热老化对XLPE绝缘核级电缆火灾绝缘失效影响研究

李　强，张佳庆，左嘉旭，舒中俊，杨益琛

(1.武警学院 a.消防工程系； b.研究生队，河北 廊坊　065000；2.国网安徽省电力公司 电力科学研究院，安徽 合肥　230022；3.环境保护部 核与辐射安全中心，北京　100082)



热老化对XLPE绝缘核级电缆火灾绝缘失效影响研究

李强1a，张佳庆2，左嘉旭3，舒中俊1a，杨益琛1b

(1.武警学院 a.消防工程系； b.研究生队，河北 廊坊065000；2.国网安徽省电力公司 电力科学研究院，安徽 合肥230022；3.环境保护部 核与辐射安全中心，北京100082)

为评估服役核级电缆在火灾中绝缘失效情况，对加速热老化后的XLPE绝缘核级电缆在模拟火灾环境下的绝缘失效参数展开试验研究，结合加速热老化与实际老化年限关系，分析老化影响规律在工程中的应用方法。结果表明，电缆绝缘失效线芯温度和绝缘失效时间随着加速热老化时间的增长呈线性下降趋势。基于电缆绝缘材料断裂伸长率保留率，可以有效估算电缆试样老化寿命和一定服役年限电缆的绝缘失效参数。

核级电缆；热老化；绝缘失效线芯温度；绝缘失效时间

0　引言

核级电缆工作环境严苛，在使用过程中不可避免的受到温度、湿度、辐射、蒸汽、臭氧等环境因素长期的累积影响，其物理化学性质将出现不可逆变化[1]。研究表明，核级电缆在其生命周期的主导老化因素为热老化[2]。热老化作用会造成电缆绝缘材料劣化[3]，电缆自身和内部添加剂的热分解将产生物质强极性，增强电缆绝缘材料导电性能[4]，提升电缆故障点燃风险。同时，热老化作用也会对电缆的燃烧特性和火灾中持续供电能力产生不利影响[5]。由于核级电缆必须具有较高供电安全要求，在服役过程中应就电缆在火灾中绝缘失效规律展开研究，但目前该研究尚未针对核级电缆开展，电缆受热绝缘失效规律的工程指导分析并不充分。因此，本文将对加速热老化后的XLPE(交联聚乙烯)绝缘核级电缆在模拟火灾环境下的绝缘失效规律展开试验研究，分析老化影响规律在工程中的应用方法。

1　试验设计与方法

试验电缆选用某电缆厂生产的WDZ-HK3-PYJP3YJP3-300/500V核级电缆(XLPE绝缘1E级K3类300/500V铜芯无卤低烟阻燃交联聚乙烯绝缘交联聚乙烯护套屏蔽电缆)。采用扬州道纯试验机械厂生产的401C型热老化试验箱，按GB∕T 2951.12—2008[6]试验方法对电缆样品进行加速热老化，研究中选取的加速热老化温度Ta、加速热老化时间th及实际老化年限ta如表1所示。

选用苏州宇诺仪器有限公司生产的万能试验机，按GB/T 2951.11—2008[7]试验方法，对老化后电缆进行拉力试验，测量绝缘材料的断裂伸长率保留率(EAB)。采用自行开发的SDR-1型电缆热辐射试验炉模拟火灾热环境(热辐射通量为5.4 kW·m-2)。电缆相间绝缘电阻测量采用同惠电子股份有限公司生产的TH2683A型绝缘电阻测试仪，按文献[8]方法判定电缆受热绝缘失效，确定电缆绝缘失效线芯温度Tc和绝缘失效时间ts。

表1　加速热老化试验数据

2　加速热老化与实际老化年限预测

IEC 60216-1：2013推荐以电缆试样的断裂伸长率保留率作为评价其老化性能的指标[9]，可用于判定电缆绝缘材料失效[10]。研究中，加速热老化后试验核级电缆的断裂伸长率保留率如表1所示。采用时温叠加方法，可将老化数据外推至运行温度下，可以模拟电缆在实际工作环境下的老化趋势[11-12]。以60 ℃为电缆实际运行温度Tr，将主数据群内的所有数据进行拟合，得到电缆试样的老化寿命曲线，如图1所示。

3　结果与讨论

图2～图4为不同加速热老化温度情况下电缆受热绝缘失效线芯温度随加速热老化时间的变化规律。在环境高温作用下，电缆受热绝缘失效线芯温度在加速热老化初期均略有上升，这可解释为电缆绝缘材料在热老化初期易挥发组分溢出消耗部分能量。随着易挥发组分溢出，在绝缘材料内部形成大量细小孔洞，降低了材料的导热能力。随着加速热老化时间的增长，电缆受热绝缘失效线芯温度线性降低，其下降速度随着加速热老化温度升高而增加。

图1　采用时温叠加方法获得核级电缆试样老化寿命曲线

图2　150 ℃加速热老化后电缆绝缘失效线芯温度

图3　165 ℃加速热老化后电缆绝缘失效线芯温度

图4　180 ℃加速热老化后电缆绝缘失效线芯温度

图5～图7为不同加速热老化温度情况下，电缆受热绝缘失效时间随加速热老化时间的变化规律。从图5和图6可知，电缆受热绝缘失效时间随着加速热老化时间的增长而降低。但随着加速热老化温度升高，电缆受热绝缘失效时间与加速热老化时间之间的线性关系明显减弱，电缆受热绝缘失效时间的下降幅度也小幅降低。在加速热老化Ta=180 ℃时(如图7所示)，电缆受热绝缘失效时间随加速热老化时间增长呈现先下降后上升的变化规律。这是由于在电缆试样加速热老化初期，电缆护套材料物理性质基本保持不变，电缆受热绝缘失效时间随加速热老化时间增长而相应减少的规律未发生变化。而当加速热老化温度升高，老化时间增长时，电缆护套材料在环境强烈热辐射作用下在材料表层出现了明显的炭化现象，电缆护套材料的物理性质发生明显改变。炭化层的形成阻碍了环境热量向电缆线芯内部的传递能力，电缆受热绝缘失效时间随热老化程度加深而呈现小幅增加。

图5　150 ℃加速热老化后电缆绝缘失效时间

图6　165 ℃加速热老化后电缆绝缘失效时间

图7　180 ℃加速热老化后电缆绝缘失效时间

引入电缆加速热老化与实际老化年限对应关系，可得到电缆绝缘失效线芯温度(图8)和电缆绝缘失效时间(图9)随实际老化年限的变化规律。

图8　电缆绝缘失效线芯温度与实际老化年限

图9　电缆绝缘失效时间与实际老化年限

由图8可以看出，不同加速热老化温度电缆试样的绝缘失效线芯温度均随老化年限的增加而相应降低。对电缆绝缘失效线芯温度与实际老化年限进行一元线性拟合，可得：

(1)

如图8所示，将电缆绝缘失效线芯温度与实际老化年限线性曲线延长，可估算不同老化年限时间节点电缆绝缘失效线芯温度的降低程度△T。对于实际运行温度为60 ℃的电缆，服役20年后其电缆绝缘失效线芯温度降低为178 ℃，降幅为43 ℃。当电缆服役时间为40年时，其电缆绝缘失效线芯温度降低为147 ℃，约为原绝缘失效线芯温度的2/3。

由图9可以看出，不同加速热老化温度电缆试样的绝缘失效时间均随老化年限的增加而降低。对电缆受热绝缘失效时间与实际老化年限进行一元线性拟合，可得：

(2)

如图9所示，将电缆绝缘失效时间与实际老化年限线性曲线延长与x轴相交于25.8 a。这意味着，对于在环境温度为60 ℃服役25.8 a的核级电缆，发生环境热辐射强度为4.5 kW·m-2火灾时会立即发生绝缘失效。同时，也可以根据该方法估算电缆更换时间。例如，核电厂工程师期望保障电缆在环境热辐射强度为4.5 kW·m-2火灾时的正常工作时间为200 s。根据图9所示线性关系，则估算电缆更换极限时间为17.7 a。

4　结论

通过对加速热老化后XLPE绝缘核级电缆试样断裂伸长率保留率和绝缘失效参数开展试验研究，获得了加速热老化与实际老化年限关系、热老化作用对电缆绝缘失效影响规律，主要结论为：(1)在加速热老化作用下，电缆绝缘失效线芯温度和绝缘失效时间与加速热老化时间呈线性关系，且随着热老化时间的增长，老化程度的加深，电缆绝缘失效线芯温度和绝缘失效时间均呈下降趋势。(2)采用基于电缆绝缘材料断裂伸长率保留率的时温叠加方法，可获得线性关系较好的电缆试样老化寿命曲线。电缆受热绝缘失效试验研究结果表明，电缆绝缘失效参数与估算的实际老化年限间依然保持了良好的线性关系。

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[7] 上海电缆研究所，中国质量认证中心.电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法:第11部分 通用试验方法——厚度和外形尺寸测量——机械性能试验:GB/T 2951.11—2008[S].北京:中国标准出版社,2008.

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(责任编辑、校对马龙)

Experimental Study of Thermal Ageing Effect on Insulation Failure of XLPE Nuclear Grade Cable

LI Qiang1a, ZHANG Jiaqing2, ZUO Jiaxu3, SHU Zhongjun1a, YANG Yichen1b

(1.a.DepartmentofFireEngineering;b.TeamofGraduateStudent,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China;2.StateGridAnhuiElectricPowerResearchInstitute,Hefei,AnhuiProvince230022,China;3.NuclearandRadiationSafetyCenter,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100082,China)

Application methods of the insulation failure laws of nuclear grade cable in engineering were also analyzed by combining the relation between accelerated thermal aging and physical life of nuclear grade cable. Results indicate that the insulation failure temperature of wire core and time of insulation failure decreased linearly with the time increase of thermal aging. The physical life of nuclear grade cable and insulation failure parameters could be estimated, on the basis of elongation at break.

nuclear grade cable; thermal ageing; insulation failure temperature of wire core; insulation failure time

2016-02-16

大型先进压水堆核电站国家科技重大专项CAP1400安全审评关键技术研究(2013ZX06002001-004)；电力火灾与安全防护安徽省重点实验室开放课题(DLHZ201603)

李强(1979—)，男，吉林省吉林市人，副教授，博士； 张佳庆(1987—)，男，安徽桐城人，工程师； 左嘉旭(1980—)，男，辽宁沈阳人，高级工程师； 舒中俊(1964—)，男，湖北京山人，教授； 杨益琛(1991—)，男，河北沧州人，安全技术及工程专业在读硕士研究生。

TM247;D631.6

A

1008-2077(2016)04-0014-04