核電廠安全級光纜鑒定內容研究

蘇玉軍，麻金娜，孫 偉，張龍強

(中廣核工程有限公司核電安全監控技術與裝備國家重點實驗室，廣東 深圳 518172)

0 引言

數字化儀控系統在核電領域的大規模應用已成為核電領域工業控制系統發展的新方向。隨著數字化、智能化設備的應用，核電廠不斷提升對數據傳輸性能、可靠性、抗干擾能力的需求，采用光纜傳輸介質替代傳統電纜是行業的必然趨勢。

隨著智能儀表及現場總線、光纖傳感等先進技術的發展，光纜在核電廠中的應用范圍越來越廣，特別是在核電廠特殊環境條件下的應用，對光纜的技術參數和采購規范的要求更為嚴苛。但目前針對核電廠安全級光

纜及其附件的鑒定技術尚無成熟的、統一認可的鑒定體系。隨著國內核電事業的蓬勃發展，結合核電走出去戰略需求，國家逐步將安全級光纜納入監管。因此，針對安全級光纜鑒定內容、標準或規范的研究意義重大，其可指導安全級光纜設計、選型、制造及鑒定相關活動。本文通過研究安全級光纜功能需求、應用環境條件、關鍵性能指標，結合光纜的結構特性、與電纜的差異性，確定安全級光纜的鑒定內容，鑒定試驗項目的參考標準，形成我國核電安全級光纜的鑒定體系，從而促進光纜設計、制造和采購的標準化，提高電站建設及投運的經濟性和可靠性。

1 核電廠安全級光纜鑒定要求

1.1 功能要求

根據核電安全級別劃分，核電廠敷設的光纜可分為安全級和非安全級兩大類。

大多數光纜布置在安全殼外，僅有少數布置在安全殼內。光纜主要用于核電廠的工藝設備向電廠控制系統傳輸運行狀態信號，或是Level 2層機柜間、安全系統機柜間以及不同安全級別機柜間的數據通信。其中，安全級光纜應通過相應的質量鑒定，驗證其具備在正常環境條件下、在一些設備規定的事故條件下以及在地震載荷、規定的輻照條件下完成其規定的功能[1]。

安全級光纜在整個安裝壽期內應滿足或高于規定的性能要求。光纜按照適用的行業標準進行制造，且符合質保大綱要求來實現。質保大綱包括但不限于設計、鑒定和制造過程中的質量控制。鑒定的主要目的是證明安全級光纜在鑒定壽期內或鑒定條件下，發生設計基準事件(design basis event,DBE)前、事件中和事件后，能夠執行其安全功能，且不發生共因故障。

鑒定要求如圖1所示。

圖1 鑒定要求

1.2 環境條件

環境條件包括周邊條件和運行條件。周邊條件是指設備外部條件，比如溫度、輻照、壓力等；運行條件是指存在于設備內部的條件(如流量、流體溫度、流體壓力)，或者設備本身物理、機械相關的條件，如自熱、振動等。

根據光纜在核電廠應用的區域，光纜所在環境條件[2]主要包括周邊條件。正常、和緩以及事故環境條件如表1所示。

表1中，需要注意的是：①設計基準事故與嚴重事故不同時發生，事故累積劑量不疊加;②此事故累積劑量值已結合光纜布置區域情況，考慮了60年正常運行中的輻照老化劑量，因此嚴重事故光纜不需要再額外考慮60年常規輻照老化劑量。

表1 正常、和緩以及事故環境條件

1.3 關鍵性能指標

①壽命要求。

光纜須具備60年壽命(熱和輻照老化)，在核電廠60年壽期內免更換。

②材料要求。

涂覆層熱塑性彈性體材料，纖芯單護套、加強件和填充等均需為低煙無鹵材料自熄材料，光纜外護套需為熱固性低煙無鹵阻燃材料。若外護套使用熱塑性材料，需考慮環境應力對護套開裂的影響[3]。

③阻燃要求。

考慮到橋架和導管敷設的光纜可能會經受火災的狀況，須通過成束燃燒和單芯燃燒試驗驗證阻燃性能。

④設計基準事故(design basis accident,DBA)要求。

光纜須具備耐受DBA和DBA后的事故輻照、化學噴淋、溫度和壓力等環境因子的能力[3]。

⑤安裝要求。

滿足現場安裝半徑要求及承受相應的安裝負荷[3]。

2 光纜與電纜差異分析

2.1 光纜與電纜結構差異

光纜外形是圓形，基本結構一般由纜芯、加強構件、護套，以及填充繩、包帶組成，是實現光信號傳輸的一種通信線路。

電纜通常是由幾根或幾組金屬導線(每組至少兩根)絞合而成，類似繩索。每組導線之間相互絕緣，并圍繞一根中心扭成，整個外部包有高度絕緣的覆蓋層。電纜具有內通電、外絕緣的特征。

光纜和電纜在結構上存在相似點和不同點，具體如下。

①傳輸介質不同：電纜以金屬導體為傳輸介質，傳輸的是電信號；光纜以光纖為傳輸介質，光纜傳輸的是光信號。

②結構組成不同：電纜傳輸的是電信號，其相較于光纜的特殊組成部件主要是絕緣和屏蔽，因此在電纜的性能試驗中需要對電纜絕緣及屏蔽進行試驗。

③外護套材質類似：都要求低煙無鹵阻燃，但電纜使用熱屬性低煙無鹵阻燃護套，光纜使用熱固性低煙無鹵阻燃護套。

2.2 光纜與電纜鑒定內容差異

通過比較光纜和電纜的結構差異，可知光纜鑒定試驗與電纜鑒定試驗在鑒定試驗內容、參考標準，驗收原則等方面存在異同。電纜在核電廠中的成熟應用及核級鑒定方面的經驗豐富，試驗方案、試驗內容及參考標準相對成完整。目前在國內尚無相應的安全級光纜鑒定標準或規范，而國際上有美國電氣和電子工程協會發布的核電廠安全級光纜、連接器以及光纖拼接鑒定標準(IEEE-1682-2011)。

2.2.1 型式試驗差異

光纜型式試驗主要目的是驗證光纖及成纜在正常環境下的光學性能、結構特性及機械特性、外護套的結構特性、機械性能及阻燃性能等。根據光纜與電纜結構、傳輸信號類型的差異性，電纜與光纜型試試驗的主要區別是電纜驗證在正常環境下的電性能。因此，針對安全級光纜的型式試驗與普通光纜及電纜梳理型式試驗內容、試驗參考標準存在異同。

光纜、電纜型式試驗參考標準對比分析如表2所示。

表2 光纜、電纜型式試驗參考標準對比分析

2.2.2 鑒定試驗差異分析

安全級光纜的鑒定試驗是為確定在鑒定壽期內或核電廠特殊工況條件下，能夠滿足預期壽命、執行其安全功能且不發生共因故障。

根據安全級光纜及其附件應用環境工況條件、滿足的功能需求等因素，確定了鑒定試驗內容，包括火焰試驗、熱老化、輻照老化試驗、抗震試驗等。但相關試驗需求的試驗設備、試驗條件、驗收準則以及失效判據等需進一步研究明確。

光纜與電纜在功能要求、外護套材質上的相似性，且應用環境相同。通過參考普通光纜及電纜相關標準，結合電纜在核電廠中的成熟應用及核級鑒定方面的豐富經驗，梳理了光纜、電纜在鑒定試驗的差異性。

光纜、電纜鑒定試驗參考標準對比分析如表3所示。

表3 光纜、電纜鑒定試驗對比分析

3 光纜鑒定試驗內容研究

3.1 鑒定試驗項目

電纜明確了K1、K2和K3級所需開展的試驗項目[4]，如表4所示。

由于光纜在核電站的應用不斷深入，光纜的應用環境條件、功能要求以及驗收準則與電纜相同。結合上述光纜與電纜的在結構、試驗內容及參考標準等方面的差異性對比，光纜的鑒定項目可參照電纜鑒定項目執行。

表4 安全級功能驗證試驗項目

注：為要求的試驗項目；為有要求時試驗項目；—為不要求試驗項目

3.2 安全級光纜鑒定試驗內容及參考標準

根據光纜的鑒定試驗項目，結合光纜本身的結構特性，參考普通光纜、電纜的成熟應用及在鑒定方面的充分經驗和完善的鑒定規范。根據上述鑒定項目，安全級光纜試驗[5]可分為安全級光纜型式試驗和安全級光纜鑒定試驗。

3.2.1 安全級光纜型式試驗

光纜型式試驗內容及參考標準[6]如表5所示。

表5 光纜型式試驗內容及參考標準

光纜型式試驗的主要目的是驗證光纖及光纜在正常環境下的光學性能、結構特性及機械特性，外護套的結構特性、機械性能以及阻燃性能等。

安全級光纜的型式試驗只是驗證其本身的特性，不受使用環境的制約。因此，內容及方法可以參照普通光纜及電纜的相關標準。

3.2.2 安全級光纜鑒定試驗

安全級光纜的鑒定試驗是為確定在鑒定壽期內或核電廠特殊工況條件下，能夠滿足預期壽命、執行其安全功能且不發生共因故障。

根據安全級光纜及其附件應用環境工況條件、滿足的功能需求等因素確定了鑒定試驗內容，包括火焰試驗、熱老化試驗、輻照老化試驗、抗震試驗等。

光纜與電纜在功能要求、外護套材質上具有相似性，應用環境相同。因此，參考普通光纜及電纜相關標準，結合電纜在核電廠中的成熟應用，以及在核級鑒定方面的豐富經驗，研究光纜、電纜在鑒定試驗的差異性，確定了安全級光纜鑒定試驗內容、參考標準及試驗要求[6]。

光纜鑒定試驗參考標準如表6所示。

表6 光纜鑒定試驗及參考標準

續表6

4 關鍵技術研究說明

根據項目實際應用要求及目前光纖光纜制造工藝與發展情況，開展安全級光纜鑒定，在光纜鑒定壽命計算和光纜輻照老化試驗方面存在困難。

4.1 光纜鑒定壽命計算

光棒和光通信發展至今50余年，國內光棒發展不到10年，光纖發展不到30年。單純從光纜實際使用壽命來看，其尚不足60年，無法從經驗值得到超過光纜使用壽命的鑒定壽命值。光纜外護套與電纜外護套的類似性，其鑒定壽命也可以參照電纜鑒定壽命的計算方式，采用阿倫紐斯公式來計算。光纖不同于電纜導體，其鑒定壽命不能單純整合在外護套的鑒定壽命計算方法中。

研究光纖機械壽命的模型和方法有3種：靜態疲勞試驗、動態疲勞試驗和篩選試驗。通常,采用動態疲勞試驗模型和篩選試驗模型預期光纖壽命。篩選試驗模型預期光纖壽命主要根據篩選斷裂點的頻次、長度和使用應力的斷裂概率來進行。

目前，國內尚無明確的標準規范來指導和明確計算方法。故針對安全級光纜鑒定，特別是光纖壽命鑒定的計算方法，仍需要進一步研究，并通過國內行業權威認可。

另外，從光纖光纜的發展歷史看，據廠家反饋，國內最早一批光纖光纜若沒有出現自然災害或嚴重人為損壞，其通信仍正常。真正需要關注的是產品的更新換代。原來的產品已不足以滿足現代化通信帶寬的要求，早期的配套光電產品也早已停產或升級。所以，未來的光纖光纜發展也可能出現同樣的情況，是否真正能夠使用到60年，需要綜合考慮多方因素。

4.2 光纜輻照老化試驗

核電廠的安全級光纜由光纖、加強構件、護套及可能有的填充繩、包帶組成。光纜以玻璃纖維為傳輸介質傳輸光學信號，通信光纖對損耗的要求極高。而輻照影響光纖信號傳輸的衰減率，其在耐輻照方面存在明顯的劣勢。光纜外護套使用的是熱固性低煙無鹵阻燃護套與電纜一致的產品，完全能夠滿足輻照和其他要求。

因此，光纖的耐輻照是目前影響產品定型的關鍵因素，需要從光纖甚至光纖預制棒生產、設計上尋找突破點，特別是原材料的純度、產品設計、生產工藝等方面。

根據鑒定壽命要求[7]，在目前已有的產品生產工藝和廠家積累的經驗可以逐步實現，對產品本身的耐輻照水平的提升。但在產品輻照老化試驗[8]過程中，對影響鑒定結果的諸多因素的考慮和實施還存在一定困難。

①損失恢復。大多數光纖在經歷輻照老化后會展現出“恢復”特性。輻照后的溫度和時間對光纜衰減值的改變有一定影響，試驗期間需考慮可能發生的損失恢復，并添加損失量。

但目前這部分要求沒有明確的標準規范給予指導，且國內廠家也無相關經驗基礎，需要在后續的鑒定試驗中研究和探索。

②協同效應。正常運行環境與和緩環境條件下，光纜及附件的鑒定除了考慮熱老化以及輻照老化的試驗順序，以及溫度對輻照老化后衰減退化帶來的影響外，暫時不作其他考慮。

開展DBE工況下的設備鑒定，則需要考慮除了熱、輻照應力之外的其他應力，而這些應力的同時作用或單獨作用對鑒定所產生的影響，需要在后續的鑒定試驗中研究和探索。

5 結束語

本文通過研究核電廠安全級系統內光纜的鑒定要求、內容及參考標準，考慮了光纜的自身特性，從光學性能、材料特征等方面提供了詳細說明，從而有效指導光纜廠家開展光纜鑒定。但由于目前國內尚無生產安全級光纜的廠家，且在安全級光纜相關標準上處于正在研究階段，具體鑒定試驗開展過程中還存在一定難度，比如鑒定壽命計算方法、實際樣品準備、鑒定驗收準則鑒定以及失效判據的建立、試驗過程中裕度的考慮等。

目前，這些鑒定均無相關標準給出準確定義，需要通過后期的經驗積累，以及與鑒定機構一起開展試驗與研究，摸索出滿足核電廠要求的產品鑒定試驗程序和要求。