核电厂安全级(1E)电缆鉴定审查过程中相关问题的探讨

毋 琦， 毛从吉

(环境保护部核与辐射安全中心，北京100082)

0 引言

为了保证核电厂内冗余设置的安全重要系统和设备不会因某种故障机理而导致共因失效，我国的核安全法规HAF 102《核电厂设计安全规定》中规定必须对核电厂安全重要物项进行合格鉴定以验证“设备在整个寿期内，能满足处于需要作用时的环境条件(如振动、温度、压力、喷射流冲击、辐射、湿度)下执行安全功能的要求”［1］。美国联邦法规10CFR 50.49《核电厂安全重要电气设备环境鉴定》要求必须对安装在严酷环境中的安全级(1E级)电气设备进行鉴定［2］，法国的 RCC-E《核岛电气设备设计和建造规则》中也针对核电厂安全壳内外所安装的安全级电气设备分别规定了标准鉴定程序、K1类、K2类和K3类质量鉴定程序［3］。

1E级电缆作为在正常工况下和设计基准事件期间及随后的规定时间内向核电厂安全系统设备提供控制、测量信号和运行电力的重要设备，必须按照相关的标准制定鉴定大纲和程序，并进行质量鉴定。对1E级电缆的鉴定过程和鉴定文件进行审查是核安全设备审查的重要内容之一，审查主要针对1E级电缆的鉴定过程、鉴定文件和鉴定试验结果与标准法规的符合性以及电缆安装位置的环境要求的一致性做出评价。本文对1E级电缆鉴定样本选择、电缆材料热寿命评定和加速热老化试验条件等三个问题进行讨论，提出审查者对这三个问题的一些看法和见解。

1 鉴定样本的选择

目前，我国核电厂1E级电缆供货商多参考RCC-E中的质量鉴定程序，按照IEEE 383—1974［4］中的相关要求进行安全级电缆的鉴定工作。按照IEEE 383—1974的有关要求，必须选择在导体、绝缘、填充物、护套、屏蔽方式和材料等方面能够代表被鉴定电缆的样本，并列出了具有代表性的电缆型号和规格(见表1)。

表1 IEEE 383—1974电缆鉴定样本

从表1中可以看到，按照电缆的电压等级和用途，IEEE 383—1974要求对每个电缆族都要选择鉴定样本。对于2 kV以下的多芯控制电缆、屏蔽信号电缆或者单芯电力电缆来说，除垂直托架燃烧试验需要选择 7 芯 1.5、2.5、4 mm2规格外，对于其他的试验项目只要选择单芯2.5、4 mm2规格就基本能够满足样本选型要求。对于对屏蔽、3芯或4芯的屏蔽多芯信号电缆，只要选择1×2×1.5 mm2的规格或实际规格的电缆样本就可以满足要求。同样的，对于中压电力电缆、补偿电缆和同轴、三同轴电缆，也只需要选择1～2个规格的样本即可满足要求。

在法国有关安全级电缆的技术文件中没有具体给出不同电缆族的鉴定样本规格，但是关于K1、K2、K3类电缆鉴定样本的选择规定了若干原则，分别是:(1)经受全部试验的电缆族的样本中至少有一个样本能够代表电缆族中使用的所有的有机材料;(2)技术上有差异的电缆族，每个电缆族至少有一个代表样本;(3)对于每个电缆族，至少选择一个最小直径和一个最大直径的电缆样本;(4)对于无卤电缆，所有材料都应当被试验。显然，与 IEEE 383—1974的要求一致，在此技术文件中所规定的电缆鉴定样本的选择原则中同样要求样本应该具有充分的材料代表性，但是与IEEE 383—1974存在明显差异的是，此技术文件中明确要求对每个电缆族至少选择一个最小直径和一个最大直径的鉴定样本。

让人感到困惑的是，对于电压等级2 kV以下的多芯控制电缆和信号电缆，IEEE 383—1974中规定可以选择单芯的电缆鉴定样本来代表这些电缆族，但显然即使绝缘、护套等有机材料完全相同的情况下，多芯电缆与单芯电缆的结构是存在明显差异的，这种结构上的差异可能会导致被鉴定的多芯电缆与鉴定样本单芯电缆在暴露于相同的试验环境下发生故障的机理存在不同。美国Brookhaven国家实验室对此问题进行了深入的试验研究，并在NUREG/CR 6704［5］中描述了具体的试验过程和试验结论。通过对同种材料的多芯电缆和单芯电缆鉴定样本施加相同的加速热老化试验、辐照老化试验和设计基准事故模拟(LOCA)试验后，发现热老化会造成样本绝缘、护套等材料的劣化收缩。这种收缩会导致在进行LOCA试验过程中，老化后的绝缘和护套等材料吸收蒸汽水分后发生膨胀，且老化后的鉴定样本发生膨胀所导致外径的变化比率明显大于未老化的电缆经受LOCA试验后的外径变化比率，同时，这种膨胀可能会导致绝缘和护套开裂。另外，报告中提到如果绝缘材料的膨胀速率大于护套材料的膨胀速率，那么，多芯电缆的绝缘膨胀后作用于护套的附加应力可能会导致护套开裂。因此，报告中提到，基于材料的一致性而通过单芯电缆鉴定样本来代表多芯电缆可能是不充分的，在鉴定样本的选择上，应该注意到多芯电缆和单芯电缆的结构差异可能会产生不同的故障机理。

IEEE 383—2003［6］中关于电缆鉴定样本的选择方面有如下要求:(1)鉴定样本是由同一供货商采用相同工艺制造的电缆;(2)鉴定样本和被鉴定电缆在材料方面是一致的，包括绝缘、护套、填充物、屏蔽等;(3)鉴定样本与被鉴定电缆具有相同或更高的运行额定值;(4)每密耳运行等级上鉴定样本与被鉴定电缆相比具有相同或更高的电压值;(5)鉴定样本在结构上能够代表被鉴定的电缆(导体的数量和类型)。与1974版相比，2003版的IEEE 383标准中并没有规定或推荐鉴定样本的规格选型，但是在鉴定样本的代表性方面要求样本能够在电缆结构方面充分代表被鉴定的电缆族。

在同一个电缆族中，多芯电缆一般比单芯电缆具有更大的外径，导体规格相同的情况下，芯数越多，电缆外径也就越大。法国有关电缆技术文件中关于至少选择一个最小直径和一个最大直径的样本选型要求，正是考虑到鉴定样本应能在结构方面代表被鉴定的电缆族，对比IEEE 383—2003的相关要求，两者的要求原则上是一致的。在1E级电缆鉴定的核安全审查过程中，审查者对于鉴定样本的选择一直给予重点关注。按照NUREG/CR 6704中所描述的有关试验结论，显然IEEE 383—1974中所推荐的鉴定样本选型规格是不够充分的，IEEE 383—2003已经对电缆鉴定样本结构代表性方面做出了补充要求，并且美国核管会已经在2009年通过RG 1.211 认可了 IEEE 383—2003，因此，审查者认为IEEE 383—2003中关于电缆鉴定样本的选型原则是适当的。通常，在电缆鉴定样本选型原则方面，审查者有如下几点要求:(1)鉴定样本应该在材料、制造工艺、运行额定值、电压等级、结构型式等方面能够充分代表被鉴定的电缆族，不同材料、不同工艺、不同电压等级的电缆族应当选择不同的鉴定样本;(2)在电缆规格选型方面，除法国有关电缆技术文件中选择同一电缆族中具有最小直径和最大直径的电缆作为样本的要求外，审查者一般还要求在同一个电缆族中，选择导体规格最小的电缆作为鉴定样本，因为额定电压相同的情况下，导体规格最小的电缆其绝缘标称厚度是最薄的;(3)考虑到燃烧试验的保守性，对于不同材料的电缆，鉴定样本中还必须包括有机材料在电缆中所占比重最大的电缆作为燃烧试验的样本;(4)另外，按照IEEE 383—2003的要求，除中压电缆外，单芯电缆和多芯电缆的绝缘线芯应该作为样本，暴露于试验环境进行鉴定，以验证绝缘线芯能够独立于护套执行其功能。

2 材料热寿命评定

对于严酷环境下使用的1E级电缆进行鉴定，实际上是验证电缆能够抵御来自环境和运行条件的种种老化因素的负面作用，并在电缆寿命期末发生设计基准事件期间和之后规定的时间内，电缆仍然能够执行其预定的安全功能的能力，因此应该对电缆进行老化评价以确定造成电缆性能劣化的老化因素和机理，并确定电缆的鉴定寿命。对于和缓环境下使用1E级电缆，IEEE 383—2003中不要求确定电缆的鉴定寿命，但是同样要求通过老化评价确定其工作寿命。

在国内外的电缆鉴定实践过程中，无论严酷环境下还是和缓环境下使用的1E级电缆，在进行热老化试验之前，通常需要进行材料的热寿命评定工作，用以推算电缆关键材料在长期工作温度下的热寿命。进行材料热寿命评定时，通常采用Arrhenius模型，按照 IEC 60216-1:2001［7］的要求，选取三个以上的温度暴露点，以材料断裂伸长率保留率50%作为材料寿命终点判据进行试验和评价，根据试验数据，可以得到各温度暴露点下材料断裂伸长率保留率与老化时间的关系曲线，取各曲线与50%断裂伸长率保留率的水平线的交点作为各温度点下材料的寿命终点时间。依据各温度点测得的寿命终点时间可以得到材料的耐热图，从而外推得出规定温度下的材料热寿命，并可以按照Arrhenius公式推算得出材料的活化能。根据材料的活化能、预期的电缆鉴定寿命和电缆长期工作温度，选择相应的加速热老化试验温度就可以计算得出加速热老化的持续时间。

在材料热寿命评定方面，需要注意的是，按照IEEE 383—2003的有关描述，对于可能影响电缆鉴定结果的关键部件，例如绝缘、护套，都应该进行热寿命评定。对于电缆来说，绝缘材料的性能显然会影响到电缆的鉴定结果，我国的电缆厂商在进行1E级电缆的鉴定工作时，一般都针对绝缘材料进行了热寿命评定工作，但是对于护套材料，有部分厂家未进行材料的热寿命评定，这主要是基于以下原因:(1)电缆的热寿命主要取决于绝缘材料的热寿命，绝缘材料对于保证电缆的电气性能是最为关键的材料;(2)护套与绝缘材料的作用不同，其主要作用是在电缆安装过程中以及各种使用环境下对电缆绝缘进行保护，特别是在电缆运行过程中，其作用是保持电缆结构的完整性;(3)护套与绝缘材料在电缆使用过程中的工作温度不同，在电缆长期运行过程中，护套温度低于绝缘温度，按照绝缘材料热寿命评定所确定的加速热老化试验条件对于护套来说是保守的。关于护套性能是否会影响电缆的鉴定结果，美国Brookhaven国家实验室也进行了试验研究，试验结果表明，加速热老化试验可能会造成电缆护套的收缩甚至开裂，当电缆护套与绝缘采用粘结方式连接时，这种收缩应力会传递至电缆的绝缘层。在进行LOCA试验时，由于护套材料吸水而产生的膨胀会导致护套开裂加剧，并进一步将应力传递至电缆绝缘，从而有可能造成电缆绝缘的开裂［5］。因此，审查者认为:(1)对于护套材料是否可能影响到电缆的鉴定结果，需要根据电缆的材料、结构、工艺、运行和事故环境进行仔细的分析方可确定。考虑到电缆护套经受老化后可能产生的收缩甚至开裂，以及在蒸汽暴露下可能产生的膨胀，并由此对绝缘所产生的应力可能导致绝缘发生破裂的情况，将护套老化至寿命末期，再进行设计基准事件模拟试验是保守的。如果不能证明护套不会影响到电缆的鉴定结果，那么应该对电缆的护套材料进行热寿命评定，至少应该对1E级安全壳内的电缆护套材料进行热寿命评定工作;(2)对于电缆的绝缘和护套材料，热寿命评定计算得出的活化能可能会有不同，这种情况下，应该选择保守的活化能作为加速热老化试验条件的计算依据，以保证在进行设计基准事件模拟试验之前，电缆已经老化至其寿命末期。

另一个需要注意的问题是，按照IEC 60216-1:2001的有关要求，进行材料热寿命评定时，温度外推范围不应该超过25℃，即如果需要评定材料在90℃的热寿命，那么所选取的最低温度暴露点则不应该高于115℃。IEEE 383—1974中关于材料热寿命评定的温度暴露点要求选取最少三个温度点，其中一个温度点应该包括136℃，三个温度点之间的最少相差10℃，IEEE 383—2003中没有关于热寿命评定温度暴露点的具体要求。在审查过程中发现，我国的电缆制造商尽管在材料热寿命评定的原则和方法上基本满足IEC 60216的要求，但是当评定材料90℃热寿命时，最低的温度暴露点均高于115℃，这与IEC 60216的要求是不相符的，这主要是因为如果选取的暴露点温度过低，材料老化至寿命终点的试验时间可能会非常漫长(可能会长达数年时间)，所以在实际进行材料热寿命评定过程中通常通过提高温度加快材料的化学反应速度，从而达到节省试验时间的目的。由于进行材料热寿命评定的假设前提之一就是在一定温度范围内，材料的化学反应速率与温度之间存在线性关系，但是已有相关试验证明(见NUREG/CR 6384)，对于特定材料来说，当超出一定的温度范围时，其化学反应速率与温度之间的关系是非线性的，因此，依据热寿命评定的试验数据进行外推的温度范围不宜过大。尽管通过热寿命评定试验数据进行外推的温度范围大于25℃，不满足 IEC 60216的要求，但是基本满足IEEE 383—1974标准的要求。

3 加速热老化试验条件

如上文所述，完成电缆关键材料的热寿命评定后，选择保守的活化能，根据材料的活化能、预期的电缆鉴定寿命和电缆长期工作温度，选择相应的加速热老化试验温度就可以计算得出加速热老化的持续时间。根据我国多数核电厂的电站设计寿命(40年)、结合核电厂安全壳内外的设计环境温度(安全壳内10～50℃，壳外 －25～40℃)和 IEC 60502:2004［8］中相关绝缘材料耐受的导体长期工作温度的最高值(PVC 70℃;XLPE、EPR 90℃)，我国的1E级电缆的鉴定寿命目标一般为长期工作温度90℃下，鉴定寿命达到40年。

根据目前国内外电缆绝缘材料的热寿命评定结果来看，材料的活化能一般为1.1～1.5 eV，当选择加速热老化试验温度为150℃，长期工作温度90℃，预期鉴定寿命40年时，根据Arrhenius公式可计算得出，加速热老化试验的持续时间在388～2370 h，国内外部分厂家的电缆绝缘材料活化能及计算得出的加速热老化数据见表2。

上世纪80年代至本世纪初，美国核管会(NRC)委托相关研究机构对美国主要安全级电缆制造厂商的鉴定报告进行了审查和评价，形成了多份研究评价报告，如NUREG/CR 6794、NUREG/CR 6704等。根据这些报告中的有关描述，关于加速热老化试验的条件，美国各制造商一般根据电缆在电厂实际使用的运行条件，结合材料的热寿命评定结果确定，表3列出了部分电缆制造商鉴定报告中的热老化试验条件。

表2 计算得出的部分制造商的电缆绝缘材料活化能及加速热老化数据

表3 部分电缆制造商的加速热老化试验数据

由表2和表3可以看到，加速热老化试验的温度和时间与材料活化能、预期的运行温度和预期的鉴定寿命密切相关。显然，美国部分电缆制造商并没有按照90℃的长期运行温度加速模拟40年的自然老化。在IEEE 383—2003中明确要求在材料热寿命评定的基础上(或活化能已知)，结合预期的鉴定寿命，确定加速热老化的时间和温度，但并没有给出确定的电缆长期运行温度，因为电缆的长期运行温度与电站系统设计、电缆的使用环境、电缆的负载情况以及电站的运行工况有关。在IEC 60502中给出的是电缆长期运行期间绝缘材料耐受的导体最高温度，考虑到核电厂系统设计的保守性，对于大部分电缆而言，不可能总是满载运行，核电厂安全级仪表电缆、控制电缆和低压电力电缆往往是间断运行且负载较小，导体通电过程中所产生的热量理论上不会明显地造成绝缘材料的温度升高。对此，NUREG/CR 6794［9］中提到，与仪控电缆间歇通电的情况不同，对于给中高压电机和开关柜等设备供电的中、高压电力电缆，其运行电压和电流明显地大于仪控电缆，导体持续通电会造成电缆的温度明显升高，这将会加速电缆材料热降解的化学反应。因此，审查者认为，应该结合核电厂的系统设计、运行工况、电缆的敷设位置、电缆的运行环境条件、电缆的负载情况等分析计算确定电缆的长期运行温度，当没有合理的计算分析报告可以证明电缆的长期运行温度低于90℃，按照90℃进行鉴定是保守的。

4 结束语

1E级电缆是核电厂安全级系统执行安全功能所必需的重要设备，按照我国的核安全法规，1E级电缆必须按照相关的标准、鉴定大纲和程序进行质量鉴定。关于1E级电缆的鉴定，国内外已有比较成熟的鉴定方法、标准和程序，但是鉴定过程中的一些重要的细节问题尚有争议。本文对1E级电缆在核安全审查过程中的样本选择、材料热寿命评定和加速热老化试验条件这三个问题进行了探讨，提出了审查人员的一些看法和见解。

［1］HAF 102－2004 核动力厂设计安全规定［S］.

［2］10CFR 50.49 Environmental qualification of electrical equipment important to safety for nuclear power plant［S］.

［3］RCC-E Design and construction rules for electrical components of nuclear islands［S］.

［4］IEEE 383 －1974 IEEE Standard for type test of class 1E electric cables，field splices，and connections for nuclear power generating stations［S］.

［5］NUREG/CR-6704 Assessment of environmental qualification practices and condition monitoring techniques for low-voltage electric cables［S］.

［6］IEEE 383 －2003 IEEE Standard for qualifying class 1E electric cables and field splices for nuclear power generating stations［S］.

［7］IEC 60216-1:2001 Electrical insulation materials-properties of thermal endurance Part 1:Aging procedures and evaluation of test results［S］.

［8］IEC 60502:2004 Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages from 1 kV(Um=1.2 kV)up to 30 kV(Um=36 kV)［S］.

［9］NUREG/CR-6794 Evaluation of aging and environment qualification practices for power cables used in nuclear power plants［S］.