“华龙一号”核电站严酷环境用电缆研制难点问题解析

熊 宇，邓志伟

(中国核电工程公司，北京 100840)

电缆是保证核电站正常运行的重要设备之一，主要用于核电站电力和控制、测量信号的传输，是保证核电站各系统正常运转的血管和神经。严酷环境用电缆是安装在核岛安全壳内，是在正常环境条件下及设计基准事故和严重事故环境条件下均能执行其规定功能的电缆。

由于“华龙一号”核电站严苛的安全性能要求，“华龙一号”核电站严酷环境用电缆与二代机型核电站K1类电缆相比其技术指标有很大的提高。电缆的使用寿命由40年提高到了60年，并且除了需要考虑二代要求的正常环境条件和设计基准事故环境条件外还需考虑严重事故环境条件及其后的水淹环境，以使核电站的安全更有保障。

下面就在研制该类电缆过程中遇到的难点问题和解决方法做出介绍。

1 确定电缆结构和各层的材料

“华龙一号”严酷环境用电缆的使用寿命为在90 ℃下不小于60年，具有低烟、无卤、耐油、耐臭氧等特性。除满足基本的电气和机械性能外，该电缆的绝缘线芯要求符合单根垂直燃烧、成品电缆要求通过成束燃烧B类试验要求。同时该电缆还需要满足正常环境和设计基准及严重事故环境下的热老化、辐照老化及高温高压和水淹等苛刻的环境条件。

1.1 “华龙一号”严酷环境用电缆的结构和材料

为了保证电缆的各项性能满足“华龙一号”核电站的要求，我们进行了认真的研究和试验，确定了最优的电缆结构设计方案，并且获得了多项专利。下面，以严酷环境用控制电缆为例介绍其结构和各层使用的材料。

电缆导体由多根镀锡铜导线组成，使的电缆线芯柔软并有良好的防腐性。每根导体挤包双层复合型辐照交联聚烯烃材料绝缘层，在保证电性能的同时保证了电缆芯线的阻燃特性。在绝缘层外包裹耐高温绕包层很好地提高了电缆的耐高温性能。电缆采用无卤高阻燃耐辐照材料无缝隙高压挤出填充。抗电磁干扰屏蔽层采用镀锡铜丝编织屏蔽。护套采用耐辐照交联聚烯烃高科技聚合物材料，提高了电缆的机械性能并满足了低烟、无卤、阻燃的要求。

1.2 “华龙一号”严酷环境用电缆结构和材料的特点

“华龙一号”严酷环境用电缆要求低烟、无卤、阻燃、并且具有高电性能和高机械性能，满足重量轻、外径小、弯曲半径小的要求。为此，电缆结构设计采取以下措施。

第一点，全部使用低烟、无卤材料。

由于“华龙一号”严酷环境用电缆要求低烟、无卤，所以电缆设计生产时所有材料均采用低烟、无卤型材料。我们使用卤酸气体含量测试设备对原材料进行把关检验，以使其满足产品的低烟无卤的设计和制造要求。使用成束燃烧设备、烟密度试验设备和单根垂直燃烧设备对电缆试样进行多次试验，保证了电缆性能的可靠性。

第二点，采用双层绝缘结构设计。

电缆的工作温度、短路温度、绝缘电阻、热寿命评定、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。由于采用辐照交联聚烯烃材料在增加阻燃性能时势必造成绝缘性能的下降，为保证电缆的设计要求，对“华龙一号”严酷环境用电缆绝缘线芯采用双层绝缘设计，内层采用高电性能辐照交联聚烯烃绝缘材料挤出，外层采用辐照阻燃交联聚烯烃绝缘材料挤包，双层绝缘同时共挤，保证了电缆的电性能和阻燃性能。成品电缆的阻燃性能可以达到GB/T18380中规定的成束燃烧B类和绝缘线芯单芯垂直燃烧的要求。

第三点，增加了绝缘耐高温绕包层。

此次研发的线芯绝缘采用辐照聚烯烃双层挤包，以保证其电性能符合设计要求，但因聚烯烃材料的耐高温性能较低，为保证电缆在正常工况和设计基准及严重事故工况下可以正常使用，在绝缘线芯上选择增加了耐高温绕包层结构，有效地保证了绝缘线芯在高温状态下的各项性能符合设计要求，对电缆整体性能也有明显的提升。

第四点，电缆填充采用挤压式挤包结构。

针对“华龙一号”严酷环境用电缆要求结构紧凑、外径小、重量轻等特点，电缆填充采用无卤高阻燃耐辐照材料挤压式挤包而成。该结构减少了因条状填充造成的外径增大，提高了电缆圆整度，有效防止了电缆在高温高压环境下绝缘线芯发生位移而影响产品性能。在工艺性能上我们针对无卤阻燃材料填充剂多，造成材料在挤出过程中流动性差，摩擦热大，温度要求精度高，影响成品电缆的拉伸和抗张强度等现象，进行重点攻关，并取得了材料厂家的技术支持，掌握了材料特性，使试制产品的各项性能达到研制任务书要求。

2 满足电缆60年以上寿命的要求

“华龙一号”核电站严酷环境用电缆的使用寿命为在90 ℃下不小于60年，大大超过了二代核电站要求的40年。为此，电缆材料和加工工艺均需要非常高的标准以达到此寿命要求。

根据核电相关规范要求，组成电缆的主要非金属材料和成品电缆均须进行电缆热老化寿命评定试验，取得热老化寿命评定报告。

组成电缆主要非金属材料为电缆的内、外绝缘和护套材料。首先分别试验并计算出这三种材料在90 ℃下的热老化寿命并推算出其活化能。

根据标准要求和经验数据，成品电缆的热老化试验温度可以选择155 ℃。使用试验和计算得到的材料活化能及该热老化温度可以推算出成品电缆的热老化试验时间，然后按照该热老化温度和时间进行成品电缆的热老化试验。热老化试验完成后的电缆还要进行一系列试验来验证其可靠性。

2.1 电缆材料的热寿命试验和计算

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，可以得出这样的结论：即电线电缆在一定工作温度范围内，热寿命的化学反应，绝大多数情况符合阿伦纽斯(Arrhenius)经验推算公式。

阿伦纽斯推算公式为：Logτ=a+b/T;

式中，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。

在设定的工作温度下，通过试验和推导，可计算得出待定系数a和b，利用此公式可算出寿命τ，若τ的数值大于期望值(60年)，也就满足了电缆材料设计寿命的要求。

我们提供电缆的内、外绝缘和护套材料的试样委托国家电线电缆监督检测中心分别进行了材料的寿命试验。以下以电缆外绝缘材料寿命试验为例进行介绍。

首先使用电缆的内、外绝缘和护套材料分别进行热老化寿命试验。通过试验和计算可以分别得到电缆内、外绝缘和护套材料的活化能(Ea)。依据材料的活化能数据通过计算就能得到成品电缆的热老化试验条件。

阿伦纽斯公式的指数形式为:

①

式中

τ为：产品在温度T条件下工作的寿命(h)；

T为：开氏温度，开尔文，T=θ+273.15；

θ为：摄氏温度，℃；

A为：与材料和诊断试验有关的常数；

Ea为：材料活化能，单位是电子伏特，eV；

k为：玻尔兹曼常数，k=0.000 086 17；

e为：自然对数，e=2.718 281 8；

公式①变化后为

②

将需鉴定的寿命时间τ2、工作温度T2代入②式有：

③

将需加速老化的时间τ1、工作温度T1代入②式有：

④

④-③

⑤

变换⑤式后得：

⑥

由⑥式可以看出，材料的活化能越小，一定温度下达到老化极限的时间越长。

所以，选择电缆内绝缘材料的活化能数据

Ea=126 kJ/mol=1.305 9 eV

由于电缆的60年工作温度为90℃，而加速老化试验温度为155℃，可得：

工作温度T2=273.15+90=363.15 K

加速老化温度T1=273.15+155=428.15 K

需鉴定的材料寿命τ2=60年=60×365×24 h=525 600 h

将以上参数代入⑥式得

电缆的老化时间

=525 600×e[1.305 9/0.000 086 17×(1/428.15-1/363.15)]

=931.44 h

加放10%的裕量后的热老化时间为:

τ=931.44×(1+10%)≈1 025 h

由以上计算可知：成品电缆的热老化试验条件为155 ℃/1 025 h。

3 严酷环境下的高温高压试验及其后的浸没试验

“华龙一号”严酷环境用电缆使用在核岛安全壳内，除了在正常环境条件下使用外还需耐受一定时间的设计基准事故[包括反应堆冷却剂丧失(LOCA)、主蒸汽管道破裂(MSLB)、其他高能管道破裂(HELB)]和严重事故环境，并且还要考虑严重事故环境后的水淹浸没环境，所以需要进行严酷环境下的高温高压试验及其后的浸没试验。

由于考虑了严重事故环境条件等因素，“华龙一号”三代机型核电站的严酷环境下的高温高压模拟试验曲线比二代机型的LOCA模拟试验曲线严酷很多，加上其后的浸没试验，对电缆的要求非常高。为此，我们采用了增加绝缘耐高温绕包层等工艺改进，为试验的成功奠定了基础。

严酷环境下的高温高压试验及其后的浸没试验在国家核安全局和生态环境部核与辐射安全中心、生态环境部北方核与辐射安全监督站等单位见证下，在国家电线电缆质量监督检验中心完成。

3.1 试验样品的准备

严酷环境下的高温高压试验的试验样品分为三组，其中成品电缆二组和绝缘线芯一组。第一组为已进行了前期的热老化试验、辐照老化试验的成品电缆样品；第二组为只经过事故环境下辐照试验的成品电缆样品；第三组为经过了前期的热老化试验、辐照老化试验的绝缘线芯样品。

所有样品在高温高压试验前均以约20倍电缆外径为直径弯曲成圈后，进行浸水1 h耐交流电压试验及绝缘电阻试验，试验结果符合设计要求。

试验样品以约40倍电缆直径为弯曲直径缠绕在试验支架上并固定。

试验样品在试验仓顶盖上采用专用贯穿技术贯穿，使用液体硅橡胶灌注固化，再用金属盖板机械固定并加压密封。

3.2 高温高压试验过程

按照鉴定试验大纲对“华龙一号”严酷环境用电缆试验样品进行高温高压试验。

高温高压试验过程中,电力电缆、控制电缆和仪表电缆全程施加相应的电压和电流，并对试验样品实施12 h的化学介质喷淋。试验持续时间为16 d，其中前期预处理时间24 h。

3.3 高温高压试验结果和验证试验

在高温高压试验完成后的完整电缆，以约40倍电缆外径为直径弯曲成圈后无开裂，随后进行浸水1 h耐电压试验及绝缘电阻试验，试验结果符合设计要求。“华龙一号”严酷环境用电缆耐高温高压试验成功完成。

3.4 高温高压试验后的浸没试验

“华龙一号”严酷环境用电缆在高温高压试验后需进行浸没试验。试验使用已进行高温高压试验及随后的电气性能试验的两组电缆，将其本体全部浸入到强碱性的浸没试验溶液中。浸没试验温度为137 ℃，浸没试验压力为0.33 MPa, 浸没试验持续时间15 d。浸没试验过程中给试验样品施加试验电流和电压。浸没试验过程中实时监控浸没溶液的液位高度，当液位高度不够时及时补充溶液。

浸没试验结束后电缆外护套完整、无开裂破损，无脱落。然后进行1 h的浸水耐压试验，试验结果符合设计要求。

浸没试验的成功标志着“华龙一号”严酷环境用电缆鉴定型式试验全部完成。该系列鉴定型式试验条件经过我们多年的研究和修改并经过专家评审后定稿，经验证是严谨并可行的。

4 结 论

“华龙一号”核电站严酷环境用电缆相对于我们以往设计的电缆其技术要求有很大提高，相应的鉴定试验难度也非常大，特别体现在电缆的60年寿命鉴定试验要求和挑战性的高温高压试验及其后的浸没试验。

对于电缆热寿命的鉴定，选用合适的电缆材料进行老化试验，根据试验数据计算出其活化能并推导出成品电缆热老化时间是关键。本文给出了相应的试验和计算过程。

为了保证高温高压试验等严酷环境试验的成功，我们采用了增加绝缘耐高温绕包层等新技术，通过反复的设计方案调整和试验试制，确定了电缆结构和各层的材料，为研发的成功打下了良好的基础。

在两年多的时间里，我们努力攻克了很多技术难题，取得了多项技术专利，经过严谨的设计和试验，终于研制出了符合“华龙一号”核电站严酷环境要求的电缆。该类电缆的研制成功填补了国际空白，为“华龙一号”核电站的顺利建设贡献了力量。