第三代核电站用电缆绝缘热寿命试验研究

王怡瑶， 贺金红， 陈媚玉， 武宇波， 魏莹莹， 范克俭

(上海电缆厂有限公司，上海200093)

0 引言

AP 1000是美国西屋公司开发的第三代百万千瓦级压水堆核电机组，与二代核电技术有显著区别。AP 1000通过采用非能动专设安全系统，提高系统的可靠性，简化系统，并采用模块化建造技术缩短建造周期，以此来达到核电厂安全性和经济性的有机协调。第三代核电站用电缆的运行寿命要求60年［1］，远远高于二代核电40年的要求，其所用的绝缘材料，除了要具备良好的电气性能和机械物理性能，更要具备优良的长期耐热性能。因此，开展第三代核电站电缆绝缘60年热寿命评定试验研究是十分必要的。

1 试验原理

电缆绝缘所采用的高分子材料，在一定温度范围内热老化时大多符合化学反应动力学的热老化寿命方程，即阿累尼乌斯(Arrehenius)线性关系［2］:

式中，τ为产品在温度T条件下的工作寿命;T为工作温度(绝对温度K);a、b为与材料热老化本质有关的系数。

利用这一原理，选择无卤低烟阻燃辐照交联聚烯烃为绝缘材料，将其试样暴露在高于预估温度指数的至少3个、最好是4个老化温度下进行热老化试验。通过测定试样老化后的评定性能来确定试样的终点时间，得到终点时间的对数和热力学老化温度之间的阿累尼乌斯方程，绘制热寿命曲线，得到90℃下无卤低烟阻燃辐照交联聚烯烃绝缘的使用寿命。

2 试验方法

有关热寿命评定试验方法主要有UL 746B、IEEE Std 98、IEC 60216和GB/T 11026(等同于IEC 60216)。通过研究比较可以看出:它们之间的最大差异在于对热老化试验用的老化烘箱的技术要求有所不同［3］，UL 746B和IEEE Std 98方法中所要求的老化烘箱为强迫通风，速率为100～200次/h，而GB/T 11026(IEC 60216)方法中所要求的老化烘箱为自然通风，通风速率为5～20次/h。根据现有条件，本项研究确定以GB/T 11026为试验依据。

3 试验程序

3.1 评定性能的确定

所选的性能应尽可能反映材料在实际应用中的功能。作为热寿命评定的性能参数应与产品实际损坏的性能有关;应与热老化的时间与温度显示明显的关系;在一定温度范围内应与热老化的关系是均匀而不突变的。不同材料的热寿命评定的性能参数是不完全相同的，而每种材料的热寿命也会随选择的评定性能不同而有所不同。

根据积累的试验经验以及 GB/T 11026.2—2000中推荐的聚烯烃(包括交联聚乙烯)的评定性能，确定断裂伸长率为本次热寿命评定试验中的评定性能。

3.2 终点指标的确定

选择终点最好能反映绝缘材料劣化的程度。GB/T 11026.2—2000标准推荐用性能原始值的50%作为首选终点，来评价耐热特征参数。如果原始值的50%终点没有实际意义，则可按次选的终点即用性能原始值的25%作为终点来评价耐热特征参数，使其更适合材料的应用和功能。

本试验采用性能原始值的50%作为聚烯烃绝缘的寿命终点指标。

3.3 试样的制备

老化试验用试样应由所研究总体中随机抽取的样品组成并经均一化处理。本项试验选择无卤低烟阻燃辐照交联聚烯烃绝缘，随机抽取，试样的尺寸和制备方法按GB/T 528规定进行。

3.4 试样数量

本项试验为破坏性试验，所需要的试样数量N按下式得出［4］:

式中，a为每个老化温度下每次取出的一组试样的数量，通常为5个，性能测定之后即丢弃;b为每个温度下的测量次数，即老化周期数，通常每个温度下至少投15组试样;c为老化温度水平的个数;d为测量性能原始值的试样数，当诊断标准是以其性能相对于其原始值的百分数时，通常d=2a，当诊断标准是性能绝对值时，通常d=0。

3.5 初始性能值的确定

用于测定性能初始值的试样应从准备进行老化的试样总体中随机选取，性能值测定之前，应把这些试样置于温度135℃下2天进行预处理。初始值一般取试验结果的算术平均值。

3.6 老化试验温度的确定

在热寿命评定试验中，求取温度指数时，试样应分布在范围足够宽的3个、最好是4个老化温度下进行老化试验，以便能证明到达终点时间与热力学(绝对)温度倒数之间的线性关系。为减少计算的不确定性，应仔细选择热老化的温度范围，可参考下列要求［4］:

(1)最低的暴露温度应是能使测得的终点的平均时间或中值时间大于5000 h;

(2)耐热曲线的外推应不大于25 K;

(3)最高的暴露温度应是能使测得的终点的平均值或中值时间大于100 h(如果可能，小于500 h);

(4)如果期望在试验的整个温度范围产生相同的老化机理，则选择的暴露温度最好是相等间隔，通常为20 K。如果这个准则导致机理变化，例如，当某一转变点，像熔点或软化点，则最高暴露温度将需要予以限制。在这种情况下，或如果半差(HIC)已知或预期小于10 K，则老化温度水平之间的差可能需要减少，但不小于10 K。

依据上述原则，确定老化试验温度依次为135℃、150℃、165℃、180℃。

3.7 取样时间及试验

取样时间间隔应有计划的安排:使得最少有两组试样测试的结果落在平均终点时间之前，至少有一组试样的测试结果落在平均终点失效时间之后，在该间隔内，性能随时间变化的速率最好呈现较好的线性关系［4］。具体的取样时间视老化试验后的结果而定。

试验采用烘箱，其通风速率5～20次/h，烘箱中放样空间的最大温度偏差不超过5℃，符合GB/T 11026.4 规定。

试验时将总体试样随机分为5个一组，在每个老化温度下至少投入15组试样，记录老化时间，并按时取样进行断裂伸长率的测定。试验及测试方法按照GB/T 528标准进行。

4 试验结果及数据处理

4.1 试验结果

第三代核电站电缆用无卤阻燃聚烯烃绝缘在不同老化温度下及不同老化时间下测定的断裂伸长率的试验结果如表1所示。其中，断裂伸长率原始值为580%，寿命终点指标为性能原始值的50%，即K2=50%。根据表1的试验数据绘制出聚烯烃绝缘在不同老化温度下断裂伸长率保留率与时间的关系曲线，如图1所示。

图1 不同老化温度下断裂伸长率保留率与时间的关系曲线

4.2 数据处理

在图1中，每个老化温度下的性能曲线与终点标准曲线的交点对应的时间就是其终点时间，如表2所示。对于破坏性试验，选择老化曲线的近似线性范围，并通过最靠近终点指标的3组样品的(时间、性能)点，绘制平行于平均老化曲线的线，该线与终点线的交点所对应的时间，就是需要的平均终点时间，如图2 所示［4］。

图2 破坏性试验——终点时间评估

表1 聚烯烃绝缘在不同老化温度下的测试结果

4.2.1 计算组平均和方差

根据表2，计算出每一老化组的方差。

4.2.2 总平均值和总方差

计算所有老化组内方差的加权平均值:

计算x值的二阶中心距:

4.2.3 回归方程的计算

回归方程:y=a+bx

表2 试验数据及相关计算［3］

即得到回归方程y=－10．7079+5978．6175x

根据求得的回归方程可得到聚烯烃绝缘的热寿命曲线，如图3所示。

图3 聚烯烃绝缘的热寿命曲线

计算由回归线得到的老化组平均值偏离回归线的偏差的方差:

4．3 统计检验［5］

4．3．1 方差相等性检验

计算巴特利特(Bartlett＇s)X2函数的值:

取q=10，经计算X2=3．91。

查GB/T 11026．3附录C．5中的X2表得X20=7．8(自由度f=3，显著水平 0．05)，因X2＜X20，故接受在显著水平0．05以上的假设。

4．3．2 线性检验(F检验)

通过显著水平为0．05下的F检验，把偏离回归线偏差的方差与k测量组内的总体方差s21进行比较，计算比值=2387．78。

对应于fn=k－2=2及fd=N－k=8自由度的F0值，查《电气绝缘测试技术》第6章附录F中方差比值表Ⅱ，得F0=F(0．95，2，8)=4．5。

因为F＞F0，调整至)a=(F/F0)并计算s2的调节值:

4．3．3X和Y评估的置信界限

(1)Y评估值

对应于已知X的Y的评估值及其低于95%置信界限是:

在置信水平 0．95 下，查 IEC 60216-3［6］附录 C表C．4，获得在N－2=10自由度下的t分布，即t0.95，10=1.812。

(2)X评估值

计算对应于终点时间τf的X值及其下95%置信界限:

低于95%置信界限的温度评估值计算:

4.4 热寿命的计算

应用回归方程y= －10.7079+5978.6175x计算对应于终点时间20 000 h时的温度，TI=125.3371°C，即温度指数。用同样的方法，计算对应于终点时间10 000 h的温度TI10=133.4900°C。

半差HIC=TI10－TI=8.15°C

以Y=log 20000，按 4.3.3 节方法计算TI的低于95%置信界限TC。

因(TI－TC)/HIC＜0.6，则报告TI(HIC)=125(8.15)

综上所述，根据实验数据统计、评估及检验，应用回归方程y= －10.7079+5978.6175x计算得:无卤低烟阻燃辐照交联聚烯烃绝缘在工作温度90℃下的热寿命 τ90℃=66.01(年)。

5 结束语

电缆绝缘在运行情况下受到的作用因素是复杂的，本项研究是考虑以热为主要老化因子而使绝缘结构的性能发生不可逆变化，并以此来研究和确定绝缘材料在工作温度(90℃)下的使用寿命。本项试验研究严格按照GB/T 11026标准规定进行，试验用热老化烘箱符合GB/T 11026.4要求，其试验程序及主要参数符合GB/T 11026.1要求，对所获得的试验数据处理及统计检验符合GB/T 11026.3要求，因此可以认为，无卤低烟阻燃辐照交联聚烯烃绝缘在90℃工作温度下能够满足第三代核电站60年运行寿命要求。

［1］AP 1000 DOCUMENT NO.CPP-G1-E1-002:Wire and cable design criteria，discipline design criteria［R］.2008.

［2］邱昌荣，曹晓珑编.电气绝缘测试技术［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［3］高宝娟，张军，戴英培.核级电缆用EPR绝缘热寿命试验研究［C］//第六届绝缘材料与绝缘技术学术会议论文集.1996.10.

［4］GB/T 11026.1—2003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［S］.

［5］GB/T 11026.3—2003电气绝缘材料耐热性第3部分:老化程序和试验结果的评定［S］.

［6］IEC 60216-3:2006(E)Electrical insulating materials-thermal endurance properties Part 3:instructions for calculating thermal endurance characteristics［S］.