核電站氫點火器用耐高溫電纜的性能研究*

李 福，李小虎，產江濤

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

CAP1400 是我國吸收再升級的非能動大型先進壓水堆核電機組。氫點火器是核電站中應用的消除氫氣設備之一。當核電站發生失水事故或嚴重事故時，安全殼內產生電火花、高溫氣體等隨機點火源，同時鋯包殼與水反應、水的輻照分解、結構材料腐蝕等過程會產生大量的氫氣。當氫氣濃度較高時，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成極大的威脅[1]。

目前，降低安全殼內氫氣濃度的主要方式是當核電廠發生失水事故或嚴重事故時，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，但目前國內關于氫點火器高溫電纜的性能研究鮮有報道。

采用CAP1400設計及相關核電站法律法規的要求，設定試驗參數，對氫點火器高溫電纜的性能進行研究，對高溫電纜的基本性能及耐水性能進行試驗研究，并對電纜進行了特殊環境模擬輻照和熱老化的研究，用以表征該電纜的特性。研究的具體內容包括：高溫電纜的輻照老化、高溫電纜復合絕緣熱老化、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合絕緣[3-6]技術，其結構示意圖如圖1所示。根據相關要求，高溫電纜需要在350℃的高溫環境下正常運行1年；在65℃的環境下電纜的使用壽命設計要求為60年，同時需耐受一定的γ累積輻照劑量。因此，對于電纜的線芯導體、絕緣層、防護層都提出了嚴苛的技術指標要求。

圖1 氫點火器高溫電纜結構示意圖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]進行試驗。

1.2.4 壽命老化試驗

根據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。根據高溫電纜在實際工程應用時的環境，60年內累計吸收劑量約為700kGy，輻照完成后根據IEEE383的要求，需要對電纜進行3.15kV/mm的耐電壓，未發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合材料，直接測定活化能與實際可能存在較大的差距，根據實際經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為熱力學溫度，Ea為活化能，A為指前因子。

1.2.5 耐高溫試驗

根據實際經驗及工程需求，對氫點火器高溫電纜提出在350℃環境下老化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，認為電纜絕緣通過耐高溫試驗。

2 試驗結果

2.1 高溫電纜基礎性能

高溫電纜為氫點火器供電，由于其面臨的嚴酷環境，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，浸水耐電壓為持續施加電壓2.4kV，持續4h后電纜未擊穿及未發生電弧火花等失效現象，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下的值降低了一個數量級，但結果仍遠大于規定值，這也表明高溫電纜在高溫狀態下具備較好的電氣絕緣。高溫電纜外護套剛性較大，工程施工時勢必會對電纜進行彎曲，根據標準要求，選取500mm導輪對電纜進行彎曲試驗，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行老化驗證，由于電纜的特殊性，選取310℃、330℃、350℃作為計算依據。根據高溫電纜65℃，使用60年的壽命要求及阿倫紐斯公式計算結果見表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）后功能試驗的結果。高溫電纜輻照后根據IEEE383對電纜進行耐電壓試驗，施加3.15kV/mm的交流電，5min后電纜未擊穿，表明電纜的復合絕緣具有較好的耐輻照特性[4]。高溫電纜輻照后進行熱老化試驗，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定，基本未發生變化。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量級，這也表明高溫電纜經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合材料，其中有機部分受熱后，小分子會揮發，大分子有機物在350℃環境下也會慢慢發生分解等化學反應[6]，有機物分解后勢必在絕緣體內形成一定的微小的電子通道。高溫電纜在通電的狀態，不斷地有電子通過通道，形成漏電流，隨著電流的增加，電纜的復合絕緣的電阻則降低。電纜老化后期，隨著小分子的揮發及大分子分解的減少，絕緣電阻的變化也逐漸減少。

3 總結

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℃環境下老化1年，其絕緣電阻變化較小，高溫電纜仍具備較優的耐350℃高溫特性。高溫電纜采用的有機無機復合材料，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一步研究探索。