核電站氫點火器用耐高溫電纜的性能研究*

李 福，李小虎，產(chǎn)江濤

（1 上海電纜研究所有限公司，上海200093；2 特種電纜技術(shù)國家重點實驗室，上海200093 ）

CAP1400 是我國吸收再升級的非能動大型先進(jìn)壓水堆核電機組。氫點火器是核電站中應(yīng)用的消除氫氣設(shè)備之一。當(dāng)核電站發(fā)生失水事故或嚴(yán)重事故時，安全殼內(nèi)產(chǎn)生電火花、高溫氣體等隨機點火源，同時鋯包殼與水反應(yīng)、水的輻照分解、結(jié)構(gòu)材料腐蝕等過程會產(chǎn)生大量的氫氣。當(dāng)氫氣濃度較高時，在電火花、高溫氣體等的作用下就可能引起爆燃或爆炸，從而對核電廠的安全構(gòu)成極大的威脅[1]。

目前，降低安全殼內(nèi)氫氣濃度的主要方式是當(dāng)核電廠發(fā)生失水事故或嚴(yán)重事故時，迅速啟動氫點火器，安裝氫點火器位置的氫氣在較低濃度就被點燃形成燃燒，而不會產(chǎn)生爆燃或爆炸，這樣就可以避免了氫氣濃度過高帶來的威脅[2]。因此，在失水事故或嚴(yán)重事故等特殊工況下時，氫點火器使用的氫點火器高溫電纜（高溫電纜）就需要滿足耐高溫、耐輻射、耐潮濕及耐彎曲等性能要求，但目前國內(nèi)關(guān)于氫點火器高溫電纜的性能研究鮮有報道。

采用CAP1400設(shè)計及相關(guān)核電站法律法規(guī)的要求，設(shè)定試驗參數(shù)，對氫點火器高溫電纜的性能進(jìn)行研究，對高溫電纜的基本性能及耐水性能進(jìn)行試驗研究，并對電纜進(jìn)行了特殊環(huán)境模擬輻照和熱老化的研究，用以表征該電纜的特性。研究的具體內(nèi)容包括：高溫電纜的輻照老化、高溫電纜復(fù)合絕緣熱老化、浸水耐電壓、彎曲試驗、耐高溫的性能研究。

1 高溫電纜及試驗方法

1.1 高溫電纜

高溫電纜為上海電纜研究所有限公司自主研制的樣品，高溫電纜融合了耐高溫有機無機復(fù)合絕緣[3-6]技術(shù)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。根據(jù)相關(guān)要求，高溫電纜需要在350℃的高溫環(huán)境下正常運行1年；在65℃的環(huán)境下電纜的使用壽命設(shè)計要求為60年，同時需耐受一定的γ累積輻照劑量。因此，對于電纜的線芯導(dǎo)體、絕緣層、防護(hù)層都提出了嚴(yán)苛的技術(shù)指標(biāo)要求。

圖1 氫點火器高溫電纜結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the high-temperature cable of the hydrogen igniter

1.2 試驗方法

1.2.1 交流電壓試驗

彎曲、浸水、輻照試驗以及耐熱試驗后均會進(jìn)行高溫電纜的交流電試驗來判斷電纜是否失效，本試驗采用GB/T 3048.8-2007《電線電纜電性能試驗方法 第8部分：交流電壓試驗》[7]進(jìn)行試驗。

1.2.2 浸水耐壓試驗

高溫電纜浸水耐電壓是為了驗證電纜是否具備耐水的特性，將電纜彎曲，放置于5%NaCl的溶液中，連續(xù)施加4h交流電（試驗方法見1.2.1）。

1.2.3 絕緣電阻試驗

絕緣電阻測試方法選用GB/T 3048.5-2007《電線電纜電性能試驗方法 第5部分：絕緣電阻試驗》[8]進(jìn)行試驗。

1.2.4 壽命老化試驗

根據(jù)IEEE383[9]的要求，篩選出影響高溫電纜老化的條件主要有兩個，分別為熱和輻射。根據(jù)高溫電纜在實際工程應(yīng)用時的環(huán)境，60年內(nèi)累計吸收劑量約為700kGy，輻照完成后根據(jù)IEEE383的要求，需要對電纜進(jìn)行3.15kV/mm的耐電壓，未發(fā)生電弧和不擊穿即為通過試驗。

熱老化試驗是驗證高溫電纜在65℃下，可使用60年。由于高溫電纜的絕緣為有機無機復(fù)合材料，直接測定活化能與實際可能存在較大的差距，根據(jù)實際經(jīng)驗選定高溫電纜活化能為0.5eV。由阿倫紐斯公式（1），可以等效計算高溫電纜的老化時間，選取試驗溫度350℃，相應(yīng)的試驗時間為232h。

式（1）中：t為時間（h），R為摩爾氣體常量，T為熱力學(xué)溫度，Ea為活化能，A為指前因子。

1.2.5 耐高溫試驗

根據(jù)實際經(jīng)驗及工程需求，對氫點火器高溫電纜提出在350℃環(huán)境下老化1年，其仍然能夠保持絕緣材料的可用性的要求。選用換氣熱老化烘箱，對高溫電纜進(jìn)行為期1年的試驗，分別在老化0、10、60、120、180、240、365天（d）時，測定高溫電纜絕緣電阻。一般工程上要求電纜絕緣電阻不小于1MΩ·300m，認(rèn)為電纜絕緣通過耐高溫試驗。

2 試驗結(jié)果

2.1 高溫電纜基礎(chǔ)性能

高溫電纜為氫點火器供電，由于其面臨的嚴(yán)酷環(huán)境，因此，對高溫電纜的耐水、耐高溫均需要考察。高溫電纜的基本性能見表1，浸水耐電壓為持續(xù)施加電壓2.4kV，持續(xù)4h后電纜未擊穿及未發(fā)生電弧火花等失效現(xiàn)象，表明高溫電纜具有常溫耐水的性能。

表1 高溫電纜基本電性能及彎曲性能Table 1 Basic electrical properties and bending properties of high-temperature cables

表1中高溫電纜絕緣電阻在高溫狀態(tài)下的值降低了一個數(shù)量級，但結(jié)果仍遠(yuǎn)大于規(guī)定值，這也表明高溫電纜在高溫狀態(tài)下具備較好的電氣絕緣。高溫電纜外護(hù)套剛性較大，工程施工時勢必會對電纜進(jìn)行彎曲，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，選取500mm導(dǎo)輪對電纜進(jìn)行彎曲試驗，試驗后對電纜施加6.0kV的交流電5min，電纜未擊穿，電纜絕緣仍然起著電隔絕的性能。

2.2 高溫電纜壽命試驗

根據(jù)IEEE383的要求，電纜壽命評價需要將電纜暴露在三個溫度點下進(jìn)行老化驗證，由于電纜的特殊性，選取310℃、330℃、350℃作為計算依據(jù)。根據(jù)高溫電纜65℃，使用60年的壽命要求及阿倫紐斯公式計算結(jié)果見表2。由于高溫電纜本身需要在350℃下老化1年的要求，因此，選擇350℃等效驗證高溫電纜熱壽命。

表2 電纜壽命等效60年計算值Table 2 The calculated value of cable life equivalent to 60 years

表3為高溫電纜輻照（700kGy）及高溫（350℃，232h）后功能試驗的結(jié)果。高溫電纜輻照后根據(jù)IEEE383對電纜進(jìn)行耐電壓試驗，施加3.15kV/mm的交流電，5min后電纜未擊穿，表明電纜的復(fù)合絕緣具有較好的耐輻照特性[4]。高溫電纜輻照后進(jìn)行熱老化試驗，熱老化為自然換氣老化烘箱，對電纜的氧化較為嚴(yán)重，老化完成后對電纜施加3.15kV/mm的交流電，5min后高溫電纜未擊穿，表明高溫電纜具備耐350℃的能力。高溫電纜輻照老化及熱老化后通過功能試驗，滿足IEEE383對核電站電纜的等效壽命評估，滿足了65℃、使用60年的壽命要求。

表3 高溫電纜老化后測試結(jié)果Table 3 Test results after high temperature cable aging

2.3 高溫電纜熱老化實驗

圖2為高溫電纜在350℃老化后，絕緣電阻隨不同老化時間的變化。耐高溫電纜絕緣電阻隨老化時間的增加，先降低，后趨于穩(wěn)定。老化10d后，絕緣電阻變化最為迅速；高溫電纜老化10d到180d時，其絕緣電阻下降趨勢較為緩慢；老化時間在180d和365d之間時，高溫電纜的絕緣電阻保持穩(wěn)定，基本未發(fā)生變化。高溫電纜在整個老化過程絕緣電阻變化較小。高溫電纜的絕緣電阻最初為9.0×103MΩ·300m，老化1年后絕緣電阻降低至2.6×103MΩ·300m，電纜絕緣電阻保留了原來電阻的數(shù)量級，這也表明高溫電纜經(jīng)350℃老化后，仍具有較好的電絕緣性能。

圖2 高溫電纜絕緣電阻隨老化時間的變化趨勢Fig. 2 The trend of insulation resistance of high-temperature cables with aging time

高溫電纜使用的絕緣材料為有機無機復(fù)合材料，其中有機部分受熱后，小分子會揮發(fā)，大分子有機物在350℃環(huán)境下也會慢慢發(fā)生分解等化學(xué)反應(yīng)[6]，有機物分解后勢必在絕緣體內(nèi)形成一定的微小的電子通道。高溫電纜在通電的狀態(tài)，不斷地有電子通過通道，形成漏電流，隨著電流的增加，電纜的復(fù)合絕緣的電阻則降低。電纜老化后期，隨著小分子的揮發(fā)及大分子分解的減少，絕緣電阻的變化也逐漸減少。

3 總結(jié)

氫點火器用高溫電纜具備了耐彎曲和耐浸水的性能。高溫電纜通過輻照和熱老化等效壽命60年試驗。高溫電纜在350℃環(huán)境下老化1年，其絕緣電阻變化較小，高溫電纜仍具備較優(yōu)的耐350℃高溫特性。高溫電纜采用的有機無機復(fù)合材料，在長期老化的作用下仍具有較好的電氣絕緣性能，但其老化及演變機理還需進(jìn)一步研究探索。