田湾核电电缆敷设设计改进

杜宗阳

(江苏核电有限公司,江苏 连云港 222000)

核电厂电缆敷设设计工作是一项庞大的综合性工作，设计人员需要根据设计院相关专业、外部设计院、设备厂家等多方提交的大量电缆输入数据进行电缆路径设计，同时需要根据电缆的电压等级、执行功能、电缆数量等因素对电缆桥架的布置和空间分配情况进行反复的调整。如果电缆敷设设计不合理，将会制约电缆采购工作、现场电缆敷设工作，甚至会影响工程的整体进度。

参考核电厂田湾核电1、2号机组电缆敷设设计工作由俄罗斯圣彼得堡设计院负责，由于电缆桥架布置方案不合理、电缆敷设软件中电缆桥架模型与现场电缆桥架实际布置情况存在偏差、设计院对电缆桥架空间分配不合理、电缆输入数据提交进度与电缆敷设设计进度不匹配等诸多因素影响，导致设计院前期已完成的设计文件中存在大量电缆路径不通畅、大量电缆桥架超容等问题，从而导致设计文件大量、频繁的升版，对现场电缆桥架安装、电缆采购、电缆敷设等工作造成较大负面影响。在田湾核电3、4号机组中，由于设计分工的变化，核岛仍由圣彼得堡设计院设计，而常规岛、BOP分别由东北电缆设计院、中国核电工程有限公司(CNPE)设计，导致出现了跨岛电缆(电缆起、终端分别位于核岛、常规岛或BOP的电缆)的敷设设计问题、常规岛及BOP电缆敷设设计软件使用问题等新的问题。

1 电缆敷设设计面临的问题

在田湾核电1、2号机组工程中，电缆敷设设计文件的质量问题曾一度是制约现场施工的主要问题之一，电缆敷设设计文件主要存在以下问题：

1.1 电缆桥架布置方案不合理

在VVER核电机组中，对应工艺系统功能划分情况，电缆划分为2个正常序列和4个应急序列；按照VVER核电机组电缆敷设设计原则，为了保证电缆散热、电磁兼容，根据电压等级、执行功能等因素，将电缆分为13个组。由于电缆序列多、电缆分组多，不同序列的电缆不能敷设在一起，不同分组的电缆的敷设要求存在差异，一般情况下，电缆桥架的布置方案需要在电缆敷设设计完成后才能最终确定，只有这样才能保证电缆桥架的分配情况与电缆的最终布置方案一致。在田湾核电1、2号机组工程中，由于受外部电缆输入数据提交滞后以及电缆布置相比参考核电厂存在较大变化等因素的影响，存在很多处电缆桥架设计不合理，例如电缆桥架走向与实际需求不符、设计层数偏少，严重制约电缆施工工作。

1.2 电缆敷设软件模型中选取的电缆桥架采样点偏少

在田湾核电1、2号机组电缆敷设设计期间，设计院在电缆敷设软件模型中选取的电缆桥架采样点偏少，不能准确反映实际电缆桥架的布置情况，从而影响了电缆路径设计的准确性。现场电缆施工时曾一度出现在敷设电缆前先穿绳子来检查电缆路径是否通畅的情况，严重影响现场电缆施工进度。

1.3 电缆桥架的标识文件频繁变化

电缆桥架标识文件(详细解释见2.3节)用于体现电缆桥架中各个组电缆的空间分配及隔离情况，只有在主要电缆敷设设计工作结束后才可以确定。在田湾核电1、2号机组工程中，由于外部电缆输入数据提交进度与电缆敷设设计进度不匹配、设计人员对各组电缆预留的空间不准确等原因，造成了电缆桥架标识文件频繁升版、变更，严重制约现场刷涂电缆桥架标识、电缆施工工作的开展。

1.4 由于设计分工变化而产生的新问题

田湾核电1、2号机组核岛、常规岛由圣彼得堡设计院设计，BOP由CNPE设计。由于设计分工的变化，田湾核电3、4号机组常规岛改为由东北电力设计院设计，导致出现了跨岛电缆如何设计、常规岛及BOP电缆敷设设计使用哪种软件的两个问题。这两个问题会直接影响3、4号机组跨岛电缆、常规岛及BOP电缆的设计质量。

2 问题分析及解决方案

为了避免田湾核电1、2号机组中曾出现的问题在田湾核电3、4号机组中再次出现，并解决由于设计分工变化而产生的新问题，在田湾核电3、4号机组采取了以下改进措施：

2.1 优化电缆桥架布置方案

对田湾核电1、2号机组最终电缆敷设设计数据进行分析，按厂房、标高对各类电缆进行清理，逐个关键路径进行分解，明确各类电缆的数量、整体走向以及对电缆桥架尺寸、层数的需求。

以田湾核电1号机组控制厂房第4序列KKS编码为11UCB044S01的电缆路径为例，经过此电缆路径的共涉及5个组的电缆，具体信息如下：

第0组电缆(中子通量测量电缆)21根，电缆横截面之和13 218 mm2；

第1组电缆(<60 V控制电缆)308根，电缆横截面之和60 329 mm2；

第5组电缆(>60 V控制电缆)29根，电缆横截面之和6123 mm2；

第6组电缆(<1 kV动力电缆，负荷<15 kW)66根，电缆直径之和993 mm；

第7组电缆(<1 kV动力电缆，负荷>15 kW)10根，电缆直径之和364 mm。

按照VVER核电机组电缆敷设分组及隔离原则：第0组电缆应与其他组的电缆进行实体隔离，可多层敷设；第1组、第5组电缆可敷设在同一层桥架，但需要安装电缆桥架分隔板，可多层敷设；第6组电缆应单层敷设；第7组电缆应单层敷设,电缆的间距应大于电缆直径；槽式桥架填充率按照70%选择。根据电缆分组及隔离原则，此电缆路径对电缆桥架类型、数量的需求见表1。根据分析，在田湾核电3、4号机组电缆桥架设计时，对应1号机组电缆路径11UCB044S01的位置至少应设计7层电缆桥架(槽式桥架3层、梯式桥架4层,见表1)。

表1 电缆路径11UCB044S01涉及电缆对桥架的需求分析Table 1 Cable path 11UCB044S01 involves the demand analysis of cable for bridge tray

通过对田湾核电1、2号机组电缆敷设设计数据以及关键电缆路径上电缆数据的分析，基本明确了田湾核电3、4号机组各类电缆的数量级、整体走向趋势以及对电缆桥架的大致需求。根据分析结果，协调设计院对3、4号机组电缆桥架设计方案进行了大范围的优化，例如在控制厂房调整了+4 m、+23 m、+27 m电缆夹层中电缆桥架的整体走向并增加了电缆桥架层数，增加了电缆竖井中电缆桥架的层数，增加了大量电缆预埋套管等。在电缆敷设设计阶段，发现电缆敷设软件中出现电缆桥架空间不足的情况时，协调设计院及时发布设计变更增加电缆桥架层数或修改电缆路径，从设计源头避免电缆桥架大量超容问题的出现。

2.2 增加电缆敷设软件中电缆桥架采样密度

在田湾核电1、2号机组电缆敷设设计阶段，电缆敷设模型中电缆桥架采样点偏少是造成电缆路径不通畅的一个重要原因。在3、4号机组电缆敷设设计前期，组织设计院在软件中搭建电缆桥架模型时增加电缆桥架的采样密度，在所有电缆桥架走向发生改变的地方必须增加采样点，最大限度保证电缆敷设软件中电缆桥架模型与现场电缆桥架实体的一致性。

田湾核电1、3号机组部分厂房电缆桥架采样数量对比情况见表2。通过对比可以发现，3号机组主要厂房电缆桥架采样数量明显超过1号机组主要厂房电缆桥架采样点数量。通过在电缆敷设软件模型中增加电缆桥架采样点的数量，更加逼真的模拟出电缆桥架的实际情况，对提高电缆路径设计的准确性、完整性起到关键作用。

表2 1、3号机组部分厂房电缆桥架采样数量对比Table 2 Comparison of sampling quantity forcable trays of Units 1 and 3

2.3 固化电缆桥架标识文件

按照VVER核电机组电缆敷设设计原则，为了保证电缆散热、电磁兼容，不同分组的电缆之间一般需要相互隔离(分层布置，或者同层桥架中间加装分隔板)。在VVER核电机组电缆敷设设计文件中，有一类文件对不同组的电缆在每一段、每一层电缆桥架上的具体布置位置进行说明，这类文件称为电缆桥架标识文件。按照VVER核电机组电缆敷设设计模式及经验，必须在电缆敷设软件中敷设完90%以上的电缆之后，才能固化电缆桥架标识文件，其难点在于电缆输入数据的收集和及时在软件中完成电缆路径的设计。

2.3.1 优化主仪控电缆数据提交流程

参考田湾核电1、2号机组的电缆设计情况，每台机组电缆总数量约为4万根，其中主仪控电缆约1.9万根，主仪控电缆数据对电缆桥架标识文件的固化至关重要。然而，根据工程进度，田湾核电3、4号机组部分电缆敷设设计文件发布进度早于主仪控电缆输入数据提交进度，不符合电缆敷设正常设计模式，设计院无法按期完成电缆桥架标识文件。鉴于这种情况，必须采取必要措施降低主仪控电缆数据对电缆敷设设计工作的影响。

通过分析田湾核电1、2号机组主仪控电缆数据，发现主仪控电缆中从仪控端子箱至主控室、备控室仪控机柜的电缆(简称“主干电缆”)虽然数量偏少，但电缆截面大、经过电缆桥架多，对固化电缆桥架标识文件的影响较大。如果能提前获取“主干电缆”信息，将会极大的降低对电缆敷设设计工作的影响。在田湾核电3、4号机组工程中组织主仪控供货商结合已有输入数据及1、2号机组主仪控电缆设计情况，提前向设计院提供主仪控“主干电缆”数据，使设计院明确对电缆敷设设计影响较大的主仪控电缆的数量及走向，降低了主仪控电缆输入数据提交进度与电缆敷设设计进度不匹配对电缆桥架标识文件固化的影响。优化后的主仪控电缆数据提交流程见图1。

图1 主仪控电缆数据提交流程Fig.1 Data submission process of main I&C cables

2.3.2 协调设计院及时完成电缆路径设计

电缆敷设设计的工作量特别大，为了保证设计院按时完成电缆敷设设计任务，按期发布电缆清册、电缆桥架标识图等设计文件，在田湾核电3、4号机组电缆敷设设计阶段，通过多种渠道协调、引导设计院给予足够的重视，例如协调圣彼得堡设计院在电缆敷设设计初期就成立了电缆敷设专项组，调配人员专门负责3、4号机组核岛电缆数据收集及电缆敷设设计工作。通过引导设计院的关注，再加上对设计过程、进度进行跟踪协调，督促设计院及时在软件中完成电路径的设计，对推动电缆桥架标识文件的固化起到了重要作用。

2.4 改进“跨岛电缆”设计流程

对于跨岛电缆，国内其他核电工程一般由一家设计单位完成整根电缆的电缆路径设计，而在田湾核电3、4号机组中，由于设计分工的改变，大量跨岛电缆的设计流程变得不明确。出于网络安全及保密方面的要求，圣彼得堡设计院不同意与中方设计院共用电缆敷设数据库进行跨岛电缆联合设计，在这种情况下，一方负责电缆敷设设计的设计人员无法了解对方设计院的电缆桥架设计情况，由一家设计院进行整根跨岛电缆的路径设计的方式无法在3、4号机组实现。为了解决跨岛电缆的设计问题，采取了如下措施：

2.4.1 优化设备布置方案，减少跨岛电缆数量

跨岛电缆的路径设计是电缆敷设工作中的一个难点，为了尽可能减少跨岛电缆的数量，在田湾核电3、4号机组工程中组织设计院对电气设备的布置方案进行优化，减少核岛与常规岛之间不必要的交叉供电和信号传输，从而降低跨岛电缆的数量。例如：1、2号机组发变组保护设备布置在核岛，而被保护的发电机、变压器等电气设备布置在常规岛，导致核岛与常规岛之间存在大量的交叉供电和信号传输电缆；而在3、4号机组工程中，协调圣彼得堡设计院、东北电力设计院将发变组保护设备调整到常规岛汽轮机发电厂房布置，避免了大量的跨岛控制电缆的出现。

2.4.2 优化NI-CI(-BOP)类跨岛电缆敷设设计流程

在田湾核电3、4号机组工程中，跨岛电缆主要分为NI-CI(-BOP)、NI-CI-NI两类。起、终端分别位于核岛、常规岛或BOP的电缆属于NI-CI(-BOP)类跨岛电缆，为了尽可能减少数据交换，保证电缆路径设计质量，对于此类跨岛电缆采取电缆路径分段设计的方法，即在核岛部分的电缆路径由圣彼得堡设计院设计，在常规岛及BOP部分的电缆路径由中方设计院设计，由中方设计院对整根电缆的长度、电缆路径进行统计汇总，然后用于指导电缆采购、现场电缆敷设工作。优化后的NI-CI(-BOP)跨岛电缆的设计流程见图2。

图2 NI-CI(-BOP)类电缆敷设设计流程Fig.2 The cable laying design process of NI-CI (-BOP) cables

2.4.3 优化NI-CI-NI类跨岛电缆敷设设计流程

按照VVER核电机组的电缆廊道设计情况，存在一部分起、终端设备均在核岛内部的电缆需要借助常规岛汽轮机发电厂房内的电缆廊道进行敷设，这部分跨岛电缆属于NI-CI-NI类跨岛电缆。由于设计分工的改变，在田湾核电3、4号机组中圣彼得堡设计院负责这部分NI-CI-NI类跨岛电缆需要借助中方设计院负责的常规岛电缆廊道进行敷设。在3、4号机组工程中，为了尽可能降低设计接口数据的交换数量，降低对电缆采购工作的影响，对于NI-CI-NI类的跨岛电缆，组织圣彼得堡设计院直接完成电缆总长度的设计、核岛范围内的电缆路径设计，发布设计文件可以直接用于电缆采购。在核岛电缆路径设计完成后，再由中方设计院对常规岛范围内的电缆路径、敷设层数进行细化，然后发布电缆清册用于指导现场电缆敷设。优化后的NI-CI-NI类跨岛电缆的设计流程见图3。

图3 NI-CI-NI类电缆敷设设计流程Fig.3 The cable laying design process of NI-CI-NI cables

在3、4号机组工程中，每台机组NI-CI(-BOP)、NI-CI-NI电缆约1500根，通过对跨岛电缆敷设设计流程的改进，减少了设计院之间的设计资料交换，提高了电缆路径的设计质量，节约了电缆敷设的设计周期，同时使跨岛电缆的采购原则更加明晰，对电缆采购、电缆施工创造了有利条件。

2.5 统一电缆敷设软件，保证电缆敷设设计的质量

关于田湾核电3、4号机组常规岛及BOP使用什么软件来进行电缆敷设设计的问题，也是电缆敷设工作中的一个重要问题。由于VVER核电机组中电缆分组较多，不同组的电缆之间存在严格的隔离要求，国内常规电缆敷设软件难以实现VVER核电机组电缆敷设的部分要求，采用中方设计院自己的设计软件存在较大的风险。在3、4号机组工程中，协调圣彼得堡设计院授权中方设计院在常规岛、BOP范围内使用其开发的电缆敷设设计软件ATOMBDW进行电缆敷设设计并提供必要的技术支持，保证了跨岛电缆、常规岛及BOP电缆敷设设计的质量。

2.6 实施电缆设计、采购、施工一体化管理

电缆设计、采购、施工环节工作关系紧密，需要密切配合，为了降低各环节工作的相互影响，在田湾核电3、4号机组工程中，除了针对参考核电厂经验教训和设计分工导致的问题采取措施外，同时实施了电缆设计、采购、施工一体化管理，主要采取了如下措施：

1)定期将电缆设计数据反馈至设备厂家，协调设备厂家按照电缆规格型号、弯曲半径等数据设计、制造设备接线盒、进线格兰等，从而减少电缆端接问题的出现；

2)协调设计院每两周发布一次设计变更，第一时间将电缆变化情况反馈给电缆采购、施工部门执行，避免设计变更发布不及时对电缆采购、施工造成影响；

3)每周将电缆施工数据反馈给设计院并录入电缆敷设数据库，协调设计人员尽可能不对已施工的电缆进行变更，避免电缆浪费及重复施工；

4)在电缆设计文件发布后，按照设计量进行电缆采购，避免因提前采购造成的电缆浪费；对于由于设计错误、设计余量、采购余量等因素导致多出的部分电缆，在工程后期通过以高代替的方式进行电缆替代，尽可能利用多出的电缆进行施工，减少工程后期的电缆采购，避免已采购电缆的浪费；

5)对于现场少量出现的槽式电缆桥架超容问题，在电缆桥架承载能力满足要求的前提下，以增加电缆桥架帮高的方式来解决，必要时对电缆桥架进行加固；

6)累计将约十万页的电缆设计文件转化为电子数据进行管理，并根据设计变更情况实时进行更新，向采购、施工管理部门提供最新的电缆设计量统计、电缆设计数据查询服务，提高了电缆一体化管理效率，避免因使用作废设计文件进行采购、施工造成的电缆浪费和重复施工。

3 电缆敷设设计改进及优化的效果

田湾核电3、4号机组电缆设计量约为8.7万根，设计总长度约6000 km，截至2018年底两台机组全部投入商业运行，现场电缆施工期间未出现1、2号机组电缆敷设阶段出现的各类严重制约现场电缆敷设工作的设计问题，跨岛电缆的设计问题也得到顺利解决。工程实践证明，通过3、4号机组电缆敷设设计的改进和优化，提高了电缆桥架布置及分组的合理性，保证了电缆路径的完整性、准确性，减少了设计院之间设计数据的交换，保证了电缆敷设设计进度和设计文件质量，从源头上降低了对电缆采购、电缆敷设工作的影响，同时也节约了各相关方在文件管理、电缆采购、现场施工等环节投入的成本。

至到2020年4月底，田湾核电3、4号机组经过超过三堆年的运行，未出现由于电缆散热、电磁兼容等方面原因导致的异常情况，也间接说明电缆敷设设计的效果良好。

4 结束语

通过总结参考核电厂田湾核电1、2号机组的工程经验，在田湾核电3、4号机组电缆敷设设计阶段，采取一些有效的改进及优化措施，避免了在1、2号机组电缆敷设阶段曾出现的电缆路径不通畅、电缆桥架空间分配不合理、标识文件频繁变化等严重制约现场电缆敷设工作的设计问题。对于由于设计分工变化而出现的跨岛电缆敷设设计的问题、电缆敷设设计软件在常规岛的使用问题，以及电缆设计、采购、施工一体化管理，通过实施一些简便、可行的方法，有效的解决了潜在的问题。以上这些工作方法、思路以及成果，对后续VVER核电建设工程的电缆敷设设计工作有一定的参考意义。