核电站1E级DCS柜内线缆选择原则

韩少华，张岚（中广核工程有限公司，广东 深圳 518124）

随着数字化仪控系统（以下简称DCS）在核电站的应用，核级DCS（以下简称1E DCS）在满足法规标准的要求下，满足核电站工艺控制需求、满足传输和响应时间要求，是集合计算机技术和自动控制技术为一体的复杂工程。为此，在1E DCS机柜设计时需综合考虑多方面的因素，本文将论述上述大框架下机柜线缆选型的几个方面，并结合法规最终形成一套原则。

1 核级DCS系统工程的特点

（1）核级DCS是集计算机通讯技术和自动控制系统为一体的复杂工程。如图1所示为例，在核级DCS控制系统中，使用了基于CPU的软件控制技术和计算机网络通讯技术，具有信号处理集中、网络传输实时性要求高等特点。从这一点出发，对机柜内配线提出了要具备密集布线的能力，同时芯线对高频和低频信号传输都具有较高的能力。

（2）核级DCS作为核电站的一部分，且控制的对象多为核安全设备，所以需满足核电站设计、建设和运营中的一切法规要求。柜内线缆选择时，也依然要遵循法规标准要求。图1为核级DCS设计时应遵循的法规标准体系：DCS柜内线缆选型时需结合机柜整体设计原则，作为DCS机柜的一个部分，满足环境、抗震、EMC以及隔离等一系列要求。

图1 核级DCS设计时应遵循的法规标准体系图

2 法规标准对1E DCS机柜设计的约束

在法规标准中对1E DCS机柜设计的制约因素有：

（1）满足RG1.152，核级系统元件的选择；

（2）满足RG1.189，运行核电站防火；

（3）满足RG1.209，（Environmental qualification of safetyrelated computer-based instrumentationand control systems in nuclear power plants）；

（4）满足RG1.100， (Seismic Qualification of Electric and Mechanical Equipment for Nuclear PowerPlants)；

（5）满足RG1.180，（Guidelines for Evaluating Electromagnetic and Radio-Frequency Interferencein Safety-Related Instrumentation and Control Systems）；

（6）满足RG1.175 (Criteria for Independence of Electric Systems)。

其中，DCS机柜内配线选择需考虑：

（1）与机柜内其它元件成套后满足上述法规关于鉴定（抗震、隔离、EMC、环境）的要求；

（2）防火设计；

（3）产品选择的成熟性。

3 1E DCS机柜电缆设计原则

3.1 满足机柜整体抗震、环境、EMC、隔离等鉴定要求

（1）满足机柜内信号传输要求。对于1E DCS机柜，在线缆选择时，需满足信号衰减小、传输速度高，尽量选择适合宽频信号传输的控制电缆，满足控制器CPU与I/O模件之间的数字高频信号通讯，以减少信号在传输时导致的波形失真。此外，介电常数小，体积电阻率高（绝缘性能好），都是在仪控柜选择控制电缆和信号电缆需考虑的因素，以获得最好的信号传输效果和绝缘效果。表1是对比市面通用的绝缘材料做个对比，可作为一个选择的依据。

表1 市面通用的绝缘材料对比表

（2）满足机柜内导线布置要求。数字化DCS系统的控制盘柜具有功能集中、信号量大、进出线密集等特点，往往要求控制盘柜内的线缆具有较高的信号传输性能、较小的弯曲半径（柔软性）和导体规格，有利于满足安全级柜内布线和隔离要求。

只有在上述原则满足的条件下，柜内线缆和机柜内其它部件匹配起来才能更好地通过抗震、环境、EMC、隔离等鉴定要求。

3.2 满足防火的要求

法规对DCS机柜防火设计的要求如表2所示。

表2 法规对DCS机柜防火设计的要求

可见在各国的防火标准中，都提出了阻燃的强制要求。

3.3 满足环保的要求

在国际绿色环保组织的推动下，以欧洲为中心的世界性环境保护意识日益增强，使用环境友好型电缆可能是未来的一种趋势。从上述标准法规也看出，在满足阻燃这一强制要求之下，HAD102、IEEE420等都提出应尽可能地采用无卤型材料。而材料工业的进步，为这种选择提供了可能性。如新型的交联聚烯烃材料，是我国电缆行业主打的低烟无卤阻燃材料，是核电站电缆的发展方向，并且随着技术的成熟，必将成为1E DCS机柜内材料选择的趋势。

4 1E DCS机柜电缆设计过程

1E DCS机柜在设计时，在满足隔离、布线、环境要求之外，防止火灾设计是设计重点考虑的对象。

图2 1E机柜设计考虑流程

有了以上所示的法规标准的约束和DCS柜内电缆设计原则，在机柜设计时，需从防火角度考虑，满足以下几点：

（1）防止火灾发生；

（2）快速探测并扑灭已经发生的火灾；

（3）防止尚未扑灭的火灾蔓延。

在上述三点中，对DCS机柜线缆选择要求主要集中在第一点：防止火灾发生。于是1E级DCS柜内线缆，在充分计算极限短路工况下，应选择满足低火灾载荷，难燃的材料是法规的硬性要求。图3是应当遵循的对于绝缘材料评价选择过程。

图3 绝缘材料评价选择过程

在这个流程中，充分分析柜内着火可能性，对多重短路工况进行假设，计算极限短路是产生的局部热量，理论得出对的线缆绝缘和护套材料的材料选择范围。详细展开的设计流程如图4所示。

图4 1E机柜设计流程

表3简单比较集中通用的绝缘材料的基本材料特性分析。在做材料选择时，需综合分析适用性。

表3 通用的绝缘材料的基本材料特性分析表

其中最重要是所选择的材料对机柜内极限短路工况时产生的局部高温要有包络性，从而保证在极限短路工况下，机柜内导线的绝缘材料可正常工作，不达到燃点，不发生燃烧现象，最好是能包络在材料的正常耐热范围内，这样局部的短路产生的高温并不会改变材料的化学性能和机械性能，从而保证材料的使用寿命。

在得出理论计算数据后，下一步，对环保的要求，对产品成熟性的考虑需介入，从而在允许的几种材料中选择最适合的1E DCS机柜材料。

5 结语

通过上述对标准法规的解读，对1E DCS柜内线缆的设计和选择需充分考虑以下几个方面：

（1）不会影响到机柜参加环境、抗震、EMC、隔离鉴定时的评价结果，即线缆在选择时应充分考虑传输性能、绝缘性能是否满足系统的设计要求；

（2）防火设计对材料的要求；

（3）环保和成熟性。

并且，在1E DCS机柜在电缆选择设计时，应当遵循必要的流程，从而保证各个因素和环节被充分考虑无遗漏。

6 现状和探讨

通过调研目前的国内外现状，通过遵循上述设计流程，选择下来，不约而同，特氟龙材料（FEP）由于其良好的阻燃防火性能，优良的电气、机械性能，占据着核级DCS机柜内配线的主流角色。

但是从保护操作员和环保的角度，无卤材料（XLPE）的推广是发展方向，而我国核安全监管机构一直要求在满足电气、机械、阻燃性能的基础上尽最大可能地使用低烟无卤阻燃材料也恰恰印证了这个趋势。

但是，事物的发展都有一个客观的规律和过程，无卤线缆虽然是一个发展方向，但是现阶段，用在核级DCS柜内配线，仍面临着一个成熟性的过程。需在充分论证了布线可行性，信号传输满足性，对最大短路工况包络性的前提下，经过充分的鉴定和使用经验证明其可行性。

综上所述，尽管各国主要的法规标准对1E DCS柜内线缆是否含卤都并没有强制的要求，但是线缆无卤化作为核电用电缆的发展方向，应当积极探讨无卤线缆在核级DCS柜内的应用可能性，应在满足电气、机械、阻燃性能的基础上尽最大可能地使用低烟无卤阻燃材料。