小型化耐辐照抗干扰同轴电缆研制

倪 勇, 刘旌平, 洪宁宁

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

0 引言

近年来,国内核电发展蒸蒸日上,华龙一号、国和一号、高温气冷堆等三代先进核电具有达到甚至超越国际核电发展的趋势。 研制的小型堆、空间堆等试验堆走在了世界核电发展的前列。 核反应堆堆芯液位磁致伸缩位移传感器的信号是核电站反应堆中用来探测液位的一种设备。 核反应堆液位探测器与机柜之间的连接用信号传输电缆一般采用矿物绝缘电缆[1]。 小型化耐辐照抗干扰同轴电缆用作磁致伸缩位移传感器的信号远距离传输电缆,包括柔性软电缆和电缆信号驱动模块。 其中柔性软电缆包括3 根同轴电缆,电缆信号驱动模块包括两个运算放大器。 两个运算放大器的反相输入端通过第一电阻相连,同相输入端与两根同轴电缆的导电内芯一端对应连接,且同相输入端各自通过第二电阻接地。两个运算放大器的输出端不仅与两根同轴电缆的导体管一端通过第三电阻对应连接,还分别与磁致伸缩位移传感器电子仓内变送器的信号调理电路模块的两个输入端连接;第三电阻与导体管之间设一下拉电阻,并将下拉电阻接地[2]。

小型化耐辐照抗干扰同轴电缆主要服务于最新的小型研究堆,与传统民用核电站可以在较大范围内进行布线安装等条件相比,小型研究堆受限于使用场景的空间尺寸,要求配套设备小型化、电缆柔软耐弯曲、线径小、耐高温、耐辐照、热寿命长、船级电缆等[3],是一个性能要求高且使用场合特殊的产品。 为了紧跟小型研究堆耐辐照抗干扰同轴电缆的研究趋势,在现有核电站堆芯探测器电缆的基础上,通过研制绝缘材料、设计电缆结构、调整生产工艺等,使该电缆外径更小,耐辐照能力更高,抗干扰能力更强。 在研制过程中,该电缆使用的原材料和工艺装置完全自主国产,打破该电缆全靠进口的局面,实现了产品国产化,大大降低了成本。

1 电缆技术要求

小型化耐辐照抗干扰同轴电缆主要是为了连接棒位指示和检测系统[4]中的探测器与机柜。 鉴于产品使用场合的特殊性,该电缆需要突破以下难点。

1.1 耐辐照

与现有核电站核反应堆堆芯探测器电缆2.5×105Gy 的耐辐照水平相比,小型化耐辐照抗干扰同轴电缆在寿期累积辐照剂量不小于1.0×106Gy。此剂量是目前数代核电电缆中对有机类材料的最高要求,极大地限制了绝缘和护套材料的可选范围。

1.2 小型化

小型化是耐辐照抗干扰同轴电缆的核心要求。实际工况要求,总体外径不超过12.5 mm。 与现有核电站三代堆中同部位、同功能线束集的空间要求相比,此参数在现有产品的基础上节约了至少60%的空间(原技术要求不大于30 mm),是该电缆研制过程中的核心要求,也是产品在结构设计和材料选择过程中需要克服的难题。

1.3 抗干扰能力

小电流信号长距离传输一直是通信电缆的难点。 基于以下原因,需要对该电缆进行抗干扰处理。核电站反应堆堆顶布置了各种电力电缆,对该电缆的小电流信号传输造成了巨大的干扰,信号需要从反应堆传输至控制室,传输距离约为150 m,不容外界干扰。 小电流信号在外界强干扰的情况下长距离传输,抗干扰是考核难点(为了满足小电流信号长距离传输的需求,小型研究堆自主研制单位设计输入要求转移阻抗不大于50 mΩ·m-1),现有的进口同类电缆产品仅能达到80 mΩ·m-1。

1.4 低电容

相较于目前聚乙烯绝缘特性阻抗为50 Ω 时电容不大于120 pF·m-1的要求,在保证线芯的特性阻抗为50 Ω 的前提下,要求线芯与屏蔽层之间的电容不大于110 pF·m-1, 是该电缆研制的难点之一。

2 电缆的结构

在有限的空间内,完成电缆的结构设计和功能要求,将三芯绞合成圆形,有效地增加空间利用率;线芯之间相互屏蔽,且互不干扰;控制线芯导体直径和绝缘厚度,使3 根线芯的直径相同,减少因绞合而使单根线芯扭曲产生的信号传输误差,同时增加电缆的圆整度。

综合实际工程需求和电缆的技术性能要求,电缆结构示意图见图1。

图1 电缆结构示意图

2.1 导体设计

导体主要是微安级别的信号传输,原则上导体可以很小。 但是,在生产及安装过程中,导体直径太小易发生断裂,从而增加生产成本和维护成本。 过度追求导体直径的细小易得不偿失,应在外径允许的条件下,尽量“粗”一些。

对于导体结构的选择,常规的同轴电缆在安装及敷设过程中应尽量保证电缆的直线敷设不发生弯曲,故多使用单股导体,有利于信号传输的稳定性。但是,该电缆在成缆过程中即与“同伴”绞合成缆,多股导体有利于导体在成缆过程中发生的变形,且电缆弯曲半径仅是6 倍的电缆直径,理论上应使用5 类或6 类导体。 通过对比,该电缆线芯导体最终采用7 根单丝绞合而成的导体。

小型化耐辐照抗干扰同轴电缆中导体传输的是微弱电信号,由于高频下电流传输存在集肤效应,本工作选用镀银铜导体作为基材。 镀银铜导体既能保证传输效果最优,成本又相对较低[5];该电缆的主要功能是通信,导体结构越简单越好;同时,电缆弯曲半径很小(不大于6 倍的电缆直径),不能选用单芯导体;电缆须满足整根拉断力的要求,导体不能太细。

综合上述要求,小型化耐辐照抗干扰同轴电缆选用的导体是由7 根0.3 mm 单丝直径的镀银铜导体采用1+6 的结构形式正规绞合而成。

2.2 绝缘设计

2.2.1 绝缘材料的制备

小型化耐辐照抗干扰同轴电缆导体的长期工作温度为90 ℃,高于一般用于信号传输的通信电缆绝缘材料(聚乙烯绝缘电缆导体的长期工作温度为70 ℃)的要求。 常规聚乙烯材料不能满足本工作研制电缆的使用要求。 要满足电缆长期工作温度的要求,就要提高聚乙烯材料的耐温等级。

小型化耐辐照抗干扰同轴电缆有电容、绝缘电阻、成品外径的要求,同时要求绝缘材料应满足鉴定热寿命为50 a、耐辐照等要求。 对所研制电缆结构设计计算,要同时满足电容、绝缘电阻和成品外径的要求,市场上普通的交联聚乙烯不能满足电缆设计的要求。 交联聚乙烯的相对介电常数小于2.20 时才能满足所研制电缆的设计要求。 目前,市场上普通交联聚乙烯的相对介电常数在2.30 ～2.35 之间。

材料选用初期,选用硅烷交联聚乙烯和辐照交联聚乙烯作为绝缘材料,并进行介电常数和体积电阻率的测试,结果见表1。

表1 不同交联形式聚乙烯的主要性能测试结果

由表1 可知,硅烷交联聚乙烯和辐照交联聚乙烯的体积电阻率数量级相同,绝缘性能相当;硅烷交联聚乙烯的相对介电常数大于2.20,不能满足设计要求,辐照交联聚乙烯的相对介电常数较小,能够满足要求。 小型化耐辐照抗干扰同轴电缆选用辐照交联聚乙烯作为绝缘材料。

根据绝缘材料电气性能和耐热性能要求,对绝缘材料配方进行调整并试验,最终确定了其配方。绝缘材料调整后的主要配方见表2。

表2 调整后的主要配方

配方调整后,绝缘材料主要性能测试结果见表3。

表3 绝缘材料主要测试结果

2.2.2 绝缘材料的耐热性能验证[6]

选用自配的辐照交联聚乙烯作为该电缆的绝缘材料,性能较稳定,但仍需要验证热寿命是否能够满足工程需求,即在90 ℃条件下持续工作50 a的要求。

对选用的辐照交联聚乙烯绝缘材料通过阶梯式加速老化试验方式进行验证。

根据阿伦尼乌斯公式进行计算

参考GB/T 11026.1—2016《电气绝缘材料 耐热性 第1 部分:老化程序和试验结果的评定》和GB/T 20028—2005《硫化橡胶或热塑性橡胶应用阿伦尼乌斯图推算寿命和最高使用温度》选择加速试验参数。 试验考察了135,150,165,180 ℃等4 个不同测试温度下,绝缘材料断裂伸长率(样品初始断裂伸长率为610%)与老化时间的关系函数,直至达到相应性能的临界值(以材料的50% 断裂伸长率为临界值),从而得出在该温度下老化的终点时间,见图2。

图2 不同温度下绝缘材料断裂伸长率与老化时间的关系

由图2 可知,辐照交联聚乙烯在老化过程中,老化时间与断裂伸长率的变化符合阿伦尼乌斯公式描述的曲线关系。

通过图2 得到的曲线,对不同测试温度达到临界值(以材料的50% 断裂伸长率为临界值)时间的对数lnt与相应测试温度热力学温度的倒数1/T作图(lnt与1/T的关系图略)。 通过标绘各点并求取最佳拟合直线,将获得的直线外推到使用温度(90 ℃)下辐照交联聚乙烯的估算热寿命,拟合后数据的计算结果见表4。

表4 绝缘材料热老化试验结果

由表4 可知,辐照交联聚乙烯在90 ℃下的估算热寿命为673 644 h,即76.9 a。 作为绝缘线芯,选用的辐照交联聚乙烯满足90 ℃下50 a 的热寿命要求。

小型化耐辐照抗干扰同轴电缆选用的绝缘材料以165 ℃作为热老化温度条件。 在已知活化能为126.2 kJ·mol-1的情况下,利用阿伦尼乌斯公式估算得到在165 ℃下绝缘材料的老化时间为342 h,可模拟电缆90 ℃下50 a 的热寿命。

2.2.3 绝缘厚度设计

绝缘厚度是保证电缆电容和特性阻抗的重要参数,绝缘厚度(h)是绝缘外径(Di)与绝缘内径(De)的差值

式中:hi为不同线芯的绝缘厚度,mm;Di为对应线芯的绝缘外径,mm;De为绝缘内径,mm;ε为绝缘材料的相对介质常数,为2.18;ε0为真空介电常数,为8.86 pF·m-1;Ci为电容,pF·m-1。

2.3 线芯屏蔽

小型化耐辐照抗干扰同轴电缆选用坡莫合金(铁镍合金)作为线芯屏蔽。 目前,坡莫合金和硅钢是较常用的两种高导磁材料。 虽然坡莫合金的磁感应强度比硅钢的稍低一些,但其导磁率比硅钢高几十倍,铁损也比硅钢降低67% ～75%。

小型化耐辐照抗干扰同轴电缆选用具有较高起始磁导率的坡莫合金,其镍的质量分数在75.5% ～78.0%之间,实测为76.4%。 该合金在此含镍量附近时,在单相合金中会发生Ni3Fe 长程有序转变。此时,铁镍合金的点阵常数和物理性质,如电阻率和磁性等,均会发生变化。 因此,要考虑有序转变对铁镍合金性能的影响。 通常,在铁镍合金中加入少量钼或铜等元素,以抑制长程有序的生成,故采用的坡莫合金的主要成分还包括一定比例的钼和铜。 加入钼和铜不仅能够有效抑制Ni3Fe 长程有序的生成,还能够通过控制热处理的冷却速率保证铁镍合金具有很高的磁导率和很低的矫顽力。

2.4 护套设计

小型化耐辐照抗干扰同轴电缆的护套结构选用双层护套,无卤阻燃交联聚烯烃作为内护套,不锈钢编织作为外护套。

在外界环境严苛的情况下,一般选用波纹铜护套或纵包钢带结构,其屏蔽性极好,能够大大减少外电磁场对线路的干扰,以及对设备正常工作的影响,能够有效地保护和提高电缆的耐辐照性能和热寿命。

在小型化耐辐照抗干扰同轴电缆中,如果选用波纹铜护套或纵包钢带结构,电缆弯曲半径均不能达到6 倍电缆直径的要求,且最大外径要超出很多。无卤阻燃交联聚烯烃作为内护套,不锈钢编织作为外护套,此双层护套结构相辅相成,能够达到良好的阻燃等级,耐油、耐盐、耐辐射,运行热寿命为50 a,能够通过设计基准试验;不锈钢编织还能够起到一定的屏蔽磁场的作用,且整根电缆柔软、易弯曲,可满足实际工程需求。

3 成品电缆性能测试

通过上述对电缆的结构设计和材料选用,制定了技术方案,并与产品需求单位共同编制了质量鉴定试验大纲。 经第三方检测机构,对电缆外径、电容、转移阻抗、耐辐照等性能进行了测试,测试结果见表5。

表5 电缆主要指标测试结果

由表5 可知,电缆的外径为12.3 mm,远小于进口样品的29.3 mm,能够极大地减少其对敷设空间的要求,使产品需求方在设计整机装备的有限空间内可以布置更多其他的设备;电缆的电容达到了109 pF·m-1,小于要求的110 pF·m-1,小于同类进口样品的115 pF·m-1,能够保证信号传输距离更远,满足需求方对电缆长距离信号传输的需求;电缆的转移阻抗达到了28 mΩ·m-1,小于指标要求的50 mΩ·m-1,解决了同类进口产品不能满足此项指标要求的问题,提高了信号在传输过程中对外来信号的抗干扰能力,进一步保证了电缆信号的传输能力;对电缆进行耐辐照性能测试,在经历1.0 ×106Gy 的累积辐照剂量后,电缆仍能够保持完整性,填补了同类进口产品未经过辐照测试的空白。

4 结束语

中国机械工业联合会组织业内专家及用户单位对小型化耐辐照抗干扰同轴电缆进行了新产品新技术鉴定。 小型化耐辐照抗干扰同轴电缆被认定为填补了国内空白,处于国际先进水平(鉴定证书编号:中机电科鉴字[2021]第090 号)。

小型化耐辐照抗干扰同轴电缆通过结构设计、材料选择和性能验证,符合标准GB/T 17650.1—2021《取自电缆或光缆的材料燃烧时释出气体的试验方法 第1 部分:卤酸气体总量的测定》、GB/T 17651.1—2021《电缆或光缆在特定条件下燃烧的烟密度测定 第 1 部分: 试验装置》、 GB/T 18380.35—2022《电缆和光缆在火焰条件下的燃烧试验 第35 部分:垂直安装的成束电线电缆火焰垂直蔓延试验 C 类》、GB/T 18380.12—2022《电缆和光缆在火焰条件下的燃烧试验 第12 部分:单根绝缘电线电缆火焰垂直蔓延试验 1 kW 预混合型火焰试验方法》规定的热老化、辐照老化、燃烧试验等要求。 小型化耐辐照抗干扰同轴电缆具有电缆线径较小、柔软易弯曲、使用寿命长、抗干扰能力强、耐辐照水平优越等特点,在新设计的堆型中适用性较广,可广泛应用于小型研究堆堆芯水位探测器等各堆内各部位,满足船级核测电缆的使用环境需求,为我国核电事业的发展提供了有力的支持。

小型化耐辐照抗干扰同轴电缆结构复杂,对工艺水平和材料一致性等的要求较高,生产过程中各工序的裕量较小。 在实际生产过程中,成品率较低,需要进一步稳定工艺,加强生产批次稳定性研究。