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喻尔滨理工大学工程硕= j 学位论文 核级电缆性能研究与开发 摘要 利用核能发电已成为世界各国解决能源问题的重要途径，也是我国能源 战略的重要组成部分，积极开发核能电缆是实现核能装备国产化的重要组成 部分之一。 本文提出了核能电缆设计和选材方法，指出了k 3 类核级电缆与一般无 卤阻燃电缆的区别：研制了秦山核电一期二蔫历卤阻燃电缆，其机械物理性 能，1 5 且燃性能及燃烧气体腐蚀等主要性能均达到了国际先进水平；根据热氧 老化原理，合理地选择了热寿命评定参数和实验方法，实际的评定了产品应 用的乙丙橡皮绝缘的热老化性能。 在研制核环境下的k 1 类核级电缆的研制中，本文分析对比了美、 日、德、法各国核环境实验程序，深刻理解了k l 类电缆的使用环境，比较 了可选用电缆材料的耐辐射和核事故工况环境的性能。并对自行研制的电缆 及法、意等国电缆核环境实验各实验项目和最终完成实验后的性能做了大量 的对比实验。 由于我国的核电建设正处在起步阶段，核级电缆的研究开发也刚刚开 始，其产品性能指标及技术要求尚不完全统，因此本文仅依据秦山核电站 二期工程提出的核级电缆技术要求，结合国外发达国家核级电缆的发展现状 及技术水平，对核级电缆的结构设计、燃烧性能、四十年热寿命评定及核环 境性能等进行了研究、试验与分析，并提出了目前应解决的课题。 关键词核级电缆；无卤阻燃电缆；电缆性能 墼尘堡坚三奎兰三堡堡：! ：兰堡丝兰 t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t t op e r f o r m a n c eo f n u c l e a rc l a s sc a b l e a b s t r a c t n u c l e a rp o w e rg e n e r a t i o ni sa ni m p o r t a n tw a yt os o l v ee n e r g yp r o b l e m w o r l dw i d e ，a n da ni m p o r t a n tp a r to fe n e r g ys t r a t e g yi no u rc o u n t r y d o m e s t i c m a n u f a c t u r ea n d s u p p l y m e n t o fc a b l e su s e di nn u c l e a rp o w e rs t a t i o ni so f s t r a t e g yi m p o r t a n c e t h ed e s i g n i n gm e t h o da n dm a t e r i a ls e l e c t i n gp r i n c i p l ei sp u tf o r w a r d t h e k e yd i f f e r e n c e b e t w e e nc a t e g o r yk 3n u c l e a rc l a s sc a b l ea n d o r d i n a r y n o n h a l o g e nf l a m e r e t a r d a n t sc a b l ew a sd i s t i n g u i s h e di nt h ep a p e r t h ed e v e l o p m e n t o fc a t e g o r yk 3c a b l ef o rq i n s h a nn u c l e a rs t a t i o np r o j e c t sia n d1 1w a sr e p o r t e di n t h ep a p e r t h ep r o p e r t i e s ，s u c ha sm e c h a n i c a lp h y s i c a l ，f l a m e r e t a r d a n t sa n dg a s b u r n i n gc o r r o s i o n ，o f t h ec a b l ec o m et oa d v a n c e di n t e r n a t i o n a ll e v e r a c c o r d i n g t ot h et h e o r e mo fh e a t - o x y g e na g e i n g ，t h e r m a ll i f ee v a l u a t i o np a r a m e t e r sa n dt e s t m e t h o di sc h o s e nr e a s o n a b l y t h ep e r f o r m a n c eo ft h e r m a la g e i n go fe t h y l e n e - p r o p y l e n er u b b e ri n s u l a t i o nf o rp r o d u c t i o ni se v a l u a t e dp r a c t i c a l l y f o rt h ed e v e l o p m e n tc a t e g o r yk 1c a b l ei nt h en u c l e a re n v i r o n m e n t ，t h e t e s t i n go fn u c l e a re n v i r o n m e n te x p e r i m e n tp r o c e d u r e sf r o mu s a ，j a p a n ，g e r m a n ， f r a n c ew a sc o m p a r e da n da n a l y z e d t h ets i n gs u r r o u n d i n go fc a t e g o r yk 1 n u c l e a rc l a s sc a b l ei su n d e r s t o o dp r o f o u n d l y i r r a d a t i o n r e s i s t a n ta n db e h a v ei n n u c l e a ra c c i d e n to fp o l y m e ru s e da sc a b l ei n s u l a t i o nw a sa l s oc o m p a r e d t h e a b u n d a n to fc o n t r a s tt e s t si sc a r r i e do u tt oe v e r ye x p e r i m e n t a t i o np r o g r a m m e r u n d e rt h en u c l e a rc i r c u m s t a n c ea n dt h ep e r f o r m e r sa f t e rt e s to fc a b l ed e v e l o p e d b yo n e s e l fa n dt h ec a b l eo ff r a n c ea n di t a l y b e c a u s et h ec o n s t r u c t i o no fn u c l e a rp o w e rs t a t i o ni no u rc o u n t r yi si ni n i t i a l s t a g e t h er e s e a r c h & d e v e l o p m e n to fn u c l e a rc l a s sc a b l ei sj u s t s t a r t e d t h e p r o p e r t i e sa n dt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n so ft h ep r o d u c t sa r en o ta g r e e dw e l l t h e d e s i g n ，e x p e r i m e n t a ls t u d ya n da n a l y s i so fp r o p e r t i e s ，s u c ha sb u r n i n gp r o p e r t y , n u c l e a re n v i r o n m e n tr e s i s t a n tp r o p e r t ya n de v a l u a t i o no f4 0y e a r sl i f ee x p e c t a n c y 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 w e r ec a r r i e do u to n l ya c c o r d i n gt ot e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o no fn u c l e a rc l a s sc a b l e o f2 ”4 p r o j e c to fq i n s h a nn u c l e a rp o w e rs t a t i o n a n dp r e s e n tc o n d i t i o n s & t e c h n o l o g yl e v e lo fn u c l e a rc l a s sc a b l eo fd e v e l o p e dc o u n t r i e s k e y w o r d s n u c l e a rc l a s s c a b l e ；n o n h a l o g e n f l a m e r e t a r d a n t s c a b l e ；c a b l e p r o p e r t i e s 哈尔滨理工大学t 程硕十学位论文 1 1 目的及意义 第1 章绪论 核级电缆即核电站核岛厂房1 e 级回路用电缆，其常用的品种有： 6 1 0 k v 和o 6 l k v 电力电缆、o 6 l k v 控制电缆、3 0 0 5 0 0 v 仪表及热电偶补 偿电缆等。随着计算机技术的发展及核电站智能化水平的不断提高，其电 缆品种也在不断扩大，新建核电站又增加了光纤电缆、数字电缆、通讯电 缆及广播电缆等品种。 根据法国r c c e 核岛电气设备设计和建造规则的规定，核级电缆 按其安全类别又可分为k 1 、k 2 、k 3 三类“，其中： k l 类一一安装在安全壳内，并须在核电站正常运行、事故工况和 ( 或) 事故后工况的相应环境条件下以及在地震载荷下，均能执行其功能 的设备和系统。 k 2 类一一安装在安全壳内，并须在核电站正常运行工况的相应环境条 件下以及在地震载荷下，能保证执行其功能的设备和系统。 k 3 类安装在安全壳外，并须在核电站正常运行工况的相应环境条 件下以及在地震载荷下，能保证执行其功能的设备和系统。 核级电缆作为核电站的重要电气配套产品之一，其使用环境苛刻，安全 性要求严格，特别是k l 类核级电缆，是性能水平要求高，制造技术难度较 大的电线电缆品种。目前，国内除秦山核电站一期少量电缆、二期所用的全 部k 3 类电缆及阳湾核电站大部分k 3 类电缆由国内提供外，其余已建成和 在建核电站所用核级电缆( k 1 、k 2 、k 3 类) 全部采用进口。由于电缆用量 大，价格昂贵，耗用了大量外汇，因此，为加速我国核电工业的发展，有计 划的研究、丌发核电站电缆系列产品，特别是k 1 类核级电缆，形成批量生 产能力，使核电站电缆的供应全部立足于国内是非常必要的。同时，核级电 缆的研究与丌发，不仅为我国核电设各国产化做出了重要贡献，也极大地促 进j 找幽i u 线电缆行业在设计技术、制造技术及试验技术等方面的整体进步 与发展，而且其多方位、多学科的研究与试验，也为多项相关课题提供了有 力的技术支持。 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 1 2 国内外概况及发展趋势 截止2 0 0 0 年1 2 月，全世界砸在运行的核电机组已达到4 3 8 套，总装机 容量达到3 5 1 3 2 7 亿千瓦，共计发电2 4 4 7 5 3 t w h ，占全球总发电量的 1 6 ，另有5 7 座正在建设的核反应堆，装机容量为2 7 7 5 6 万千瓦。核电作 为当今世界蜮安全、最清洁及较经济的能源已成为世界各国解决能源问题 的照要途径。目静世界上已有十七个国家其核发电量占总发电量的比例超 过2 5 ，其中，核电占总发电量比重最高的是立陶宛，约为8 l ，其次是 法国为7 8 ，同时法国己形成了包括核技术、核燃料、核设备在内的自成 体系的核电工业技术；在美国，运行中的核电机组有1 0 4 台，为世界最 多，总装机容量达9 7 4 1 万千瓦，2 0 0 0 年核发电量为7 5 3 9 亿k w h ，占美国 发电总量的1 9 8 3 ；日本有5 3 台正在运行的核电机组，总装机容量达 4 3 6 9 万千瓦，2 0 0 0 年其核发电量为3 0 4 8 亿k w h ，占总发电量的3 3 8 2 ， 在未来同本政府还将计划建造1 3 座核电站，满足同益增长的能源需求。1 。 随着核电站的兴建，国外发达国家对核电站用电缆也开展了大量的研 究工作，继1 9 7 5 年美国b r o w n st e r r y 核电站发生了大规模的火灾，1 9 7 9 年 美围t h r e em i l e si s l a n d 原子反应堆发生了堆芯部分融化的严重事故，由此 更加速了符罔对核电站用电缆在运行和事故防范方面可靠性的研究。1 。美国 i e e e 提出了评价核电站用电缆的标准i e e e 3 8 3 和i e e e 3 2 3 ，同本对验证 1 e e e 标准做了许多试验研究工作，法国电力公司、法马通公司 ( f r a m a t o m e ) 和诺瓦通公司( n o v a t o m e ) 于1 9 8 0 年组成法国核岛设备设 计和建造规程协会( a f c e n ) ，并制定了一系列r c c 规则。从防灾的观点 来看，核电站的安全性是至关重要的，因此目前各个国家均使用阻燃的电 线电缆，并由一般阻燃型核电站电缆向无卤低烟阻燃型核电站电缆发展， 特别是k 1 类电缆，在无卤低烟阻燃的基础上还要通过一系列苛刻的核环境 试验考核，以确保核电站的高安全性和高可靠性“。目前又提出了k o 类 电缆的概念，即在k 1 类电缆基础上增加无机绝缘层，以适应核电站核反应 堆堆芯熔化这类极端事故，保证核电站最大的安全系数“3 。 我国近期电力建设的基本方针是“优先发展火电，大力发展水电，适 当发展核电”，这主要是因为核电基础造价较高，但随着核电设备国产化 比例的提高，其造价会逐步降下来 7 20 目前我国正在运行的核电机组有8 台，即：秦山一期一台3 0 万千瓦，秦山二期一台6 0 万千瓦及刚刚发电的 哈尔演删t 大学t 程坝卜学位论文 秦山三期两台7 0 万千瓦，广东大亚湾两台9 0 万千瓦，岭澳两台9 0 万千 瓦，总装机容量已达5 9 0 万千瓦，2 0 0 0 年核发电量1 5 9 6 亿k w h ，占全国 总发电量的1 1 8 。正在建设中的核电机组有3 台，即：秦山二期一台6 0 力千瓦，江苏田湾两台1 0 0 万千瓦。“十五”期间还将实施两个核电项目， 即秦山二期再建两台6 0 万千瓦、岭澳再建两台9 0 万千瓦机组。预计到 2 0 0 5 年，我国的核发电量将达到9 0 0 力千瓦时，占总发电量的2 以上。 随着核电站的兴建，我国电缆行业于1 9 8 7 年开始了核电站用电缆的研 究与开发，其中研究开发的秦山核电站一期用电缆按美国i e e e 标准设计， 采用低烟低卤阻燃型，电压等级o 5 k v 和l k v ，设计寿命为3 0 年“”； 研究开发的秦l f i 期用k 3 类电缆按法国r c c e 规程设计，采用低烟无卤 阳燃犁，电乐等级有o 5 k v 、1 k v 、1 0 k v 等，设计寿命为4 0 年；f 日湾核 电站用k 3 类电缆等同秦山二期，亦采用低烟无卤阻燃型，电压等级有 0 5 k v 、l k v 、1 0 k v 等，设计寿命为4 0 年“。由于我国的核电建设目前正 处于发展的初期，还没有形成自己的、系统的核电控制标准，所以每个核电 站所采用的设计标准均不完全一样，因此电缆的设计依据亦不完全相同，未 来将需要我们建设并发展自己的核电事业。 1 3 设计依据及主要研究内容 核级电缆主要用于核电站核岛厂房安全壳1 e 级回路的配电系统、控制 系统及仪表、信号、测量系统等。 法国r c c e 核岛电气设备设计和建造规则是针对那些发生故障就 有可能对人身安全或电厂可用性有严重影响的设备，是法国a f c e n 核岛 设备波和建造规程协会出版物，该协会是由法国电力公司、法马通公 司( f r a m a t o m e ) 和诺瓦通公司( n o v a t o m e ) 组成，于1 9 8 0 年1 0 月1 9 日 成立，协会的主要目标是： 一一编制核电厂核岛设备设计、制造、安装及运行用的明确而实用的 剧则； 根据获得的经验、技术进展及法规要求的演变来修订这些规则； 一一出版这蝗规则或他们的修订本。 r c c e 作为核电站核岛电气设备设计和建造的系统规则，为法国占总 发电量7 8 的核电站所试验和验证，也被世界许多国家所采用和借鉴。我 哈尔滨理工大学t 程硕i 一学位论文 圈秦i | i 核电站二期工程的设计就是依据法国r c c e 规则的要求进行的，因 此我们在电缆结构、材料配方、试验方法及检测技术等方面开展的大量设 计、试验、试制及研究工作均依据法国r c c e 规则及相关的国际电工委员 会标准( i e c 标准) 等进行。 本项研究主要针对核电站用电力电缆、控制电缆和测量电缆等五个品种 进行结构设计、性能研究和试验分析，同时进行对比试验的还有收集到的法 国和意大利核级控制电缆样品。电缆品种、规格如表1 1 所示。 表1 1 核级电缆样品名称、规格及技术参数 编 样品名称 规格 电缆绝缘标 额定额定 外径称厚度电压电流 号 w l l n 2 m mm mva i10 k v 【u 力【u 缆1 5 02 8 o3 41 0 0 0 02 0 0 2i k v 电力电缆 3 1 01 9 71 o1 0 0 06 7 31 k v 控制电缆 1 2 1 5 2 0 51 o1 0 0 0 3 5 43 0 0 5 0 0 v 仪表电缆 3 2 1 1 6 - 80 85 0 0 3 5 53 0 0 5 0 0 v 补偿电缆 3 2 1 1 7 5o 85 0 0 3 5 6意人利1 k v 控制电缆 1 4 1 5 2 2 70 81 0 0 0 3 5 7法国1 k v 控制电缆1 2 1 51 9 - 80 71 0 0 03 5 主要研究内容如下： ( 1 ) 电缆产品的结构设计； ( 2 ) 电缆用绝缘、护套材料的配方研究及性能分析； ( 3 ) 核级电缆燃烧性能( 低烟无卤阻燃) 分析及研究 ( d ) 四十年热寿命评定试验研究及终点指标的选择： 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 ( 5 ) 电缆耐长期热老化性能及试验研究； ( 6 ) 电缆受湿热老化影响研究与分析； ( ? ) u 缆在7 0 条件下耐y 射线辐照老化性能分析及试验研究 ( 8 ) 电缆酬l o c a 试验研究。 哈尔滨理工人学工程硕上学位论文 第2 章核级电缆结构设计与材料性能 核级电缆用于核电站核岛厂房安全壳内1 e 级回路，其使用环境苛刻、 安全性要求严格，与普通电缆相比，要经过多项试验检验( 特别是k 1 类电 缆) ，因此其结构设计及所用绝缘和护套材料性能的研究是本课题的重点。 2 1 结构设计 由于核级电缆的敷设及使用环境条件特殊，因此其结构设计及材料选用 除要考虑电缆的低烟无卤阻燃性能，同时还要考虑高温、高压、高湿、y 射线辐照、机械牵拉等各种环境因素对电缆的影响，其基本的结构型式与普 通电缆没有区别，即电缆由导体绝缘填充包带护套组成，结构简图如图 2 1 图2 4 所示“4 “”1 。 图2 - 16 1 0 k v 核级电力电缆 f i g 2 - 16 1 0k vn u c l e a rc l a s sp o w e rc a b l e 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 图2 - 20 6 1k v 核级电力电缆 f i g2 2o6 1k vn u c l e a rc l a s sp o w e rc a b l e 劁2 - 306 ik v 核级控制l h 缆图2 - 43 0 0 5 0 0 v 核级测颦电缆 f i g 2 - 306 1 k vn u c l e a rc l a s sp o w e rc a b l e f i g 2 - 43 0 0 5 0 0 vn u c l e a rc l a s sp o w e rc a b l e 虽然核级电缆的基本结构型式与普通电缆类似，但其设计要求的绝缘 和护套材料除具有正常的使用性能外，还应具有以下特殊特性： ( 1 ) 无卤低烟阻燃； ( 2 ) 耐诈常工况和事故工况的y 一射线辐照； ( 3 ) 喇l o c a 事故工况环境； ( 4 ) 绝缘在9 0 。c 工作温度下具有4 0 年以上的使用寿命。 哈尔滨理t 大学工程硕士学位论文 2 2 材料性能 为了达到上述技术要求，设计选用乙丙橡皮为绝缘材料，交联型e v a 混合物为护套材利。其中，1 0 k v 电缆绝缘选用高电性乙丙橡皮，低压电缆 绝缘选用无卤阻燃乙丙橡皮。绝缘配方的主要成分有：三元乙丙橡皮； 抗辐照防老化剂：交联剂d c p ；阻燃填加剂a l ( o h ) 3 ( 低压电缆绝 缘) ：其他助剂如石蜡、偶联剂、硬脂酸、氧化锌等。护套配方主要成分 有：e v a 共聚物：阻燃填加剂m g ( o h ) 2 、a l ( o h ) 3 ，高效协同阻燃助 剂；抗辐照防老化剂：润滑剂、偶联剂、交联剂等。绝缘护套主要性 能试验结果见表2 1 。 表2 - 1 核级电缆绝缘和护套的主要性能 试验结果 性能项目单位 高电性乙丙无卤阻燃乙丙无卤阻燃护套 1 抗k t 丑皮m p a 9 69 31 2 i 2 断裂伸长率3 4 03 2 51 8 0 3 邵氏a 硬度8 58 39 2 4 13 5 7 d 热老化后 抗张强度变化率 + 9+ 1 1+ 2 0 断裂伸长率变化率 8 1 0 1 7 5 1 3 5 。c4 0 d 热老化后 抗张强度变化率1 82 1+ 2 9 断裂伸k = 率变化率 1 21 5- 1 7 61 0 09 c2 4 h 浸油后 抗张强度变化率2 7 断裂伸k 率变化率 1 l 7 2 5 0 热延伸试验 51 0 载荷f 伸k = 率 0o 冷却后永久变形 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 续表( 2 ，1 ) 试验结果 性能项曰单位 高电性乙丙无卤阻燃乙丙无卤阻燃护套 8 ，2 0 0 。c 热延伸试验 载荷伸k 率 5 永久变化率 0 9 电气强艘 m v m3 1 5 2 9 3 i o 体积电阻率 2 0 q m8 7 x1 0 1 35 7 1 0 1 3 9 0 q m2 3 x 1 0 1 31 6 1 0 1 3 1 1 8 5 。c 1 4 d 表面吸水量 m g c m 1 2 31 4 2 1 2 氧指数 2 7 33 8 j 3 最人比光密度 1 2 51 2 91 4 8 ( n f 法) 14 燃烧气体腐蚀性 p h 值5 1 24 8 95 2 4 i 乜导率u s m m 2 0 62 3 52 0 1 】5 耐y 射线辐照试验 断裂伸k 率 5 0 m r a d 下 1 5 5 1 4 0 1 0 0 m r a df 1 1 51 1 0 2 0 0 m r a df 7 05 58 0 材料研究之所以确定以乙丙橡皮为绝缘，以交联型e v a 混合物为护 套，主要是考虑要使电缆能经受严酷的l 0 c a 事故工况环境，在高温高压 的情况下绝缘护套不产生永久塑性变形，保证电缆的正常结构。 在配方研究中，为了使电缆绝缘线芯能通过单根垂直燃烧试验，低压电 缆绝缘材料阻燃性能的参考指标设计为o i 2 5 ，而成品电缆要求通过 i e c 6 0 3 3 2 3 b 类成束燃烧试验，所以护套配方设计也充分考虑了这一点，使 0 1 3 7 。由于所用材料要求低烟无卤阻燃，所以采用了以a l ( o h ) 3 、 m g ( o h ) 2 为主的阻燃体系，并添加少量的协同高效阻燃剂，以达到满意的阻 哈尔滨理工人学工程硕士学位论文 燃效果。阻燃剂的粒度及其分布、主要成分含量和粉粒表面状态等都直接影 响绝缘、护套材料的性能，因此必须严格筛选。 配方中防老体系的确定即要考虑9 0 工作温度时使用4 0 年以上，特别 是还要考虑到经受y 射线的辐照。有关的耐辐射防老剂，很多资料做过介绍 的”“。我们选用的防老体系，其机理如下： r h 斗r + h r + a h a + r h r + a r a 高聚物r h 受y 射线辐照后，生成聚合物自由基r ，它能引起如交联 接枝和降解等老化反应。防老剂a h 与r 结合，终止聚合物自由基反应， 并生成低活性自由基a ，a 可进一步参与终止反应，达到防老化的目 的。 y 射线辐照试验，按法国r c c e 规程要求，应该在7 0 下进行，总剂 量为8 5 m r a d ，剂量率为0 1 0 0 5 m r a d h 。由于受试验条件限制，绝缘、护 套材料的y 射线辐照试验是在常温下进行的，但将总剂量提高到2 0 0 m r a d ， 剂量率为0 7 m r a d h 。这两个试验是否有可比性，没有经验。一般认为，高 温高剂量率时，y 辐照老化较严重。虽然法国标准的试验温度高，但总剂量 较低。而常温下，2 0 0 m r a d 的y 射线辐照可以被认为是较高剂量的辐照老 化，这也是世界上技术标准中剂量最高的辐照老化。 成品电缆按r c c e 规程要求进行了7 0 条件下、总剂量为8 5 m r a d 、 剂量率为0 1 o 0 5 m r a d h 的辐照试验，试验结果和分析见第43 条。 2 3 本章小结 核缴电缆与常规电缆相比，在结构上没有太大的差别，都是由导体绝 缘填充包带护套等基本元件构成，但在选择的材料上却有重大区别，不 仅要求i f 常运行所具有的电气和机械性能，还要求具有在特殊环境下的特殊 性能，即：无卤低烟阻燃耐y 射线辐照耐l o c a 事故环境9 0 条件下 具备四f 年以上的使用寿命等。因此，材料配方技术的研究和性能指标的确 定是研制核级电缆最关键的技术之一。 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 第3 章k 3 类核级电缆性能 核绒电缆作为核电站的熏要电气配套产品之一，其不仅具备一般电缆的 一般性能，还应具备阻燃电缆、无卤低烟电缆的性能，同时还应经受住核电 站严酷的核环境试验考核，根据秦山核电站二期工程的要求，k 3 类核级电 缆的主要性能如下 1 8 1 ： 一般性能：电气性能 机械物理性能 燃烧性能：阻燃性能 无卤性能 低烟性能 般环境性能： 核环境性能 在工作温度下具备4 0 年以上的使用寿命 抗地震性能 耐长期热老化性能 耐湿热老化性能 弯曲性能 7 0 。c 条件下耐y 射线辐照老化性能 耐l o c a 环境试验性能 k 3 类核级电缆具备一般性能、燃烧性能和一般环境性能，k 1 类核级电 缆在此基础上具备核环境性能。其中，电气和机械性能作为电缆的通用性能 不做专题描述，会在相关章节提到；抗地震性能主要是针对仪器设备的，对 电缆的考核仅做弯曲试验，因此亦不做专题描述。本章将针对燃烧性能和四 十午热寿命进行试验、研究与分析，核环境试验与性能将在第4 章进行研究 分析。 3 1 燃烧性能 燃烧性能，即电缆在燃烧状态下所表现出来的性能。由于无卤阻燃电缆 在燃烧时不产生腐蚀性的卤素气体，只产生较少的烟雾，并且具有自熄性， 使得火灾时的人员疏散和救火活动变得更为方便，使重要的仪器、仪表等设 备免受卤素气体腐蚀，有效地提高了重要设施的安全性和可靠性“。j 。因此 无卤阻燃电缆在重要场所获得了广泛的推广应用，近年来建造的核电站也全 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 部采用了无卤低烟阻燃电缆，但其与一般工业用无卤阻燃电缆和传统核电站 电缆相比是不同的，如表3 - 1 所示。 表3 1 无卤阻燃电缆在不同使用环境下的性能”4 5 t a b l e3 - lt h ep r o p e r t i e so f h a l o g e nf r e ef l a m er e t a r d a n tc a b l e u n d e rd i f f e r e n te l i v i r o n m e n t s 。2 “”“2 “ l u 缆类别 般一业_ l = | j秦山核电站秦山核电站 撕意一期j i j _ _ = 期川 特性无卤阻燃电缆传统阻燃电缆无卤阻燃电缆 l 一般特性 1 1 电气性能i e c 6 0 5 0 2 标准i e c 6 0 5 0 2 标准i e c 标准 1 2 机械性能 绝缘：老化条件 1 3 5 7 d 1 3 5 7 d 1 3 5 1 0 d 变化率 3 03 02 5 护套：老化条件 1 0 0 7 d1 3 5 7 d1 1 0 1 0 d 变化率 3 03 02 5 2 燃烧特性 2 1 成束乖直燃烧试验i e c 6 0 3 3 2 3 c 类茭i e e e 3 8 3i e c 6 0 3 3 2 - 3 b 类 2 2 单根线芯燃烧试验i p c e as 19 8 1i p c e as - 1 9 8 l 2 , 3 绝缘氧指数2 5 以上2 5 以上 2 4 护套氧指数2 7 以上3 2 以上 2 5 卤化氢气体发生量5 m g g 以f 1 0 0 m g g 以下5 m e j g 以一f 2 6 p h 值4 3 以上4 3 以上 2 7 电导率 1 0 p s m m 以下1 0 p s m m 以下 2 8 灿浓度试验i e c 6 1 0 3 4发烟量3 0 0 以下 i e c 6 1 0 3 4 3 热寿命评定3 0 年4 0 年 4 耐环境性根据敷设场所确定符合正常环境符合正常环境要求 ( 如耐热性、耐油要求和事故要求和事故要求 性、耐药品性等)美i e e e 3 8 3法r c c e 规程 从表3 一l 可以看出，所有电缆产品的电气性能要求是一致的，即满足 国际电工委员会i e c 6 0 5 0 2 标准要求，但其他性能却存在很大差异。一般工 业用无卤阻燃电缆，其一般性能及低烟、无卤、阻燃性能均满足相关的i e c 标准要求，而传统核电站电缆一般为含卤或低卤电缆。 哈尔滨理工大学丁程硕士学位论文 新型核电站电缆则不同，其各项性能指标要求均有提高，主要是：绝缘 和护套的老化条件及老化后的变化率高于其他电缆；绝缘线芯要求阻燃；其 成束燃烧要求达到b 类或a 类；使用寿命要求达到四十年以上；要求具有 核环境性能等”。 因此核级电缆的低烟无卤阻燃性能不同于一般电缆，比一般电缆更难 于实现，如低压电缆绝缘的阻燃性能与其电气性能、绝缘和护套的阻燃性能 与其机械性能和挤出加工性能就是两对突出的矛盾；而电缆成品要求通过 i e c 6 0 3 3 2 3 b 类或a 类成束燃烧试验，则对电缆的其他结构材料( 如挚 层、包带、护套等) 又提出了更高的要求。研究中我们对五种电缆样品进行 了全部燃烧性能的测试，同时还将意大利p i r e l l i 公司和法国p l e r g i e 公 司的电缆进行了对l l 钡, r l 试，详细的性能测试结果见表3 - 2 表3 5 。 表3 2 是按美国i p c e as 一1 9 - 8 1 标准进行的绝缘线芯单根垂直燃烧试 验，由试验结果可以看出，较小截面的线芯，试验较难通过；我们收集的外 国电缆样品均没有通过该项考核。 表3 - 2 电缆绝缘线芯单根垂直燃烧试验( i p c e as - 1 9 81 ) i 辩 延燃时间指示旗烧面积烧伤长度 6 0 6 01 0 02 5 4 ( 法i l i ) 1 4 x 15 m m 2 0 6 1k v 控制电缆绝缘线芯 6 01 0 0 2 5 4 ( 意人利) 1 2 x1 5m m 2 篁些堡型三奎兰三堡堡圭兰堡篁圣 表3 - 3 电缆成束燃烧试验( i e c 6 0 3 3 2 3 ) 心 电缆根数烧伤长度m m ( 按每米电缆可燃体积计) 2 5 0 0 样m 粥称”3 5 升米7 升米正面背面 6 1 0 k v 电力电缆 61 1 0 06 0 0 1 5 0 m m 2 1 21 3 0 015 0 0 0 6 1 k v 电力电缆 1 34 0 0 6 0 0 3 1 0 m m 。 2 61 2 0 01 4 0 0 o 6 ik v 控制电缆 1 11 2 5 09 2 0 1 2 1 5 m m 2 28 2 07 0 0 3 0 0 5 0 0 v 仪表电缆 1 68 3 07 8 0 3 2 x 1m m 2 3 27 5 07 4 0 3 0 0 5 0 0 v 热电偶补偿电缆 1 58 0 07 0 0 3 2 1m m 2 3 08 4 06 5 0 表3 - 4 电缆燃烧烟浓度试验( i e c 6 1 0 3 4 ) t a b l e3 - 4s m o k ed e n s i t yt e s t so f c a b l eb u r n i n g ( i e c 6 1 0 3 4 ) 【u 缆名称电缆规格电缆根数透光率6 0 6 1 0 k v 电力电缆 1 5 0 m m 22 9 2 j5 5 0 6 1 k v 电力电缆 3 1 0 m m 3 7 9 7 8 4 o 6 1 k v 控制电缆 1 2 1 5 m m 2 8 5 8 8 2 3 0 0 5 0 0 v 仪表电缆 3 2 1m m 3 8 3 5 6 2 3 0 0 5 0 0 v 热电偶补偿电缆 3 2 x lm m 3 8 2 2 4 4 o6 1 k v 控制电缆( 法国)1 2 1 5 m m 3 9 1 7 6 4 1 4 哈尔滨堙工人学工程坝上学位论义 表3 - 5 电缆各部分材料燃烧气体腐蚀性试验( i e c 6 0 7 5 4 2 ) t a b l e3 - 5c o r r o s i v ep r o p e r t yt e s t so f g a sr e l e a s i n gf r o me a c hp a r tm a t e r i a lo f b u r n i n gc a b l e ( i e c 6 0 7 5 4 2 ) “，乞称 研制意人利法国 样品样品样品 性能项目p h 值电导率p h 值电导率p h 值电导率 1 0u1 0u1 0u 指标 4 34 34 3 s ，m ms ，m ms ，m m f ：。4 电| 生 6 o0 6 5 乙w 橡皮 无卤阻燃 4 8 92 3 55 4o 5 乙丙橡皮 无卤阻燃 4 82 5 1 交联聚烯烃 内、】j 甘体 481 1 外、卜导体 4 91 o 填充 4 7 6 1 1 包带59 0 5 3 护套 6 00 55 10 5 6 1 0 5 2 表3 3 是按i e c 6 0 3 3 2 3 标准进行的电缆成束燃烧试验，要求是b 类， 同时也进行了a 类考核，结果均达到了要求。从烧伤长度看，a 类结果和 b 类相差不大，控制电缆燃烧结果a 类还好于b 类，这种试验现象还是第 一次看到，分析原因可能与无卤材料的阻燃机理有关。其主要是：燃烧时， 无卤阻燃材料中的氢氧化物受热后，会分解释放结晶水，吸收大量热量，从 而抑制聚合物温度上升，延缓热分解，阻止燃烧，同时，脱水分解所产生的 水蒸气，能稀释可燃性气体，从而起到阻燃效果。” 2 9 1 f 3 0 3 1 1 ea 类燃烧试验 时电缆根数大量增加，阻燃材料体积也迅速增加，其降低电缆表面温度的能 力以及水蒸气稀释氧气的能力均有所增加，特别是小规格、紧密排列的电 哈尔滨理工大学 二程硕士学位论文 缆，也可以说表现为阻燃性能的提高，因此会出现燃烧结果a 类与b 类类 似或略好于b 类这样的现象。但还应做进一步的试验验证。 表3 - 4 和表3 - 5 分别是电缆燃烧烟浓度及电缆所用全部材料燃烧时腐蚀 性气体发生量的测试结果，国外样品由于试样长度不够，烟浓度试验仅做了 法国样品。由试验结果可知，各类电缆样品均达到标准要求，并有很大裕 度。 3 2 四十年热寿命评定 我国第一座核电站一一秦山核电站一期按美国i e e e 3 8 3 标准设计，其 设计寿命为3 0 年，目前正在建设的秦山核电站二期及f ；f | 湾核电站其设计寿 命为4 0 年，据介绍未来的核电站其设计寿命将达到6 0 年。因此，不断提高 材料技术水平，系统地进行电缆热老化性能和热寿命评定试验研究对核电站 的安全性来说是一项十分重要的课题。本项目针对核级电缆用乙丙橡皮绝缘 进行了长期的热寿命评定试验研究，试验结果表明，其绝缘材料在9 0 工 作温度下具有四十年以上的使用寿命”1 。 3 2 1 试验原理 有机绝缘材料在热的作用下起着各种化学变化，包括氧化、热裂解等， 这此化学反应的结果使材料的机械性能和电气性能劣化，而其反应速度的快 慢则决定着材料的热老化寿命，应用化学反应动力学可以导出材料寿命与温 度之问的关系式。“： 培r = a + b t( 3 一1 ) 式中_ 一材料到达寿命终点的时间，即材料的寿命； 7 。一绝对温度； “、6 常数 本项目就是利用这一原理，采用加速老化的方法，以较高温度和较短时 问的试验去模拟电缆较低的正常运行温度和漫长的四十年以上的使用寿命。 需要指出的是，方程( 3 1 ) 是在假设材料受热时发生的氧化、热裂解等化学 反应是由一级化学反应所构成的基础上而推导出的。 哈尔滨理工大学t 程颂 学位论文 3 2 2 热寿命评定性能的选择 在进行热寿命评定之前，应首先进行热寿命评定性能的选择，且所选择 的评定性能应尽可能地反映出材料在实际使用中的功能。由于绝缘材料受热 老化，对其机械性能和电气性能的影响程度是不同的，因此我们对所要评定 的乙丙橡皮进行了探索性试验，其试验结果如表3 - 6 所示。 表3 - 6 热老化对乙丙橡皮绝缘机械、电气性能的影响 t a b l e3 - 6h o ta g e i n gi n f l u e n c eo nm e c h a n i c a l & e l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f e p r 蓦 已丙绝缘( 1 )己丙绝缘( 2 ) ts k irs k 2 9 、 e t s k it s k z pre t a f tst 锄6 ( m 艮) f 1( 0 m )m v m ( m ) ( ) ( om )m v m 2 8 l6 老化前3 5 0 l o “】o 。 l3 5 28 2 6 0 07 4 fd df o 1 3 5 2 l 【 l3 5 7 b9 3 1 8 0 ，o5 1 x m 】d1 0 1 0 1 1 l5 0 l5 2 0 0 05 7 1 4 dx l 1 5 0 i3 严重变色脆碰1 0 00 3 x 2 8 d1 0 。1 i 山表3 - 6 可知，热老化对材料的机械性能影响较大，对电气性能影响较 小；而随着老化的进行断裂伸长率的下降速度比抗张强度快，同时依据 i e c 6 0 2 1 6 2 标准推荐的乙丙橡皮绝缘的评定性能，确定断裂伸长率为本项 热寿命评定试验中的评定性能。“。 3 2 3 材料寿命终点的选择 对于寿命终点的选择，i e c 6 0 2 1 6 2 标准推荐用性能原始值的5 0 作为 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 卣选终点，米评价刷热特征参数，如果原始值的5 0 终点没有实际意义， 则可按次选的终点即用性能原始值的2 5 作为终点来评价耐热特征参数， 使其史适合材料的用途和功能。 在电缆绝缘材料中，一般认为绝缘的断裂仲长率为5 0 时，该材料即 被认为到达寿命终点。根据高电性乙丙橡皮和无卤阻燃乙丙橡皮断裂伸 长率原始值的测定结果( 分别为3 4 0 和3 2 5 ) ，其原始值的2 5 分别为 8 5 矛d8 1 ，与实际使用寿命终点相接近，并有一定裕度，故以断裂伸长率 原始值的2 5 作为乙丙橡皮绝缘的寿命终点。 3 2 4 老化试验温度的选择 在热寿命评定试验中，求取温度指数时，为获得失效时间与热力学( 绝 对) 温度倒数之间的a r r h e n i u s 方程，试样应在分布范围足够宽的( 不少于 3 个，最好是4 个) 老化温度下进行老化试验。同时为了减少计算耐热特征 参数中的偏差，需要仔细选择整个热老化试验的温度范围，因此，参照 i e c 6 0 2 1 6 标准提出的原则”，并结合表3 - 6 所示的试验结果，确定热老化 试验温度依