一種核測儀表用四同軸有機電纜組件的研制

孫光智, 周國華, 李昆鵬, 劉彥軍, 劉海峰, 葛孟團, 秦子凱, 馮紅藝

(1.武漢第二船舶設計研究所, 武漢 430064;2.寶勝科技創新股份有限公司, 揚州 225800)

0 引言

堆外核測量系統是核電站等核動力裝置反應堆安全相關的重要核測儀表系統,主要由位于反應堆周圍的中子探測器、安全殼外的前置放大器、信號處理機柜,以及之間的連接電纜組成,通過監測反應堆內部或周圍熱中子通量水平,實時給出反應堆的功率水平及變化周期,為反應堆的控制和保護提供保障。 目前,國內已運行核電站的堆外核測量系統幾乎全部依賴進口,本工作針對國內某三代核電站堆外核測量系統開展國產化研制工作。

目標核電站堆外核測量系統信號傳輸電纜包括位于安全殼內與探測器一體化焊接的三同軸礦物質鎧裝電纜(以下簡稱鎧裝電纜)、連接鎧裝電纜及電氣貫穿件的四同軸有機電纜、電氣貫穿件饋通線,以及安全殼外的三同軸有機電纜。 該類電纜使用場合特殊,國內未找到成熟產品,僅國外有少數類似產品。 為實現目標核電站堆外核測量系統的全面國產化,開展了信號傳輸電纜的研制和定型工作。

四同軸有機電纜用于鎧裝電纜和安全殼電氣貫穿件之間的連接,基本結構為在三同軸有機電纜的最外層增加一層金屬管護套,用于阻隔核電站設計基準事故(DBA)工況下,一回路主蒸汽管道破裂失水事故(LOCA)時,高溫蒸汽及事故后安注系統噴淋液等對電纜內部的侵蝕,確保堆外核測量系統在事故及事故后仍能正常工作。 該電纜及配套的接插件使用環境苛刻、設計難度大,具有代表性。 本工作對該電纜的結構設計、材料選型和相關連接器密封件的設計做了全面論述,設計了較全面的試驗項目和檢驗要求,并開展了相關鑒定工作,對研發相關電纜組件有一定的參考。

1 產品設計

1.1 四同軸有機電纜設計

1.1.1 電纜技術指標和設計要求

四同軸有機電纜主要用于向堆外核測量系統中子探測器提供極化電壓,以及傳輸探測器輸出的弱脈沖信號和電流信號,最高工作電壓約為DC 1 000 V,最小脈沖電荷量為0.1 pC,脈沖寬度為100 ns,最小電流為1×10-13A。 該電纜敷設路徑上存在反應堆一回路主泵電機等大功率電器設備供電電纜,同時空間狹小,需要考慮電纜的抗干擾能力、信號衰減能力,以及安裝過程中可能存在的多次彎曲變形。

根據上游設計要求,四同軸有機電纜芯線與第一層屏蔽和第二層屏蔽相互絕緣,形成三同軸結構,用于將中子探測器的信號回路接地,并與金屬保護外殼分離。 電纜配套的連接器金屬殼體在LOCA時經高溫蒸汽沖擊,容易與有機材料護套之間形成裂縫,從而使大氣環境中的水蒸氣進入電纜端面,造成電纜絕緣電阻降低而無法正常傳輸信號。 因此,需要在三同軸結構外再增加一層具有防蒸汽和高溫液體滲入的護套,配合連接器,實現長期可靠密封。

在電氣性能方面,要求電纜特性阻抗為50 Ω;芯線與第一層屏蔽之間的絕緣電阻不小于1 ×1012Ω·m(DC 1 000 V),分布電容約為110 pF·m-1;第一層屏蔽和第二層屏蔽之間的絕緣電阻不小于3 × 107Ω·m; 根據脈沖寬度,最高頻率在100 MHz。 作為核電站專用電纜,四同軸有機電纜還需要滿足相關燃燒性能、毒性、機械強度等核安全級電纜的通用技術要求。

1.1.2 材料選型和工藝設計

四同軸有機電纜的芯線采用鍍銀銅絲絞合而成,提高電纜柔韌性的同時能夠降低高溫時的導線電阻。 內部絕緣層采用核安全級電纜常用的輻照交聯聚烯烴,內屏蔽層主要為光覆蓋率大于90% 的鍍錫銀編織網。 考慮到在LOCA 時的高溫蒸汽沖擊,輻照交聯聚烯烴可能出現軟化現象。 如果電纜處于彎曲狀態,則金屬絲容易嵌入絕緣材料,導致電纜的均勻性發生變化。 因此,在芯線外包覆一薄層熔點較高的聚醚醚酮(俗稱PEEK,熔點可達350 ℃左右),同時在絕緣層和內屏蔽層之間增加一鋁塑帶繞包層,從而在絕緣層內外表面形成耐高溫的“骨架”,阻擋金屬絲進入。 拆解高溫試驗后的電纜樣品發現,該結構很好地維持了內部絕緣層的幾何結構。

在內屏蔽層外包覆一層輻照交聯無鹵低煙阻燃聚烯烴后,形成完整的同軸有機電纜。 在此基礎上,向外增加一屏蔽層和絕緣護套(材料與第一層護套相同),從而形成三同軸有機電纜。 傳統三同軸有機電纜的兩層護套分別用于高壓傳輸和接地平面。在堆外核測量系統中,三同軸有機電纜內屏蔽層用于連接高壓/信號回路的地平面,與后端模擬電路的地線導通;外屏蔽層用于保護機殼的接地,與參考地導通,從而減小外界感生電荷對信號回路的影響。四同軸有機電纜在三同軸有機電纜外部設置了阻隔蒸汽和噴淋液的紫銅導管,同時,為了方便電纜彎曲,該導管被軋制為波紋管外形,在最外層輔助一層有機材料的護套。

外屏蔽層和銅波紋管護套也具有屏蔽作用。 弱信號在同軸電纜中傳輸時,可能受到的干擾主要為電磁干擾(EMI)和射頻干擾(RFI)兩種[1],EMI 為低頻干擾,RFI 為高頻干擾。 為了盡可能消除外界電磁干擾對信號傳輸的影響,在屏蔽層中選擇鍍銀銅編織網、鋁塑繞包、防輻射扎帶繞包、坡莫合金帶(高磁材料)繞包等屏蔽材料。 利用各種材料對特定頻帶噪聲選擇屏蔽的特點,盡可能消除從低頻到高頻的電磁干擾。 同時,在電纜樣品制作過程中發現,如果第二層護套與波紋管的間隙太小、貼合,甚至過盈配合時,會影響波紋管的彎曲性能,容易出現開裂、折損等現象,導致波紋管密封失效。 因此,在該護套和波紋管最內側之間預留0.1 ～0.5 mm 的間隙,可降低施工過程中電纜穿管彎曲時波紋管的折損風險。 四同軸有機電纜基本結構見圖1。

圖1 四同軸有機電纜結構示意圖

1.2 電纜接插件設計

1.2.1 電纜接插件技術指標和設計要求

四同軸有機電纜接插件與探測器端的鎧裝電纜和電氣貫穿件端的饋通線連接,一方面用于前后電纜之間的電氣連接;另一方面,需要配合銅波紋管護套進行密封連接,保護銅波紋管內部電纜組件免受高溫蒸汽及酸堿噴淋液的浸蝕,確保整個信號通路上的電纜芯線與屏蔽層之間在壽期內始終保持高絕緣電阻。 因此,需要有較高的密封能力。

為了保持電纜組件各位置特性阻抗的一致性,接插件與四同軸有機電纜內部的同軸電纜連接部分的特性阻抗設計為50 Ω,同時確保兩者之間的絕緣電阻大于1 × 1012Ω·m。為了減小信號傳輸路徑上阻抗變化造成的脈沖信號反射,電壓駐波比要求大于(1.02+0.004f),其中f為傳輸信號頻率。 電纜接插件雖然是一個非標產品,但作為一種同軸連接器,仍然需要考慮連接器常規型式試驗要求,如對電纜的保持力、多次插拔后的接觸電阻等。

1.2.2 電纜接插件結構和工藝設計

將接插件分為負責電氣性能連接的連接器和屏蔽高溫蒸汽的密封件兩部分。 連接器用于波紋管內部電纜與前后兩端電纜之間的電氣連接;密封件負責將銅波紋管與兩端電纜的外護套(金屬管)連接為一個整體。

為了保持電纜組件各位置特性阻抗的一致性,在對四同軸有機電纜芯線、內部絕緣層和內屏蔽層組成的同軸電纜,以及連接器設計時,均進行了阻抗設計,并對插針進行了阻抗匹配補償。 特性阻抗采用公式(1)計算。

式中:Z0為特性阻抗,Ω;d為芯線有效直徑,mm;D為絕緣層有效直徑,mm;εr為絕緣介質介電常數。

密封件是本工作研制的關鍵零部件,需要確保電纜組件整個設計壽期內,尤其是壽命末期可能的DBA 工況下電纜組件的可靠密封。 由于有機材料在長期擠壓及高溫沖擊下容易產生疲勞失效,密封件采用了全金屬材料的卡套密封結構,在前后電纜兩端最外層金屬層上均通過焊接、螺套壓接等方式形成兩個外徑相同的管狀密封面,在其外層套一根不銹鋼管,利用介子卡環卡箍結構將兩端的金屬件密封為一個整體。 在鎧裝電纜側通過將連接器尾夾放大的方式,形成不銹鋼管,見圖2。 為了使密封面在較小的扭力作用下產生足夠的形變,密封段加工成薄壁管狀結構,電氣貫穿件側的連接器尾夾也采用了類似結構。

圖2 鎧裝電纜尾夾基本結構

由于四同軸有機電纜波紋管外表面不是規則的圓柱面,無法直接用作卡套密封面,在波紋管外設計了一根外徑與鎧裝電纜尾夾外徑相同的過渡管。 考慮到電纜內部有機材料承受高溫能力有限,在過渡管焊接時,除了在施焊過程中對焊縫前后加強冷卻外,還會在加熱區和卡套密封部位之間設置縮徑區隔熱,以縮短釬焊加熱部分的長度,避免對整個過渡管加熱,縮短焊接時間,降低焊接產生的高溫對波紋管內部材料的影響。 波紋管過渡管結構示意圖見圖3。

圖3 波紋管過渡管結構示意圖

電纜接插件集成后見圖4。 其中,左上方為卡套及相應螺套零件。

圖4 集成后的電纜接插件

2 鑒定試驗

上述電纜組件需要應用到核電站,除了滿足核安全級電纜常規的鑒定試驗外,還需要滿足堆外核測系統信號傳輸和目標核電站使用環境的要求。 根據目標核電站堆外核測量系統中安全殼內電纜的實際使用需求,將電纜組件的鑒定試驗分為核級電纜材料性能試驗[2-3]、同軸電纜及接插件電氣性能試驗、堆外核測量系統專項試驗三部分,以下分別介紹各部分試驗項目情況。

2.1 核級電纜材料性能試驗

核級電纜材料性能試驗主要驗證電纜采用的材料是否滿足核級電纜使用材料的要求,包括電纜的燃燒特性、有機材料的吸水性能、機械性能、毒性、老化性能等。 其中,有機材料包括內部絕緣層和三層護套層。 核級電纜絕緣材料性能試驗項目及結果見表1,護套材料性能試驗項目及試驗結果見表2。

表1 核級電纜絕緣材料性能試驗項目及試驗結果

表2 核級電纜護套材料性能試驗項目及試驗結果

電纜的燃燒特性不僅與電纜材料選型有關,還與電纜結構密切相關。 根據GB/T 18380.34—2022《電纜和光纜在火焰條件下的燃燒試驗》的要求,電纜試樣段的總根數應滿足總體積中試樣所含非金屬材料為3.5 L·m-1[4]。 根據所研制電纜的結構參數計算,電纜所含非金屬材料體積約為0.25 L·m-1。因此,成束燃燒需要14 根電纜。 在核電站堆外核測量系統電纜敷設時,為了避免其他系統電纜引入的干擾,采用了獨立的金屬管分組敷設,每組電纜最多7 根,未達到成束燃燒條件。 因此,電纜燃燒性能試驗僅設計了單根垂直燃燒試驗,電纜燃燒試驗項目及試驗結果見表3。

表3 電纜燃燒試驗項目及試驗結果

由表1 ～表3 可知,電纜材料性能滿足相關標準的要求,原材料選擇合理。

2.2 同軸電纜及接插件電氣性能試驗

同軸電纜及接插件電氣性能試驗主要驗證四同軸有機電纜組件作為弱信號傳輸的一種同軸電纜,其電氣性能是否滿足堆外核測量系統設定的要求,如絕緣電阻、特性阻抗、分布電容、回波損耗、屏蔽衰減等。 由于四同軸有機電纜銅波紋管和連接器還承擔密封功能,因此設置了氣密性試驗,將電纜一端與三同軸礦物質鎧裝電纜集成后浸入水中,另一端通過輔助管路接入壓縮空氣,用于檢驗鎧裝電纜尾夾、波紋管過渡管的焊縫及卡套密封面是否存在泄漏,作為連接器密封部件的常規密封檢驗。 電氣性能試驗項目及結果見表4。

表4 四同軸有機電纜組件電氣性能試驗項目及試驗結果

由表4 可知,研制的四同軸有機電纜組件電氣性能滿足設計要求。 其中,反映電纜傳輸特性的表面轉移阻抗、屏蔽衰減等參數優于同軸電纜的設定值。

2.3 堆外核測量系統專項試驗

2.3.1 試驗目的和試驗方法

堆外核測量系統專項試驗用于考察四同軸有機電纜組件作為堆外核測量系統的一部分在該系統生產集成后對系統的性能影響。 試驗項目主要包括電纜長度影響、老化試驗、熱循環試驗、安全殼壓力試驗、LOCA 事故模擬試驗[5](DBE)、浸沒試驗和地震試驗。 其中,電纜長度影響主要考察系統采用工程項目最大長度的四同軸有機電纜后能否正常工作。 老化試驗包括系統安裝調試過程中對電纜連接器的磨損老化試驗、電纜設計使用壽期的加速熱老化和輻照老化試驗。

電纜加速熱老化試驗采用阿倫紐斯定律施加熱應力,電纜組件活化能取自組件中活化能最小的材料,同時考慮壽期內正常工況下和異常環境下的老化時間。 熱循環試驗考察安全殼異常升溫時系統是否能夠正常工作。 安全殼壓力試驗考察安全殼打壓測試時系統是否能夠正常工作。

電纜輻照老化試驗包括正常使用期間,安全殼內的累積γ 輻照,以及設定的事故工況下,放射性物質異常排放導致的輻照老化。 事故工況下,除了存在γ 射線外,由于電纜浸沒在氣態放射性物質中,還存在β 射線[6]。 γ 射線輻照老化可采用大型Co-60輻照場進行模擬輻照,但人工產生大面積的β 射線比較困難,目前采取的試驗方式主要為小尺寸樣品電子束輻照(替代β 輻照) 和等效γ 輻照兩種。 等效γ 輻照的方法是以事故工況下最高能量的β 射線作為參考射線,通過仿真計算,可計算得到β 射線穿過銅波紋管時產生的軔致輻射,以及穿過銅波紋管后剩余能量在波紋管內部的累積劑量,增加一定裕量后,采用γ 射線進行輻照試驗。

2.3.2 堆外核測量系統專項試驗

堆外核測量系統專項試驗除β 輻照老化試驗單獨進行了電子束輻照外,其余均按照核電站要求在各種電纜最大長度配置后開展系統物理特性試驗,試驗結果滿足標準要求為合格。 為了防止四同軸有機電纜外護套試驗時碎化脫落堵塞安全殼排水口,試驗結束后增加了外護套的外觀檢查,結果表明,各項試驗后外層護套結構均完整,專項試驗項目及試驗結果見表5。

表5 堆外核測量系統專項試驗項目及結果

由表5 可知,堆外核測量系統專項試驗項目試驗結果均滿足技術要求。

3 結論

四同軸有機電纜在堆外核測量系統中的應用在國內剛剛起步。 本工作介紹了某三代核電站堆外核測量系統用四同軸有機電纜組件的設計和鑒定過程,給出了詳細的試驗項目和要求,希望能為開發此類產品的廠家和使用單位提供一定的幫助。 四同軸有機電纜具有屏蔽性能好、環境耐受能力強的優點,適合弱電信號,尤其是弱脈沖信號的遠距離傳輸。電纜的材料、鑒定試驗項目及方法需要在實踐中逐漸完善,從而推動該類電纜的應用。