核電站用1E級電纜熱老化壽命研究吳春紅 王巧云

戴永拓 佘榮 董鉑 汪盛昌 曹玉呈 徐勇

摘要：采用熱老化試驗方法，對絕緣材料進行熱老化試驗，確定其等效環境溫度，并進一步計算不同負荷因數下的電纜導體溫度，以確定電纜的熱老化壽命，通過計算不同負荷系數下的電纜熱老化壽命，給出了一系列的關于核電站用1E級電纜壽命的預估值，對核電站實際運行情況下的電纜老化管理具有現實指導意義。

關鍵詞：核電站用1E級電纜;等效環境溫度;熱老化壽命評估;額定載流量;負載因數

前言

1E類電纜在對于核電站的安全運行來說是至關重要的，這類電纜在承擔著核電站的能量傳遞功能的同時，也作為控制信號傳輸的重要介質，是核電站的重要設備之一。對電纜進行有效精確的壽命評估，可以有效避免電纜超過壽命，帶病運行所帶來的安全隱患;同時還可以設計由針對性的措施來延長其使用壽命，提高電廠經濟效益。因此，對核電站電纜進行壽命評估是非常必要的。1E級別電纜的熱老化機理和壽命預測是一個核電領域研究的熱點，近年來越來越多的受到關注，相關的研究論文不斷涌現。但現有的導體溫度模型對于導體溫度的實際變化這一參數的考慮還不盡完善，很多研究中都忽略了對于這一參數的研究，使得研究得出的理論值與實際測量值之間存在一定的偏差。

本文以1E類電纜為研究對象，對絕緣材料進行加速熱老化試驗，通過這種方式可以有效的縮短試驗時間，同時還能取得相對較為精確的試驗結果，最終得到熱老化壽命方程;用于分析1E級別電纜的壽命。對1E級別電纜在核電廠中應用過程的壽命估算有一定的參考價值。

1.測試部分

1.1測試原理

1E類電纜的絕緣材料以聚合物材料為主。高分子材料在老化過程中，分子鏈會逐漸發生斷裂，從而引起分子量、晶粒尺寸的變化。隨著老化程度的不斷加深，高分子材料的相對分子質量會在同一個數量級內不斷的下降，但是一般不會下降到下一個數量級。可見相對分子質量對老化程度的表述是不夠明顯的，將分子質量用于分析1E級別電纜的老化程度是存在較大問題的，很難得到有效的數據。時效過程中晶粒尺寸變小，水枝生長速度較慢，水枝長度較短。因此，通過計算結晶度和晶粒尺寸來而分析1E級別電纜老化程度成為了一個可行的方向。

1.2測試儀器和設備

使用飛利浦多晶X射線衍射儀。測試條件為Cu靶Kα線，石墨曲面晶體單色儀，掃描速度0.15°/s，掃描范圍2θ=5°～40°，管電壓40kV，管電流35mA。

1.3樣品制備

將樣品直接從交聯聚乙烯絕緣芯上切下，分別放入室溫和200℃的老化箱中，經過120h、240h、480h后取出，得到不同老化程度的樣品，用于后續測試。

2.測試結果與分析

圖1顯示了老化前后XLPE的X射線衍射圖。通過分析可以得出XLPE具有A、B、C、D等許多晶面。

C晶面和D晶面的衍射峰較小，其計算結果對于實際老化程度的判定影響不大，因此在實際測試計算過程中一般可以忽略不計。A晶面在經過老化以后以及未老化之前幾乎沒有變化，而B晶面在經過老化以后以及未老化之前變化顯著。A晶面的衍射峰強度對結晶度重要程度要明顯的大于B、C、D等晶面，可以看出結晶度的變化在老化之前與老化之后對比并不明顯，不推薦作為評價電纜老化的特征參數。對于A晶面，FWHM基本不變，晶粒尺寸基本一致。對于B晶面，FWHM變化量很小，可以得出晶粒尺寸的變化很小，不足以對于1E級別電纜的性能造成很大的影響。由此可以分析出衍射峰的半高寬與晶粒尺寸成反比。可見，晶粒尺寸不能作為評價時效的特征參數。觀察老化之前以及老化之后的B晶面的衍射峰強度，明顯相對強度從2650降低到2380，相對強度相差約270。可以看出，時效過程對B晶面的衍射峰強度有很大影響。因此，可以通過跟蹤XLPE-B晶面衍射峰強度的變化來評估1E級別電纜的老化情況。

3.等效環境溫度計算方法

核電站所用電纜的周圍環境溫度與氣候、環境熱源分布等因素有關。通過相關研究可以得知壽命與溫度呈非線性關系，因此1E級別電纜壽命預測的重點工作可以被定義為等效環境溫度的準確求解。

我國核電站主要建在中低緯度的海邊。受海洋性氣候影響，具有以下特點：（1）晝夜溫差相對比較小，一般小于10℃;（2）月日平均氣溫差值不大，標準差與方差相對較小;（3） 季節變換不明顯，一般都可以分為有雨季和旱季;（4）月間氣溫變化幅度比內陸小，整體溫度變化趨勢不大。因此，本文將計算載流量時的環境溫度設為28℃，根據時間-溫度等效原理計算熱壽命評價中的等效環境溫度。

通過熱老化實驗可以確定熱壽命方程中的相關系數，通過基于我國實際情況的分析與考慮，為了計算方便，本文中p（T）=1/12，求出等效環境溫度：T，=230.14K-26.14℃

4.實際環境下電纜熱老化壽命的評價

4.1不同負載系數下的導體溫度計算

我國的核電站一般建在沿海地區，在核電站選址階段對于環境溫度均進行過考量，因此核電站室內溫度變化基本可以忽略不計，等效環境溫度可以認為0，在熱穩態的情況下，若環境溫度為0。1E級電纜的工作電流為l，導體溫度為0即可。

其中：對于給定敷設情況的特定電纜，很難直接求解函數關系。一般可以采用迭代法來取得一個近似的借來替代最終函數關系，即計算給定導體溫度下的工作電流I，將I與實際工作中測量得到的電流l進行比較，若兩者相等，可以認為此時假設的導體溫度為所需要求解的值，通過多次迭代計算來提高整體解值的精確程度。

4.2不同載荷因子下的熱老化壽命評價

可以通過負載系數N來描述1E基本電纜的工作狀態。通過計算出不同負載系數下的電纜溫度，將溫度代入熱老化壽命方程，可得不同負載系數下的熱老化壽命r。

對于熱老化壽命進行分析可以得出： （1）負載系數N的增加，熱老化壽命將以一個非常快的速度下降，這是由于負載升高導致1E級別電纜溫度快速提升導致的。尤其是當1E基本電纜過載時，熱老化壽命縮減的十分迅速;（2）負載系數為105%時，1E級別電纜的熱老化壽命為根據計算公式得出為61.35年，剛好能夠滿足核電站60年的設計使用壽命，再增加負載系數N的值將使得1E級別電纜的熱老化壽命小于核電站60年的設計使用壽命。

5.結論與展望

根據測試結果，可以得出以下結論：

5.1 1E級別電纜交聯聚乙烯的分子量以及晶粒度對于電纜老化程度的描述效果較差，不能作為描述1E級別電纜老化程度的依據。

5.2采用X射線衍射法，通過跟蹤XLPEB晶面衍射峰強度的變化，可以評價交聯聚乙烯絕緣電纜的老化情況。

參考文獻

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