堆厂房中正常辐射剂量环境条件的耐辐射性能要求。

e. 模拟抗震试验

电缆样品缠绕直径 20D ( D 为电缆外径 ) 的试验圆柱体至少一圈,再反方这些复合材料具有多种功能性和优良的结构性能向重复此过程,为一个循环,共二个循环。缠绕循环后,将绕在圆柱体上的试样放入加热至电缆额定运行温度的烘箱中 24h ,冷却后进行规定的性能检查试验。

f. 等效 50 年运行 LOCA 时的放射线照射试验、模拟 LOCA 试验 ( 高温、高压水蒸汽下暴露 )

LOCA( Loss of coolant accident) 是冷却剂跑失事故,在轻水反应堆中也称为失水事故。无论是在沸水堆 (BWR) 还是在压水堆( PWR) 体系中,山于管道渗漏或其它原因, 冷却剂跑失事故有时会发生。在这种情况下的电缆,无论是在安全壳内或外,都要受到严峻的考验,即承受不同程度的高温、高压,化学物质喷射和史大剂量的 γ 线 照射。只有通过这种模拟 LOCA 条件试验的电缆才能安全使用在核电站。因此,反应堆厂房内的电缆,无论在安全壳内还是在安全壳外都应进行 LOCA 试验。

g. 性能检查试验

性能检查试验包括耐压试验、燃烧试验、绝缘电阻、绝缘和护套的抗张强度、断裂伸长率的测试,其中绝缘电阻、抗张强度和断裂伸长率测试仅作参考。

耐压试验:将样品弯曲,其弯曲直径为样品中电缆直径的 40 倍,然后以 3.15kV/min 梯度施加电压,持续 5min ,电缆应不击穿。

燃烧试验:通过 IEEE383 规定的成束燃烧试验。 (end)

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