核电站电缆选择要点技术

陈 丹

（国核工程有限公司，上海 200233）

1 现状介绍

在20世纪90年代末，中国分别从法国、加拿大、俄罗斯引进了3种二代技术堆型，在这样的背景下，中国现役的核电机组形成了以法国技术主导下的多国技术格局，核电站内的电缆基本按照K1、 K2、 K3来进行分类，标准如下：

K1:安装在核反应堆安全壳以内，在正常环境条件下和在 SSE（安全停堆地震）载荷以下及在事故期间或事故之后仍能执行其规定的功能。

K2:安装在核反应堆安全壳以内，在正常环境条件下和在 SSE（安全停堆地震）载荷下仍能执行其规定的功能。

K3:安装在核反应堆安全壳以外，在正常环境条件下和在 SSE（安全停堆地震）载荷下仍能执行其规定的功能。

在这种体系中，所有安全级电缆均应选择K1、K2和K3鉴定程序中的1种进行，3类电缆均可认为是1E级电缆，都需要通过严格的试验来检验其性能是否满足核电站运行要求。

2 标准及性能试验

2.1 国内外核级电缆相关标准及规范

关于核电站核级电缆的一些技术文件、要求和标准等都是在成熟的常规电缆的基础上再增加核安全级的相关规定形成的。目前，国内外相关的标准和规范如下：

美国电气和电子工程师协会（IEEE）：

IEEE323—2003《核电站1E级设备的质量鉴定》；

IEEE383—2003《核电厂用1E级电缆、现场拼接板和连接体的型式试验标准》。

法国核岛设备设计和建造规则协会（AFCEN）：

RCC-E—1993《压水堆核电站核岛电气设备和建造规则》。

国际电工委员会（IEC）：

IEC-60780—1998《核电厂安全系统电气设备质量鉴定》。

中国国标：

GB/T 22577—2008《核电站用1E级电缆通用要求》。

因为目前我国现役的核电站和在建的核电站的技术路线不统一，国内的核电设计部门还无法统一核电站的电缆技术要求，要制定统一的国家标准，还比较困难。

2.2 性能试验

电缆的各项性能是否可以达到设计要求，应通过试验来论证，一般核电站电缆需要做如下试验：

1）电缆基本性能的型式试验（包括电气型式试验和非电气型式试验）；

2）烟浓度试验；

3）成束电缆垂直燃烧试验（按照IEEE383要求进行）；

4）成品电缆护套材料燃烧释放时释放气体试验；

5）老化试验；

6）护套和绝缘长期耐热性评定试验；

7）热老化模拟试验*；

8）辐射老化试验*；

9）等效LOCA时照射试验、模拟LOCA试验（高温、高压的水蒸气）；

10）模拟抗震试验；

11）性能检查试验。

以上试验中带*的试验项目一般是等效40年运行，但三代核电技术提出了更高的要求，要求等效60年运行。

3 电缆选择要点

核电站电缆需要进行上述一系列试验才可以证明其性能，但往往在试验中会遇到很多问题，大部分的问题又与绝缘和护套的材料有关。下面从几个方面对核电站的电缆选择进行一些探讨。

3.1 绝缘和护套

一般情况下，对于核电站壳外的电缆，对电缆绝缘有辐照的要求；对于壳内的电缆，有时不仅仅对绝缘有辐照的要求，对于护套，为了保证护套的完整性，也有辐照的要求，这主要是保证在寿期内不开裂。

关于绝缘和护套材料，在中国目前的核电站中，电缆的绝缘和护套材料采用的基本是低烟、无卤、低毒的阻燃电缆料，如热塑性或热固性低烟无卤阻燃材料，以满足特殊的核安全要求。并且无卤电缆在发生火灾时，燃烧释放的烟雾量很低，不带毒性及腐蚀性，其阻燃成分可有效发挥，不会使电缆成为火焰蔓延的通道。电缆在火灾情况下对人员和设备的危害，在国际上一般存在两种观点。在欧洲的观点是：燃烧过程中卤酸的释放量、气体的腐蚀性、烟雾浓度以及气体的毒性是能否安全脱离火灾现场的主要因素；但美国人认为，火灾时CO毒气的产生，以及CO转化为CO2过程中的热释放是影响能否安全逃脱的主要因素。因此美国的电缆护套材料是允许含卤的，中国核电站用电缆是不允许含卤素的。

鉴于此，对于绝缘材料，一般情况下0.6 kV和1 kV的电力电缆和控制电缆的绝缘材料的选择倾向于使用低烟无卤的材料的阻燃交联聚乙烯或者是乙丙橡胶。这主要是考虑到在电缆交联时不同的交联方式对电缆性能的影响。电缆交联方式一般有化学交联和物理交联。所谓的物理交联，就是采用高能量的电子束对绝缘层进行轰击，打断材料的高分子链，从而形成自由基之间的重新组合，这种交联方式无水，无高温，在使聚烯烃交联的同时不会影响其阻燃性能和电气性能。当采取化学交联中的干法交联时，因为温度达300～400 ℃，由于聚乙烯材料内的氢氧化物分解为金属氧化物和水，会在电缆表面出现裂纹和水；如果使用化学交联中的温水交联，需要将电缆在80～90 ℃的水中浸泡5～7 h，氢氧化物又会吸收大量的水分，导致绝缘电阻的下降，从而影响其电气性能。所以当采用低烟无卤交联聚乙烯绝缘材料时一般采用辐照交联的方式。

对于护套材料，现在国内一些厂家在原有绝缘材料的基础上，还多了一种选择，即使用EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚弹性体）材料，这种材料具有无卤、优良的抗辐照、耐化学性。绝缘和护套材料的选择对于核电站电缆性能起着关键的作用，同时，对电缆的制造工艺也有很高的要求。国内有核电站采用的进口电缆曾出现过护套开裂的问题，专业电缆科研院所对这一事故的分析显示：虽然其原材料的选择合格，但其制造工艺不适应材料的要求，导致存在故障缺陷和后来的护套开裂现象。

所以在对核电站电缆进行选择时，不但要考察其选择的绝缘和护套的材料是否符合要求，对于厂家的制造工艺也必须要做一定的考量，避免上述类似情况再次发生。

3.2 电缆的外径和弯曲半径问题

核电站内的电缆数量巨大，在某些区域，由于电站结构的关系，空间不是很充裕，但电缆又需要满足核电站的高性能要求，导致对电缆的外径要求很高，主要是需要考虑桥架的填充率和电缆敷设时的弯曲半径。同时，不同的厂家由于其材料的选择和电缆的结构型式以及制造工艺的差别，同一规格的电缆往往外径尺寸不一样。当然，厂家生产时遵循的标准也会对此产生影响，国内的生产厂家遵照的一般是国际电工协会IEC标准，与美国绝缘电缆工程师协会ICEA的标准是有差别的。比如护套，IEC的最小要求是1.8 mm，ICEA的要求是1.14 mm。对于绝缘的厚度，IEC内的要求比ICEA的大概要厚40%左右。以2.5 mm2截面的电缆做一个比较，如表1所示。

所以电缆外径一定要符合设计要求，这样电缆桥架的填充率才能得以保证，从而保证电缆具有良好的散热条件使其发挥最大的性能。对于大直径电缆，还有一个弯曲半径的问题。根据国内对电缆敷设标准的要求，电缆在安装敷设时，弯曲半径应不小于电缆外径的10倍（10D），对于铠装或铜带屏蔽的电缆，应按照不小于电缆外径12倍（12D）来考虑。如果大截面的电缆的弯曲半径过小，对护套来说将是一个极大的考验。这一点往往容易被忽视，如果在电缆外径选择时没有保证，在现场施工时又不做好保护措施，成品电缆往往在运行中达不到其性能要求。

3.3 热老化和辐照老化模拟试验

基于核电站的特殊运行环境，热老化和辐照老化可以说是核电站电缆最基本的考量试验。等效的40年运行（三代核电技术要求电缆寿命已经提高到60年）热老化模拟试验是按照Arrhenius技术制定的数据，将电缆放置在一定温度的空气循环烘箱内进行一定时间的模拟。在这之前，绝缘和护套材料的长期耐热性评定试验已经完成，将材料的温度与寿命的关系式作为老化模拟试验的依据，在计算出的模拟时间内，对电缆进行老化模拟试验，在电缆完成一系列试验后，通过对电缆进行性能检查试验来评定是否达到了老化的要求。

而对于辐照老化，是证明在核电站正常工作条件下，离子辐射对电缆性能的影响。但必须同时考虑中等频率事件以及极限事故情况下电缆必须能够承受的辐射水平。在核电站中，如果对电缆护套完整性没有要求，对β射线的影响考虑比较少。因为根据NRC79-01B（1E级电气设备环境鉴定）公告和DOR导则，β射线的损害主要是对在电缆外层0.030 in的护套上。如果考虑，也可以用γ射线来替代（考虑一定的比例关系）。实际上，在核电站中如果发生设计基准事故（DBA）事故，γ和β射线是同时存在的，往往β的剂量还要超过γ剂量，从这一点来说，对于核电站用电缆，做等效辐照老化试验时，β射线还是需要考虑的。国内某专业电缆研究机构的试验表明：辐照剂量的变化对材料性能影响比较明显；同时，辐照的剂量率与时间对试验结果也有影响；一般情况下，高剂量短时间辐照比低剂量长时间辐照更加严酷。所以核电站电缆生产厂家一定要根据要求的剂量进行辐照老化试验才能保证电缆符合性能要求。燃烧试验。在IEEE383内，核电站内电缆需要做单芯燃烧试验，在美国，单芯阻燃要求属于一项常规性阻燃要求，在整个电缆行业均广泛采用，不仅仅局限于核电站，这主要是从防止火灾的角度出来，对电缆提出了更高的要求。但是，电缆的阻燃性能与电缆的材料有直接的联系，硬乙丙橡胶材料的阻燃性比较差，如果要满足单芯燃烧的要求，必然要加入阻燃剂，但加入阻燃剂后，对其抗张强度是一个比较大的损失。这是必须要考虑的，因为在电缆的性能检查试验中，就需要检查电缆的抗张强度和断裂伸长率，这也是电缆热老化过程中的两个特征参数。因为壳内电缆的环境比壳外要严酷，如果壳内电缆护套有完整性要求，如何选择电缆绝缘和护套的材料，同时又满足成束燃烧和单芯燃烧试验要求，对国内外的电缆厂家来说，都是一个值得研究的问题。

表1 IEC/ICEA标准对绝缘厚度要求对比表Table 1 Requirement for insulation thickness in IEC/ICEA

3.4 成束燃烧和单芯燃烧

3.5 浸没试验

核电站电缆要求无卤、低烟、阻燃，这就要求电缆成品要通过IEC60332-3内的成束燃烧试验，同时烟浓度和燃烧腐蚀性气体需要达到一定的要求；绝缘线芯要通过IEC60332-1的单根垂直

核电站的电缆要求高，是因为电缆要经历一系列严酷环境的试验，最后还要检查其电气性能和机械性能，无论对绝缘、护套，还是导体本身，都有很高的要求，同时对于电缆的制造工艺也有高要求，不可以在任何一个环节出现差错。一般来说，核电站的电缆的验证试验顺序如下：热老化和辐照老化、老化后功能试验、LOCA试验、LOCA后功能试验。在经历热老化、辐照老化和LOCA试验这一系列的严酷考验之后，还要求电缆在一定环境的水中浸没一年左右，浸没试验后还需验证护套的完整性和电气性能的完整性。在以往的核电厂中一般没有事故后长期浸水的要求，但三代先进非能动电站提出了这个要求，这也从另一个侧面说明了三代非能动核电站的电缆性能要求高，进一步为电站的安全运行提供保障。对于浸没试验，很多厂家采用阿伦纽斯公式指导下的加速老化试验，将试验条件严酷化，但试验时间可以缩短。但美国核管会NRC在2010年12月2日发过一个通告(NRC INFORAMTION NOTICE 2010-26：SUBMERGED ELECTRICAL CABLES NRC通告2010-26，水下电缆)，说明不能用阿伦纽斯公式进行加速浸没老化试验，因为加速试验方案存在风险。在这种新形势下，怎么来完成浸没试验，从而对电缆在进行一系列严酷考验后的电气性能进行验证，也是一个新的问题。

4 思考与建议

本文主要是针对核电站电缆在选择时的一些问题进行了初步的讨论，因为根据目前中国核电站现状，由于技术路线和堆型的不一致，对电缆参照的标准和要求也不可能完全一样。非能动三代核电技术是目前世界上认可的安全堆型，特别是福岛事件后，非能动理念具有很大的优势。同时也给核电站内电缆带来了一些新的方向，比如，高性能绝缘和护套材料的选择，电缆护套完整性考量以及电缆需要经受严酷的浸没试验等，这些都是核电站电缆研制和开发的新方向，参与核电站工程的各方都需要有一个重新的认识。对于设计者来说，结合当下的实际工业水平设计符合要求的电缆是首要准则；对于电缆生产厂家，也提供了新产品的研究方向，最终通过各项检测试验符合设计要求的电缆才能保证核电站的安全运行。同时，在最后的施工环节，一定要避免野蛮施工对电缆性能的损害。总之，应加强对核电站用电缆重要性的认识，明确核电站用电缆的技术要求；设计、生产、采购和安装每一个环节都要严格把关，以减少核电站电缆故障的发生，切实保证电缆在核电站中功能的发挥，为核电站的安全运行提供强有力的保障。

[1] 安全先进压水堆核电技术[M]. 北京：原子能出版社，2010.（Advanced PWR Nuclear Power Technologies [M]. Beijing: Atomic Energy Press,2010.）

[2] 项目管理[M]. 北京：中国电力出版社，2006.（Project Management [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2006.）

[3] 383—2003 核电厂用1E级电缆、现场拼接板和连接体的型式试验标准[S].（383-2003 Type Test Criteria for Class-1E Cables, Field Buttcover Plates and Connectors Used in Nuclear Power Plant [S]）

[4] 22577—2008 核电站用1E级电缆通用要求[S].（22577-2008 General Requirements for Class-1E Cables Used in Nuclear Power Plant [S].）