核电厂安全级光缆鉴定内容研究

苏玉军，麻金娜，孙 伟，张龙强

(中广核工程有限公司核电安全监控技术与装备国家重点实验室，广东 深圳 518172)

0 引言

数字化仪控系统在核电领域的大规模应用已成为核电领域工业控制系统发展的新方向。随着数字化、智能化设备的应用，核电厂不断提升对数据传输性能、可靠性、抗干扰能力的需求，采用光缆传输介质替代传统电缆是行业的必然趋势。

随着智能仪表及现场总线、光纤传感等先进技术的发展，光缆在核电厂中的应用范围越来越广，特别是在核电厂特殊环境条件下的应用，对光缆的技术参数和采购规范的要求更为严苛。但目前针对核电厂安全级光

缆及其附件的鉴定技术尚无成熟的、统一认可的鉴定体系。随着国内核电事业的蓬勃发展，结合核电走出去战略需求，国家逐步将安全级光缆纳入监管。因此，针对安全级光缆鉴定内容、标准或规范的研究意义重大，其可指导安全级光缆设计、选型、制造及鉴定相关活动。本文通过研究安全级光缆功能需求、应用环境条件、关键性能指标，结合光缆的结构特性、与电缆的差异性，确定安全级光缆的鉴定内容，鉴定试验项目的参考标准，形成我国核电安全级光缆的鉴定体系，从而促进光缆设计、制造和采购的标准化，提高电站建设及投运的经济性和可靠性。

1 核电厂安全级光缆鉴定要求

1.1 功能要求

根据核电安全级别划分，核电厂敷设的光缆可分为安全级和非安全级两大类。

大多数光缆布置在安全壳外，仅有少数布置在安全壳内。光缆主要用于核电厂的工艺设备向电厂控制系统传输运行状态信号，或是Level 2层机柜间、安全系统机柜间以及不同安全级别机柜间的数据通信。其中，安全级光缆应通过相应的质量鉴定，验证其具备在正常环境条件下、在一些设备规定的事故条件下以及在地震载荷、规定的辐照条件下完成其规定的功能[1]。

安全级光缆在整个安装寿期内应满足或高于规定的性能要求。光缆按照适用的行业标准进行制造，且符合质保大纲要求来实现。质保大纲包括但不限于设计、鉴定和制造过程中的质量控制。鉴定的主要目的是证明安全级光缆在鉴定寿期内或鉴定条件下，发生设计基准事件(design basis event,DBE)前、事件中和事件后，能够执行其安全功能，且不发生共因故障。

鉴定要求如图1所示。

图1 鉴定要求

1.2 环境条件

环境条件包括周边条件和运行条件。周边条件是指设备外部条件，比如温度、辐照、压力等；运行条件是指存在于设备内部的条件(如流量、流体温度、流体压力)，或者设备本身物理、机械相关的条件，如自热、振动等。

根据光缆在核电厂应用的区域，光缆所在环境条件[2]主要包括周边条件。正常、和缓以及事故环境条件如表1所示。

表1中，需要注意的是：①设计基准事故与严重事故不同时发生，事故累积剂量不叠加;②此事故累积剂量值已结合光缆布置区域情况，考虑了60年正常运行中的辐照老化剂量，因此严重事故光缆不需要再额外考虑60年常规辐照老化剂量。

表1 正常、和缓以及事故环境条件

1.3 关键性能指标

①寿命要求。

光缆须具备60年寿命(热和辐照老化)，在核电厂60年寿期内免更换。

②材料要求。

涂覆层热塑性弹性体材料，纤芯单护套、加强件和填充等均需为低烟无卤材料自熄材料，光缆外护套需为热固性低烟无卤阻燃材料。若外护套使用热塑性材料，需考虑环境应力对护套开裂的影响[3]。

③阻燃要求。

考虑到桥架和导管敷设的光缆可能会经受火灾的状况，须通过成束燃烧和单芯燃烧试验验证阻燃性能。

④设计基准事故(design basis accident,DBA)要求。

光缆须具备耐受DBA和DBA后的事故辐照、化学喷淋、温度和压力等环境因子的能力[3]。

⑤安装要求。

满足现场安装半径要求及承受相应的安装负荷[3]。

2 光缆与电缆差异分析

2.1 光缆与电缆结构差异

光缆外形是圆形，基本结构一般由缆芯、加强构件、护套，以及填充绳、包带组成，是实现光信号传输的一种通信线路。

电缆通常是由几根或几组金属导线(每组至少两根)绞合而成，类似绳索。每组导线之间相互绝缘，并围绕一根中心扭成，整个外部包有高度绝缘的覆盖层。电缆具有内通电、外绝缘的特征。

光缆和电缆在结构上存在相似点和不同点，具体如下。

①传输介质不同：电缆以金属导体为传输介质，传输的是电信号；光缆以光纤为传输介质，光缆传输的是光信号。

②结构组成不同：电缆传输的是电信号，其相较于光缆的特殊组成部件主要是绝缘和屏蔽，因此在电缆的性能试验中需要对电缆绝缘及屏蔽进行试验。

③外护套材质类似：都要求低烟无卤阻燃，但电缆使用热属性低烟无卤阻燃护套，光缆使用热固性低烟无卤阻燃护套。

2.2 光缆与电缆鉴定内容差异

通过比较光缆和电缆的结构差异，可知光缆鉴定试验与电缆鉴定试验在鉴定试验内容、参考标准，验收原则等方面存在异同。电缆在核电厂中的成熟应用及核级鉴定方面的经验丰富，试验方案、试验内容及参考标准相对成完整。目前在国内尚无相应的安全级光缆鉴定标准或规范，而国际上有美国电气和电子工程协会发布的核电厂安全级光缆、连接器以及光纤拼接鉴定标准(IEEE-1682-2011)。

2.2.1 型式试验差异

光缆型式试验主要目的是验证光纤及成缆在正常环境下的光学性能、结构特性及机械特性、外护套的结构特性、机械性能及阻燃性能等。根据光缆与电缆结构、传输信号类型的差异性，电缆与光缆型试试验的主要区别是电缆验证在正常环境下的电性能。因此，针对安全级光缆的型式试验与普通光缆及电缆梳理型式试验内容、试验参考标准存在异同。

光缆、电缆型式试验参考标准对比分析如表2所示。

表2 光缆、电缆型式试验参考标准对比分析

2.2.2 鉴定试验差异分析

安全级光缆的鉴定试验是为确定在鉴定寿期内或核电厂特殊工况条件下，能够满足预期寿命、执行其安全功能且不发生共因故障。

根据安全级光缆及其附件应用环境工况条件、满足的功能需求等因素，确定了鉴定试验内容，包括火焰试验、热老化、辐照老化试验、抗震试验等。但相关试验需求的试验设备、试验条件、验收准则以及失效判据等需进一步研究明确。

光缆与电缆在功能要求、外护套材质上的相似性，且应用环境相同。通过参考普通光缆及电缆相关标准，结合电缆在核电厂中的成熟应用及核级鉴定方面的丰富经验，梳理了光缆、电缆在鉴定试验的差异性。

光缆、电缆鉴定试验参考标准对比分析如表3所示。

表3 光缆、电缆鉴定试验对比分析

3 光缆鉴定试验内容研究

3.1 鉴定试验项目

电缆明确了K1、K2和K3级所需开展的试验项目[4]，如表4所示。

由于光缆在核电站的应用不断深入，光缆的应用环境条件、功能要求以及验收准则与电缆相同。结合上述光缆与电缆的在结构、试验内容及参考标准等方面的差异性对比，光缆的鉴定项目可参照电缆鉴定项目执行。

表4 安全级功能验证试验项目

注：为要求的试验项目；为有要求时试验项目；—为不要求试验项目

3.2 安全级光缆鉴定试验内容及参考标准

根据光缆的鉴定试验项目，结合光缆本身的结构特性，参考普通光缆、电缆的成熟应用及在鉴定方面的充分经验和完善的鉴定规范。根据上述鉴定项目，安全级光缆试验[5]可分为安全级光缆型式试验和安全级光缆鉴定试验。

3.2.1 安全级光缆型式试验

光缆型式试验内容及参考标准[6]如表5所示。

表5 光缆型式试验内容及参考标准

光缆型式试验的主要目的是验证光纤及光缆在正常环境下的光学性能、结构特性及机械特性，外护套的结构特性、机械性能以及阻燃性能等。

安全级光缆的型式试验只是验证其本身的特性，不受使用环境的制约。因此，内容及方法可以参照普通光缆及电缆的相关标准。

3.2.2 安全级光缆鉴定试验

安全级光缆的鉴定试验是为确定在鉴定寿期内或核电厂特殊工况条件下，能够满足预期寿命、执行其安全功能且不发生共因故障。

根据安全级光缆及其附件应用环境工况条件、满足的功能需求等因素确定了鉴定试验内容，包括火焰试验、热老化试验、辐照老化试验、抗震试验等。

光缆与电缆在功能要求、外护套材质上具有相似性，应用环境相同。因此，参考普通光缆及电缆相关标准，结合电缆在核电厂中的成熟应用，以及在核级鉴定方面的丰富经验，研究光缆、电缆在鉴定试验的差异性，确定了安全级光缆鉴定试验内容、参考标准及试验要求[6]。

光缆鉴定试验参考标准如表6所示。

表6 光缆鉴定试验及参考标准

续表6

4 关键技术研究说明

根据项目实际应用要求及目前光纤光缆制造工艺与发展情况，开展安全级光缆鉴定，在光缆鉴定寿命计算和光缆辐照老化试验方面存在困难。

4.1 光缆鉴定寿命计算

光棒和光通信发展至今50余年，国内光棒发展不到10年，光纤发展不到30年。单纯从光缆实际使用寿命来看，其尚不足60年，无法从经验值得到超过光缆使用寿命的鉴定寿命值。光缆外护套与电缆外护套的类似性，其鉴定寿命也可以参照电缆鉴定寿命的计算方式，采用阿伦纽斯公式来计算。光纤不同于电缆导体，其鉴定寿命不能单纯整合在外护套的鉴定寿命计算方法中。

研究光纤机械寿命的模型和方法有3种：静态疲劳试验、动态疲劳试验和筛选试验。通常,采用动态疲劳试验模型和筛选试验模型预期光纤寿命。筛选试验模型预期光纤寿命主要根据筛选断裂点的频次、长度和使用应力的断裂概率来进行。

目前，国内尚无明确的标准规范来指导和明确计算方法。故针对安全级光缆鉴定，特别是光纤寿命鉴定的计算方法，仍需要进一步研究，并通过国内行业权威认可。

另外，从光纤光缆的发展历史看，据厂家反馈，国内最早一批光纤光缆若没有出现自然灾害或严重人为损坏，其通信仍正常。真正需要关注的是产品的更新换代。原来的产品已不足以满足现代化通信带宽的要求，早期的配套光电产品也早已停产或升级。所以，未来的光纤光缆发展也可能出现同样的情况，是否真正能够使用到60年，需要综合考虑多方因素。

4.2 光缆辐照老化试验

核电厂的安全级光缆由光纤、加强构件、护套及可能有的填充绳、包带组成。光缆以玻璃纤维为传输介质传输光学信号，通信光纤对损耗的要求极高。而辐照影响光纤信号传输的衰减率，其在耐辐照方面存在明显的劣势。光缆外护套使用的是热固性低烟无卤阻燃护套与电缆一致的产品，完全能够满足辐照和其他要求。

因此，光纤的耐辐照是目前影响产品定型的关键因素，需要从光纤甚至光纤预制棒生产、设计上寻找突破点，特别是原材料的纯度、产品设计、生产工艺等方面。

根据鉴定寿命要求[7]，在目前已有的产品生产工艺和厂家积累的经验可以逐步实现，对产品本身的耐辐照水平的提升。但在产品辐照老化试验[8]过程中，对影响鉴定结果的诸多因素的考虑和实施还存在一定困难。

①损失恢复。大多数光纤在经历辐照老化后会展现出“恢复”特性。辐照后的温度和时间对光缆衰减值的改变有一定影响，试验期间需考虑可能发生的损失恢复，并添加损失量。

但目前这部分要求没有明确的标准规范给予指导，且国内厂家也无相关经验基础，需要在后续的鉴定试验中研究和探索。

②协同效应。正常运行环境与和缓环境条件下，光缆及附件的鉴定除了考虑热老化以及辐照老化的试验顺序，以及温度对辐照老化后衰减退化带来的影响外，暂时不作其他考虑。

开展DBE工况下的设备鉴定，则需要考虑除了热、辐照应力之外的其他应力，而这些应力的同时作用或单独作用对鉴定所产生的影响，需要在后续的鉴定试验中研究和探索。

5 结束语

本文通过研究核电厂安全级系统内光缆的鉴定要求、内容及参考标准，考虑了光缆的自身特性，从光学性能、材料特征等方面提供了详细说明，从而有效指导光缆厂家开展光缆鉴定。但由于目前国内尚无生产安全级光缆的厂家，且在安全级光缆相关标准上处于正在研究阶段，具体鉴定试验开展过程中还存在一定难度，比如鉴定寿命计算方法、实际样品准备、鉴定验收准则鉴定以及失效判据的建立、试验过程中裕度的考虑等。

目前，这些鉴定均无相关标准给出准确定义，需要通过后期的经验积累，以及与鉴定机构一起开展试验与研究，摸索出满足核电厂要求的产品鉴定试验程序和要求。