一种核测仪表用四同轴有机电缆组件的研制

孙光智, 周国华, 李昆鹏, 刘彦军, 刘海峰, 葛孟团, 秦子凯, 冯红艺

(1.武汉第二船舶设计研究所, 武汉 430064;2.宝胜科技创新股份有限公司, 扬州 225800)

0 引言

堆外核测量系统是核电站等核动力装置反应堆安全相关的重要核测仪表系统,主要由位于反应堆周围的中子探测器、安全壳外的前置放大器、信号处理机柜,以及之间的连接电缆组成,通过监测反应堆内部或周围热中子通量水平,实时给出反应堆的功率水平及变化周期,为反应堆的控制和保护提供保障。 目前,国内已运行核电站的堆外核测量系统几乎全部依赖进口,本工作针对国内某三代核电站堆外核测量系统开展国产化研制工作。

目标核电站堆外核测量系统信号传输电缆包括位于安全壳内与探测器一体化焊接的三同轴矿物质铠装电缆(以下简称铠装电缆)、连接铠装电缆及电气贯穿件的四同轴有机电缆、电气贯穿件馈通线,以及安全壳外的三同轴有机电缆。 该类电缆使用场合特殊,国内未找到成熟产品,仅国外有少数类似产品。 为实现目标核电站堆外核测量系统的全面国产化,开展了信号传输电缆的研制和定型工作。

四同轴有机电缆用于铠装电缆和安全壳电气贯穿件之间的连接,基本结构为在三同轴有机电缆的最外层增加一层金属管护套,用于阻隔核电站设计基准事故(DBA)工况下,一回路主蒸汽管道破裂失水事故(LOCA)时,高温蒸汽及事故后安注系统喷淋液等对电缆内部的侵蚀,确保堆外核测量系统在事故及事故后仍能正常工作。 该电缆及配套的接插件使用环境苛刻、设计难度大,具有代表性。 本工作对该电缆的结构设计、材料选型和相关连接器密封件的设计做了全面论述,设计了较全面的试验项目和检验要求,并开展了相关鉴定工作,对研发相关电缆组件有一定的参考。

1 产品设计

1.1 四同轴有机电缆设计

1.1.1 电缆技术指标和设计要求

四同轴有机电缆主要用于向堆外核测量系统中子探测器提供极化电压,以及传输探测器输出的弱脉冲信号和电流信号,最高工作电压约为DC 1 000 V,最小脉冲电荷量为0.1 pC,脉冲宽度为100 ns,最小电流为1×10-13A。 该电缆敷设路径上存在反应堆一回路主泵电机等大功率电器设备供电电缆,同时空间狭小,需要考虑电缆的抗干扰能力、信号衰减能力,以及安装过程中可能存在的多次弯曲变形。

根据上游设计要求,四同轴有机电缆芯线与第一层屏蔽和第二层屏蔽相互绝缘,形成三同轴结构,用于将中子探测器的信号回路接地,并与金属保护外壳分离。 电缆配套的连接器金属壳体在LOCA时经高温蒸汽冲击,容易与有机材料护套之间形成裂缝,从而使大气环境中的水蒸气进入电缆端面,造成电缆绝缘电阻降低而无法正常传输信号。 因此,需要在三同轴结构外再增加一层具有防蒸汽和高温液体渗入的护套,配合连接器,实现长期可靠密封。

在电气性能方面,要求电缆特性阻抗为50 Ω;芯线与第一层屏蔽之间的绝缘电阻不小于1 ×1012Ω·m(DC 1 000 V),分布电容约为110 pF·m-1;第一层屏蔽和第二层屏蔽之间的绝缘电阻不小于3 × 107Ω·m; 根据脉冲宽度,最高频率在100 MHz。 作为核电站专用电缆,四同轴有机电缆还需要满足相关燃烧性能、毒性、机械强度等核安全级电缆的通用技术要求。

1.1.2 材料选型和工艺设计

四同轴有机电缆的芯线采用镀银铜丝绞合而成,提高电缆柔韧性的同时能够降低高温时的导线电阻。 内部绝缘层采用核安全级电缆常用的辐照交联聚烯烃,内屏蔽层主要为光覆盖率大于90% 的镀锡银编织网。 考虑到在LOCA 时的高温蒸汽冲击,辐照交联聚烯烃可能出现软化现象。 如果电缆处于弯曲状态,则金属丝容易嵌入绝缘材料,导致电缆的均匀性发生变化。 因此,在芯线外包覆一薄层熔点较高的聚醚醚酮(俗称PEEK,熔点可达350 ℃左右),同时在绝缘层和内屏蔽层之间增加一铝塑带绕包层,从而在绝缘层内外表面形成耐高温的“骨架”,阻挡金属丝进入。 拆解高温试验后的电缆样品发现,该结构很好地维持了内部绝缘层的几何结构。

在内屏蔽层外包覆一层辐照交联无卤低烟阻燃聚烯烃后,形成完整的同轴有机电缆。 在此基础上,向外增加一屏蔽层和绝缘护套(材料与第一层护套相同),从而形成三同轴有机电缆。 传统三同轴有机电缆的两层护套分别用于高压传输和接地平面。在堆外核测量系统中,三同轴有机电缆内屏蔽层用于连接高压/信号回路的地平面,与后端模拟电路的地线导通;外屏蔽层用于保护机壳的接地,与参考地导通,从而减小外界感生电荷对信号回路的影响。四同轴有机电缆在三同轴有机电缆外部设置了阻隔蒸汽和喷淋液的紫铜导管,同时,为了方便电缆弯曲,该导管被轧制为波纹管外形,在最外层辅助一层有机材料的护套。

外屏蔽层和铜波纹管护套也具有屏蔽作用。 弱信号在同轴电缆中传输时,可能受到的干扰主要为电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI)两种[1],EMI 为低频干扰,RFI 为高频干扰。 为了尽可能消除外界电磁干扰对信号传输的影响,在屏蔽层中选择镀银铜编织网、铝塑绕包、防辐射扎带绕包、坡莫合金带(高磁材料)绕包等屏蔽材料。 利用各种材料对特定频带噪声选择屏蔽的特点,尽可能消除从低频到高频的电磁干扰。 同时,在电缆样品制作过程中发现,如果第二层护套与波纹管的间隙太小、贴合,甚至过盈配合时,会影响波纹管的弯曲性能,容易出现开裂、折损等现象,导致波纹管密封失效。 因此,在该护套和波纹管最内侧之间预留0.1 ～0.5 mm 的间隙,可降低施工过程中电缆穿管弯曲时波纹管的折损风险。 四同轴有机电缆基本结构见图1。

图1 四同轴有机电缆结构示意图

1.2 电缆接插件设计

1.2.1 电缆接插件技术指标和设计要求

四同轴有机电缆接插件与探测器端的铠装电缆和电气贯穿件端的馈通线连接,一方面用于前后电缆之间的电气连接;另一方面,需要配合铜波纹管护套进行密封连接,保护铜波纹管内部电缆组件免受高温蒸汽及酸碱喷淋液的浸蚀,确保整个信号通路上的电缆芯线与屏蔽层之间在寿期内始终保持高绝缘电阻。 因此,需要有较高的密封能力。

为了保持电缆组件各位置特性阻抗的一致性,接插件与四同轴有机电缆内部的同轴电缆连接部分的特性阻抗设计为50 Ω,同时确保两者之间的绝缘电阻大于1 × 1012Ω·m。为了减小信号传输路径上阻抗变化造成的脉冲信号反射,电压驻波比要求大于(1.02+0.004f),其中f为传输信号频率。 电缆接插件虽然是一个非标产品,但作为一种同轴连接器,仍然需要考虑连接器常规型式试验要求,如对电缆的保持力、多次插拔后的接触电阻等。

1.2.2 电缆接插件结构和工艺设计

将接插件分为负责电气性能连接的连接器和屏蔽高温蒸汽的密封件两部分。 连接器用于波纹管内部电缆与前后两端电缆之间的电气连接;密封件负责将铜波纹管与两端电缆的外护套(金属管)连接为一个整体。

为了保持电缆组件各位置特性阻抗的一致性,在对四同轴有机电缆芯线、内部绝缘层和内屏蔽层组成的同轴电缆,以及连接器设计时,均进行了阻抗设计,并对插针进行了阻抗匹配补偿。 特性阻抗采用公式(1)计算。

式中:Z0为特性阻抗,Ω;d为芯线有效直径,mm;D为绝缘层有效直径,mm;εr为绝缘介质介电常数。

密封件是本工作研制的关键零部件,需要确保电缆组件整个设计寿期内,尤其是寿命末期可能的DBA 工况下电缆组件的可靠密封。 由于有机材料在长期挤压及高温冲击下容易产生疲劳失效,密封件采用了全金属材料的卡套密封结构,在前后电缆两端最外层金属层上均通过焊接、螺套压接等方式形成两个外径相同的管状密封面,在其外层套一根不锈钢管,利用介子卡环卡箍结构将两端的金属件密封为一个整体。 在铠装电缆侧通过将连接器尾夹放大的方式,形成不锈钢管,见图2。 为了使密封面在较小的扭力作用下产生足够的形变,密封段加工成薄壁管状结构,电气贯穿件侧的连接器尾夹也采用了类似结构。

图2 铠装电缆尾夹基本结构

由于四同轴有机电缆波纹管外表面不是规则的圆柱面,无法直接用作卡套密封面,在波纹管外设计了一根外径与铠装电缆尾夹外径相同的过渡管。 考虑到电缆内部有机材料承受高温能力有限,在过渡管焊接时,除了在施焊过程中对焊缝前后加强冷却外,还会在加热区和卡套密封部位之间设置缩径区隔热,以缩短钎焊加热部分的长度,避免对整个过渡管加热,缩短焊接时间,降低焊接产生的高温对波纹管内部材料的影响。 波纹管过渡管结构示意图见图3。

图3 波纹管过渡管结构示意图

电缆接插件集成后见图4。 其中,左上方为卡套及相应螺套零件。

图4 集成后的电缆接插件

2 鉴定试验

上述电缆组件需要应用到核电站,除了满足核安全级电缆常规的鉴定试验外,还需要满足堆外核测系统信号传输和目标核电站使用环境的要求。 根据目标核电站堆外核测量系统中安全壳内电缆的实际使用需求,将电缆组件的鉴定试验分为核级电缆材料性能试验[2-3]、同轴电缆及接插件电气性能试验、堆外核测量系统专项试验三部分,以下分别介绍各部分试验项目情况。

2.1 核级电缆材料性能试验

核级电缆材料性能试验主要验证电缆采用的材料是否满足核级电缆使用材料的要求,包括电缆的燃烧特性、有机材料的吸水性能、机械性能、毒性、老化性能等。 其中,有机材料包括内部绝缘层和三层护套层。 核级电缆绝缘材料性能试验项目及结果见表1,护套材料性能试验项目及试验结果见表2。

表1 核级电缆绝缘材料性能试验项目及试验结果

表2 核级电缆护套材料性能试验项目及试验结果

电缆的燃烧特性不仅与电缆材料选型有关,还与电缆结构密切相关。 根据GB/T 18380.34—2022《电缆和光缆在火焰条件下的燃烧试验》的要求,电缆试样段的总根数应满足总体积中试样所含非金属材料为3.5 L·m-1[4]。 根据所研制电缆的结构参数计算,电缆所含非金属材料体积约为0.25 L·m-1。因此,成束燃烧需要14 根电缆。 在核电站堆外核测量系统电缆敷设时,为了避免其他系统电缆引入的干扰,采用了独立的金属管分组敷设,每组电缆最多7 根,未达到成束燃烧条件。 因此,电缆燃烧性能试验仅设计了单根垂直燃烧试验,电缆燃烧试验项目及试验结果见表3。

表3 电缆燃烧试验项目及试验结果

由表1 ～表3 可知,电缆材料性能满足相关标准的要求,原材料选择合理。

2.2 同轴电缆及接插件电气性能试验

同轴电缆及接插件电气性能试验主要验证四同轴有机电缆组件作为弱信号传输的一种同轴电缆,其电气性能是否满足堆外核测量系统设定的要求,如绝缘电阻、特性阻抗、分布电容、回波损耗、屏蔽衰减等。 由于四同轴有机电缆铜波纹管和连接器还承担密封功能,因此设置了气密性试验,将电缆一端与三同轴矿物质铠装电缆集成后浸入水中,另一端通过辅助管路接入压缩空气,用于检验铠装电缆尾夹、波纹管过渡管的焊缝及卡套密封面是否存在泄漏,作为连接器密封部件的常规密封检验。 电气性能试验项目及结果见表4。

表4 四同轴有机电缆组件电气性能试验项目及试验结果

由表4 可知,研制的四同轴有机电缆组件电气性能满足设计要求。 其中,反映电缆传输特性的表面转移阻抗、屏蔽衰减等参数优于同轴电缆的设定值。

2.3 堆外核测量系统专项试验

2.3.1 试验目的和试验方法

堆外核测量系统专项试验用于考察四同轴有机电缆组件作为堆外核测量系统的一部分在该系统生产集成后对系统的性能影响。 试验项目主要包括电缆长度影响、老化试验、热循环试验、安全壳压力试验、LOCA 事故模拟试验[5](DBE)、浸没试验和地震试验。 其中,电缆长度影响主要考察系统采用工程项目最大长度的四同轴有机电缆后能否正常工作。 老化试验包括系统安装调试过程中对电缆连接器的磨损老化试验、电缆设计使用寿期的加速热老化和辐照老化试验。

电缆加速热老化试验采用阿伦纽斯定律施加热应力,电缆组件活化能取自组件中活化能最小的材料,同时考虑寿期内正常工况下和异常环境下的老化时间。 热循环试验考察安全壳异常升温时系统是否能够正常工作。 安全壳压力试验考察安全壳打压测试时系统是否能够正常工作。

电缆辐照老化试验包括正常使用期间,安全壳内的累积γ 辐照,以及设定的事故工况下,放射性物质异常排放导致的辐照老化。 事故工况下,除了存在γ 射线外,由于电缆浸没在气态放射性物质中,还存在β 射线[6]。 γ 射线辐照老化可采用大型Co-60辐照场进行模拟辐照,但人工产生大面积的β 射线比较困难,目前采取的试验方式主要为小尺寸样品电子束辐照(替代β 辐照) 和等效γ 辐照两种。 等效γ 辐照的方法是以事故工况下最高能量的β 射线作为参考射线,通过仿真计算,可计算得到β 射线穿过铜波纹管时产生的轫致辐射,以及穿过铜波纹管后剩余能量在波纹管内部的累积剂量,增加一定裕量后,采用γ 射线进行辐照试验。

2.3.2 堆外核测量系统专项试验

堆外核测量系统专项试验除β 辐照老化试验单独进行了电子束辐照外,其余均按照核电站要求在各种电缆最大长度配置后开展系统物理特性试验,试验结果满足标准要求为合格。 为了防止四同轴有机电缆外护套试验时碎化脱落堵塞安全壳排水口,试验结束后增加了外护套的外观检查,结果表明,各项试验后外层护套结构均完整,专项试验项目及试验结果见表5。

表5 堆外核测量系统专项试验项目及结果

由表5 可知,堆外核测量系统专项试验项目试验结果均满足技术要求。

3 结论

四同轴有机电缆在堆外核测量系统中的应用在国内刚刚起步。 本工作介绍了某三代核电站堆外核测量系统用四同轴有机电缆组件的设计和鉴定过程,给出了详细的试验项目和要求,希望能为开发此类产品的厂家和使用单位提供一定的帮助。 四同轴有机电缆具有屏蔽性能好、环境耐受能力强的优点,适合弱电信号,尤其是弱脉冲信号的远距离传输。电缆的材料、鉴定试验项目及方法需要在实践中逐渐完善,从而推动该类电缆的应用。