核电厂安全级电气连接器的设计与试验

摘要：为实现安全级仪表信号的可靠传输，核电厂中常采用可拆卸的电气连接器连接仪表与电缆以及电缆与电缆。对电气连接器技术进行调研，设计了一种结构简单、性能可靠、操作安装方便、在地震以及严重事故下能有效吸收振动载荷、能够承受更长时间的辐照老化和热老化的安全级电气连接器。依托研制样机开展了功能性能试验和鉴定试验，试验结果表明，安全级电气连接器具有极高的可靠性，能够满足核电厂事故环境下的需求。该连接器可推广于其他恶劣环境条件下的应用领域。

关键词：核电厂电气连接器安全级仪表事故

中图分类号：TB21

DesignandTestingofSafety-LevelElectricalConnectorsin

NuclearPowerPlants

LIUDanhui1XUTao1ZHUJialiang1QINYue1LIZhuoyue1WANGHailin1

LIHongxia1JIANGDangnian2LINing2TANGChun2

1.ScienceandTechnologyonReactorSystemDesignTechnologyLaboratory，NuclearPowerInstituteofChina，Chengdu，SichuanProvince，610213China;2.SinosealHoldingCo.，Ltd.，Chengdu，SichuanProvince，610045China

Abstract：Inordertorealizethereliabletransmissionofsafety-levelinstrumentsignals，detachableelectricalconnectorsareoftenusedtoconnectinstrumentsandcables，aswellascablesandcablesinnuclearpowerplants.Thispaperinvestigatesthetechnologyofelectricalconnectors，anddesignsasafety-levelelectricalconnectorwithasimplestructure，reliableperformanceandeasyoperationandinstallationthatcaneffectiveabsorbthevibrationloadinearthquakesandseriousaccidentsandwithstandirradiationagingandthermalagingforalongertime.Basedonthedevelopedprototype，thefunctionalperformancetestandidentificationtestarecarriedout.Testresultsshowthatthesafety-levelelectricalconnectorhasveryhighreliability，whichcanmeettheneedsofnuclearpowerplantsintheenvironmentofaccidentsandbepromotedtotheapplicationfieldsinotherharshenvironmentalconditions.

KeyWords：Nuclearpowerplant;Electricalconnector;Safety-leveldurability;Accident

核电厂安全级电气连接器主要用于安全级仪表和电缆以及电缆和电缆之间的可快速拆卸并复装的连接。可在核反应堆正常运行、事故和事故后的环境条件下保持电气连接功能。目前，国内核电厂所用的安全级电气连接器大多是国外进口产品，难以满足国内仪表厂家的丰富接口需求，且难以对国内新研仪表提供有力支持。

安全级电气连接器属于安全级设备的配置部件，需经过相应的鉴定试验项目。从实际应用环境及使用方式出发，设计了多种规格的安全级电气连接器，并制定适用于安全级电气连接器的鉴定试验方法，通过试验发现并纠正设计过程中的缺陷，使连接器设备达到预期的技术指标。

1安全级电气连接器功能性能

对国内外连接器厂家、各电厂以及仪表和电缆厂家进行调研，并与核电厂总体目标相结合，分析确定核电厂安全级电气连接器的具体性能指标。

安全级电气连接器需要实现安全级仪表信号可快速拆卸并复装的连接。连接器需要在正常运行、事故和事故后的环境条件下保持电气连接功能。

根据调研分析，核电厂安全级电气连接器需满足总泄漏率≤1.0×10-7mL·bar/s的密封性能；连接器应具有防差错设计，防止插头和插座之间错误连接；连接器设计寿命需≥60年，其中密封垫片≥3年；连接器插拔次数≥200次；正常情况下的绝缘电阻应≥1000MΩ/500VDC，事故工况下的绝缘电阻应≥5MΩ/500VDC；连接器应进行表面处理，以提高表面的强度和抗腐蚀能力；紧固件应进行热处理，以确保机械强度在寿期内满足要求；插头和插座之间实现快速连接，无分散零件；密封环应固定安装，不脱落。

2安全级电气连接器设计

核电厂安全级电气连接器外形如图1所示，根据功能需求进行分类，连接器的安全等级为1E级。

依据当前已有研究理论[1-6]及经验反馈，结合核电厂安全级电气连接器各项功能性能需求，采取了各种优化设计。为保证连接器本体具有优异的机械性能，采用整体棒材加工连接器结构件；为保证连接器有良好的绝缘和抗辐照性能，采用PEEK作为绝缘材料；为保证连接器针芯有良好的电气和机械性能，采用铜本体镀金材料作为针芯；为保证连接器有较好的机械性能，采用316L不锈钢作为结构件材料；为保证连接器与电缆的良好契合，采用自适应线夹结构；为保证连接器在运行状态连接紧密，并在振动、地震时有效吸收轴向应力，采用波片弹簧压紧。同时连接器整体设计为无分离部件，以确保运行、安装与维护过程中的安全可靠性能。

连接器需要在各种工况下保证良好密封，因此对设备研制提出了较高的要求。为此采取双重密封结构的连接器设计，使用不同材料实现径向和轴向的双重密封结构，其中径向密封垫圈可以吸收来自连接器径向的振动和地震冲击载荷，而轴向密封垫圈可以吸收连接器轴向方向上的拉伸和压缩载荷。

为了实现连接器的快速拆装和盲装，设计了特殊的两重锁紧结构。可以确保针芯的对准，满足插入深度要求，并且在固定插头插座时，通过螺旋倍增结构，可有效减小插入力，同时该结构还可完全实现盲装，降低了安装难度。

最终设计的安全级电气连接器由螺母、座套、插座绝缘体、密封圈、波片弹簧、插头绝缘体、挡圈、外壳组件和尾盖等部件组成。设计的电气连接器涵盖同轴、多芯、直通等多种形式，典型配置为传感器端连接部件。当配置在不同传感器上时，可根据传感器接口设计进行适应性调整。

3功能性能试验

为保证电气连接器设备能够正确按要求执行功能，满足相关性能指标，需开展相关功能性能试验。试验样件的功能性能试验应在正常环境条件下进行，在试验前需完成设备集成和电缆接线，与适配的传感器一同进行试验。功能试验包括插拔试验和连通性试验，性能试验包括接触电阻试验、绝缘电阻试验、介电强度试验和密封性能试验。

4鉴定试验

安全级电气连接器需满足K1级设备鉴定要求。根据《核电厂安全级电气设备质量鉴定试验方法与环境条件》（EJ/T1197）以及IEEE572第6.2.3节相关要求，制定试验顺序。试验按照下述顺序进行。

基准试验包括目视检查、接触电阻检查、绝缘电阻试验、介电强度试验。

正常环境条件下极限值试验包括电磁兼容试验。

机械强度和耐久性试验包括热老化试验、多次通断试验、低温试验、高温试验、温度变化试验、交变湿热试验、恒定湿热试验、辐照老化试验、振动试验。

事故环境条件试验包括事故辐照试验、抗震试验、特殊环境试验。

（1）目视检查，无锈蚀、裂纹、涂覆层剥落、紧固部位松动、绝缘体起泡、开裂、变形等现象；（2）绝缘电阻≥100MΩ（500VDC）;（3）接触电阻≤20mΩ

5试验结果

安全级电气连接器顺利通过了功能性能试验及质量鉴定试验。其中正常环境条件下，接触电阻小于4mΩ，绝缘电阻2TΩ，介电强度试验漏电流小于0.004mA，泄漏率为6.3×10-11bar·cm3/s。事故环境条件下，电气连接器的绝缘电阻有所下降，试验中最小测量值大于120GΩ，仍能满足核电厂安全级电气连接器绝缘电阻不小于5MΩ的要求。

6结论

针对核电厂安全级电气连接器需求，对标国内外先进电气连接器性能指标，采取了双重密封结构、双重锁紧结构等优化设计，设计了一种高可靠性能的安全级电气连接器。本文对连接器的电气和结构设计方案进行了阐述，制定并开展了适用于连接器的功能性能试验和鉴定试验。试验结果表明，安全级电气连接器具有极高的绝缘、密封和可靠性能，能够满足安全级设备的信号传输需求，保证系统的安全性。

参考文献

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