核电站氢点火器用耐高温电缆的性能研究*

李 福，李小虎，产江涛

（1 上海电缆研究所有限公司，上海200093；2 特种电缆技术国家重点实验室，上海200093 ）

CAP1400 是我国吸收再升级的非能动大型先进压水堆核电机组。氢点火器是核电站中应用的消除氢气设备之一。当核电站发生失水事故或严重事故时，安全壳内产生电火花、高温气体等随机点火源，同时锆包壳与水反应、水的辐照分解、结构材料腐蚀等过程会产生大量的氢气。当氢气浓度较高时，在电火花、高温气体等的作用下就可能引起爆燃或爆炸，从而对核电厂的安全构成极大的威胁[1]。

目前，降低安全壳内氢气浓度的主要方式是当核电厂发生失水事故或严重事故时，迅速启动氢点火器，安装氢点火器位置的氢气在较低浓度就被点燃形成燃烧，而不会产生爆燃或爆炸，这样就可以避免了氢气浓度过高带来的威胁[2]。因此，在失水事故或严重事故等特殊工况下时，氢点火器使用的氢点火器高温电缆（高温电缆）就需要满足耐高温、耐辐射、耐潮湿及耐弯曲等性能要求，但目前国内关于氢点火器高温电缆的性能研究鲜有报道。

采用CAP1400设计及相关核电站法律法规的要求，设定试验参数，对氢点火器高温电缆的性能进行研究，对高温电缆的基本性能及耐水性能进行试验研究，并对电缆进行了特殊环境模拟辐照和热老化的研究，用以表征该电缆的特性。研究的具体内容包括：高温电缆的辐照老化、高温电缆复合绝缘热老化、浸水耐电压、弯曲试验、耐高温的性能研究。

1 高温电缆及试验方法

1.1 高温电缆

高温电缆为上海电缆研究所有限公司自主研制的样品，高温电缆融合了耐高温有机无机复合绝缘[3-6]技术，其结构示意图如图1所示。根据相关要求，高温电缆需要在350℃的高温环境下正常运行1年；在65℃的环境下电缆的使用寿命设计要求为60年，同时需耐受一定的γ累积辐照剂量。因此，对于电缆的线芯导体、绝缘层、防护层都提出了严苛的技术指标要求。

图1 氢点火器高温电缆结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of the high-temperature cable of the hydrogen igniter

1.2 试验方法

1.2.1 交流电压试验

弯曲、浸水、辐照试验以及耐热试验后均会进行高温电缆的交流电试验来判断电缆是否失效，本试验采用GB/T 3048.8-2007《电线电缆电性能试验方法 第8部分：交流电压试验》[7]进行试验。

1.2.2 浸水耐压试验

高温电缆浸水耐电压是为了验证电缆是否具备耐水的特性，将电缆弯曲，放置于5%NaCl的溶液中，连续施加4h交流电（试验方法见1.2.1）。

1.2.3 绝缘电阻试验

绝缘电阻测试方法选用GB/T 3048.5-2007《电线电缆电性能试验方法 第5部分：绝缘电阻试验》[8]进行试验。

1.2.4 寿命老化试验

根据IEEE383[9]的要求，筛选出影响高温电缆老化的条件主要有两个，分别为热和辐射。根据高温电缆在实际工程应用时的环境，60年内累计吸收剂量约为700kGy，辐照完成后根据IEEE383的要求，需要对电缆进行3.15kV/mm的耐电压，未发生电弧和不击穿即为通过试验。

热老化试验是验证高温电缆在65℃下，可使用60年。由于高温电缆的绝缘为有机无机复合材料，直接测定活化能与实际可能存在较大的差距，根据实际经验选定高温电缆活化能为0.5eV。由阿伦纽斯公式（1），可以等效计算高温电缆的老化时间，选取试验温度350℃，相应的试验时间为232h。

式（1）中：t为时间（h），R为摩尔气体常量，T为热力学温度，Ea为活化能，A为指前因子。

1.2.5 耐高温试验

根据实际经验及工程需求，对氢点火器高温电缆提出在350℃环境下老化1年，其仍然能够保持绝缘材料的可用性的要求。选用换气热老化烘箱，对高温电缆进行为期1年的试验，分别在老化0、10、60、120、180、240、365天（d）时，测定高温电缆绝缘电阻。一般工程上要求电缆绝缘电阻不小于1MΩ·300m，认为电缆绝缘通过耐高温试验。

2 试验结果

2.1 高温电缆基础性能

高温电缆为氢点火器供电，由于其面临的严酷环境，因此，对高温电缆的耐水、耐高温均需要考察。高温电缆的基本性能见表1，浸水耐电压为持续施加电压2.4kV，持续4h后电缆未击穿及未发生电弧火花等失效现象，表明高温电缆具有常温耐水的性能。

表1 高温电缆基本电性能及弯曲性能Table 1 Basic electrical properties and bending properties of high-temperature cables

表1中高温电缆绝缘电阻在高温状态下的值降低了一个数量级，但结果仍远大于规定值，这也表明高温电缆在高温状态下具备较好的电气绝缘。高温电缆外护套刚性较大，工程施工时势必会对电缆进行弯曲，根据标准要求，选取500mm导轮对电缆进行弯曲试验，试验后对电缆施加6.0kV的交流电5min，电缆未击穿，电缆绝缘仍然起着电隔绝的性能。

2.2 高温电缆寿命试验

根据IEEE383的要求，电缆寿命评价需要将电缆暴露在三个温度点下进行老化验证，由于电缆的特殊性，选取310℃、330℃、350℃作为计算依据。根据高温电缆65℃，使用60年的寿命要求及阿伦纽斯公式计算结果见表2。由于高温电缆本身需要在350℃下老化1年的要求，因此，选择350℃等效验证高温电缆热寿命。

表2 电缆寿命等效60年计算值Table 2 The calculated value of cable life equivalent to 60 years

表3为高温电缆辐照（700kGy）及高温（350℃，232h）后功能试验的结果。高温电缆辐照后根据IEEE383对电缆进行耐电压试验，施加3.15kV/mm的交流电，5min后电缆未击穿，表明电缆的复合绝缘具有较好的耐辐照特性[4]。高温电缆辐照后进行热老化试验，热老化为自然换气老化烘箱，对电缆的氧化较为严重，老化完成后对电缆施加3.15kV/mm的交流电，5min后高温电缆未击穿，表明高温电缆具备耐350℃的能力。高温电缆辐照老化及热老化后通过功能试验，满足IEEE383对核电站电缆的等效寿命评估，满足了65℃、使用60年的寿命要求。

表3 高温电缆老化后测试结果Table 3 Test results after high temperature cable aging

2.3 高温电缆热老化实验

图2为高温电缆在350℃老化后，绝缘电阻随不同老化时间的变化。耐高温电缆绝缘电阻随老化时间的增加，先降低，后趋于稳定。老化10d后，绝缘电阻变化最为迅速；高温电缆老化10d到180d时，其绝缘电阻下降趋势较为缓慢；老化时间在180d和365d之间时，高温电缆的绝缘电阻保持稳定，基本未发生变化。高温电缆在整个老化过程绝缘电阻变化较小。高温电缆的绝缘电阻最初为9.0×103MΩ·300m，老化1年后绝缘电阻降低至2.6×103MΩ·300m，电缆绝缘电阻保留了原来电阻的数量级，这也表明高温电缆经350℃老化后，仍具有较好的电绝缘性能。

图2 高温电缆绝缘电阻随老化时间的变化趋势Fig. 2 The trend of insulation resistance of high-temperature cables with aging time

高温电缆使用的绝缘材料为有机无机复合材料，其中有机部分受热后，小分子会挥发，大分子有机物在350℃环境下也会慢慢发生分解等化学反应[6]，有机物分解后势必在绝缘体内形成一定的微小的电子通道。高温电缆在通电的状态，不断地有电子通过通道，形成漏电流，随着电流的增加，电缆的复合绝缘的电阻则降低。电缆老化后期，随着小分子的挥发及大分子分解的减少，绝缘电阻的变化也逐渐减少。

3 总结

氢点火器用高温电缆具备了耐弯曲和耐浸水的性能。高温电缆通过辐照和热老化等效寿命60年试验。高温电缆在350℃环境下老化1年，其绝缘电阻变化较小，高温电缆仍具备较优的耐350℃高温特性。高温电缆采用的有机无机复合材料，在长期老化的作用下仍具有较好的电气绝缘性能，但其老化及演变机理还需进一步研究探索。