小型化耐輻照抗干擾同軸電纜研制

倪 勇, 劉旌平, 洪寧寧

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

0 引言

近年來,國內核電發展蒸蒸日上,華龍一號、國和一號、高溫氣冷堆等三代先進核電具有達到甚至超越國際核電發展的趨勢。 研制的小型堆、空間堆等試驗堆走在了世界核電發展的前列。 核反應堆堆芯液位磁致伸縮位移傳感器的信號是核電站反應堆中用來探測液位的一種設備。 核反應堆液位探測器與機柜之間的連接用信號傳輸電纜一般采用礦物絕緣電纜[1]。 小型化耐輻照抗干擾同軸電纜用作磁致伸縮位移傳感器的信號遠距離傳輸電纜,包括柔性軟電纜和電纜信號驅動模塊。 其中柔性軟電纜包括3 根同軸電纜,電纜信號驅動模塊包括兩個運算放大器。 兩個運算放大器的反相輸入端通過第一電阻相連,同相輸入端與兩根同軸電纜的導電內芯一端對應連接,且同相輸入端各自通過第二電阻接地。兩個運算放大器的輸出端不僅與兩根同軸電纜的導體管一端通過第三電阻對應連接,還分別與磁致伸縮位移傳感器電子倉內變送器的信號調理電路模塊的兩個輸入端連接;第三電阻與導體管之間設一下拉電阻,并將下拉電阻接地[2]。

小型化耐輻照抗干擾同軸電纜主要服務于最新的小型研究堆,與傳統民用核電站可以在較大范圍內進行布線安裝等條件相比,小型研究堆受限于使用場景的空間尺寸,要求配套設備小型化、電纜柔軟耐彎曲、線徑小、耐高溫、耐輻照、熱壽命長、船級電纜等[3],是一個性能要求高且使用場合特殊的產品。 為了緊跟小型研究堆耐輻照抗干擾同軸電纜的研究趨勢,在現有核電站堆芯探測器電纜的基礎上,通過研制絕緣材料、設計電纜結構、調整生產工藝等,使該電纜外徑更小,耐輻照能力更高,抗干擾能力更強。 在研制過程中,該電纜使用的原材料和工藝裝置完全自主國產,打破該電纜全靠進口的局面,實現了產品國產化,大大降低了成本。

1 電纜技術要求

小型化耐輻照抗干擾同軸電纜主要是為了連接棒位指示和檢測系統[4]中的探測器與機柜。 鑒于產品使用場合的特殊性,該電纜需要突破以下難點。

1.1 耐輻照

與現有核電站核反應堆堆芯探測器電纜2.5×105Gy 的耐輻照水平相比,小型化耐輻照抗干擾同軸電纜在壽期累積輻照劑量不小于1.0×106Gy。此劑量是目前數代核電電纜中對有機類材料的最高要求,極大地限制了絕緣和護套材料的可選范圍。

1.2 小型化

小型化是耐輻照抗干擾同軸電纜的核心要求。實際工況要求,總體外徑不超過12.5 mm。 與現有核電站三代堆中同部位、同功能線束集的空間要求相比,此參數在現有產品的基礎上節約了至少60%的空間(原技術要求不大于30 mm),是該電纜研制過程中的核心要求,也是產品在結構設計和材料選擇過程中需要克服的難題。

1.3 抗干擾能力

小電流信號長距離傳輸一直是通信電纜的難點。 基于以下原因,需要對該電纜進行抗干擾處理。核電站反應堆堆頂布置了各種電力電纜,對該電纜的小電流信號傳輸造成了巨大的干擾,信號需要從反應堆傳輸至控制室,傳輸距離約為150 m,不容外界干擾。 小電流信號在外界強干擾的情況下長距離傳輸,抗干擾是考核難點(為了滿足小電流信號長距離傳輸的需求,小型研究堆自主研制單位設計輸入要求轉移阻抗不大于50 mΩ·m-1),現有的進口同類電纜產品僅能達到80 mΩ·m-1。

1.4 低電容

相較于目前聚乙烯絕緣特性阻抗為50 Ω 時電容不大于120 pF·m-1的要求,在保證線芯的特性阻抗為50 Ω 的前提下,要求線芯與屏蔽層之間的電容不大于110 pF·m-1, 是該電纜研制的難點之一。

2 電纜的結構

在有限的空間內,完成電纜的結構設計和功能要求,將三芯絞合成圓形,有效地增加空間利用率;線芯之間相互屏蔽,且互不干擾;控制線芯導體直徑和絕緣厚度,使3 根線芯的直徑相同,減少因絞合而使單根線芯扭曲產生的信號傳輸誤差,同時增加電纜的圓整度。

綜合實際工程需求和電纜的技術性能要求,電纜結構示意圖見圖1。

圖1 電纜結構示意圖

2.1 導體設計

導體主要是微安級別的信號傳輸,原則上導體可以很小。 但是,在生產及安裝過程中,導體直徑太小易發生斷裂,從而增加生產成本和維護成本。 過度追求導體直徑的細小易得不償失,應在外徑允許的條件下,盡量“粗”一些。

對于導體結構的選擇,常規的同軸電纜在安裝及敷設過程中應盡量保證電纜的直線敷設不發生彎曲,故多使用單股導體,有利于信號傳輸的穩定性。但是,該電纜在成纜過程中即與“同伴”絞合成纜,多股導體有利于導體在成纜過程中發生的變形,且電纜彎曲半徑僅是6 倍的電纜直徑,理論上應使用5 類或6 類導體。 通過對比,該電纜線芯導體最終采用7 根單絲絞合而成的導體。

小型化耐輻照抗干擾同軸電纜中導體傳輸的是微弱電信號,由于高頻下電流傳輸存在集膚效應,本工作選用鍍銀銅導體作為基材。 鍍銀銅導體既能保證傳輸效果最優,成本又相對較低[5];該電纜的主要功能是通信,導體結構越簡單越好;同時,電纜彎曲半徑很小(不大于6 倍的電纜直徑),不能選用單芯導體;電纜須滿足整根拉斷力的要求,導體不能太細。

綜合上述要求,小型化耐輻照抗干擾同軸電纜選用的導體是由7 根0.3 mm 單絲直徑的鍍銀銅導體采用1+6 的結構形式正規絞合而成。

2.2 絕緣設計

2.2.1 絕緣材料的制備

小型化耐輻照抗干擾同軸電纜導體的長期工作溫度為90 ℃,高于一般用于信號傳輸的通信電纜絕緣材料(聚乙烯絕緣電纜導體的長期工作溫度為70 ℃)的要求。 常規聚乙烯材料不能滿足本工作研制電纜的使用要求。 要滿足電纜長期工作溫度的要求,就要提高聚乙烯材料的耐溫等級。

小型化耐輻照抗干擾同軸電纜有電容、絕緣電阻、成品外徑的要求,同時要求絕緣材料應滿足鑒定熱壽命為50 a、耐輻照等要求。 對所研制電纜結構設計計算,要同時滿足電容、絕緣電阻和成品外徑的要求,市場上普通的交聯聚乙烯不能滿足電纜設計的要求。 交聯聚乙烯的相對介電常數小于2.20 時才能滿足所研制電纜的設計要求。 目前,市場上普通交聯聚乙烯的相對介電常數在2.30 ～2.35 之間。

材料選用初期,選用硅烷交聯聚乙烯和輻照交聯聚乙烯作為絕緣材料,并進行介電常數和體積電阻率的測試,結果見表1。

表1 不同交聯形式聚乙烯的主要性能測試結果

由表1 可知,硅烷交聯聚乙烯和輻照交聯聚乙烯的體積電阻率數量級相同,絕緣性能相當;硅烷交聯聚乙烯的相對介電常數大于2.20,不能滿足設計要求,輻照交聯聚乙烯的相對介電常數較小,能夠滿足要求。 小型化耐輻照抗干擾同軸電纜選用輻照交聯聚乙烯作為絕緣材料。

根據絕緣材料電氣性能和耐熱性能要求,對絕緣材料配方進行調整并試驗,最終確定了其配方。絕緣材料調整后的主要配方見表2。

表2 調整后的主要配方

配方調整后,絕緣材料主要性能測試結果見表3。

表3 絕緣材料主要測試結果

2.2.2 絕緣材料的耐熱性能驗證[6]

選用自配的輻照交聯聚乙烯作為該電纜的絕緣材料,性能較穩定,但仍需要驗證熱壽命是否能夠滿足工程需求,即在90 ℃條件下持續工作50 a的要求。

對選用的輻照交聯聚乙烯絕緣材料通過階梯式加速老化試驗方式進行驗證。

根據阿倫尼烏斯公式進行計算

參考GB/T 11026.1—2016《電氣絕緣材料 耐熱性 第1 部分:老化程序和試驗結果的評定》和GB/T 20028—2005《硫化橡膠或熱塑性橡膠應用阿倫尼烏斯圖推算壽命和最高使用溫度》選擇加速試驗參數。 試驗考察了135,150,165,180 ℃等4 個不同測試溫度下,絕緣材料斷裂伸長率(樣品初始斷裂伸長率為610%)與老化時間的關系函數,直至達到相應性能的臨界值(以材料的50% 斷裂伸長率為臨界值),從而得出在該溫度下老化的終點時間,見圖2。

圖2 不同溫度下絕緣材料斷裂伸長率與老化時間的關系

由圖2 可知,輻照交聯聚乙烯在老化過程中,老化時間與斷裂伸長率的變化符合阿倫尼烏斯公式描述的曲線關系。

通過圖2 得到的曲線,對不同測試溫度達到臨界值(以材料的50% 斷裂伸長率為臨界值)時間的對數lnt與相應測試溫度熱力學溫度的倒數1/T作圖(lnt與1/T的關系圖略)。 通過標繪各點并求取最佳擬合直線,將獲得的直線外推到使用溫度(90 ℃)下輻照交聯聚乙烯的估算熱壽命,擬合后數據的計算結果見表4。

表4 絕緣材料熱老化試驗結果

由表4 可知,輻照交聯聚乙烯在90 ℃下的估算熱壽命為673 644 h,即76.9 a。 作為絕緣線芯,選用的輻照交聯聚乙烯滿足90 ℃下50 a 的熱壽命要求。

小型化耐輻照抗干擾同軸電纜選用的絕緣材料以165 ℃作為熱老化溫度條件。 在已知活化能為126.2 kJ·mol-1的情況下,利用阿倫尼烏斯公式估算得到在165 ℃下絕緣材料的老化時間為342 h,可模擬電纜90 ℃下50 a 的熱壽命。

2.2.3 絕緣厚度設計

絕緣厚度是保證電纜電容和特性阻抗的重要參數,絕緣厚度(h)是絕緣外徑(Di)與絕緣內徑(De)的差值

式中:hi為不同線芯的絕緣厚度,mm;Di為對應線芯的絕緣外徑,mm;De為絕緣內徑,mm;ε為絕緣材料的相對介質常數,為2.18;ε0為真空介電常數,為8.86 pF·m-1;Ci為電容,pF·m-1。

2.3 線芯屏蔽

小型化耐輻照抗干擾同軸電纜選用坡莫合金(鐵鎳合金)作為線芯屏蔽。 目前,坡莫合金和硅鋼是較常用的兩種高導磁材料。 雖然坡莫合金的磁感應強度比硅鋼的稍低一些,但其導磁率比硅鋼高幾十倍,鐵損也比硅鋼降低67% ～75%。

小型化耐輻照抗干擾同軸電纜選用具有較高起始磁導率的坡莫合金,其鎳的質量分數在75.5% ～78.0%之間,實測為76.4%。 該合金在此含鎳量附近時,在單相合金中會發生Ni3Fe 長程有序轉變。此時,鐵鎳合金的點陣常數和物理性質,如電阻率和磁性等,均會發生變化。 因此,要考慮有序轉變對鐵鎳合金性能的影響。 通常,在鐵鎳合金中加入少量鉬或銅等元素,以抑制長程有序的生成,故采用的坡莫合金的主要成分還包括一定比例的鉬和銅。 加入鉬和銅不僅能夠有效抑制Ni3Fe 長程有序的生成,還能夠通過控制熱處理的冷卻速率保證鐵鎳合金具有很高的磁導率和很低的矯頑力。

2.4 護套設計

小型化耐輻照抗干擾同軸電纜的護套結構選用雙層護套,無鹵阻燃交聯聚烯烴作為內護套,不銹鋼編織作為外護套。

在外界環境嚴苛的情況下,一般選用波紋銅護套或縱包鋼帶結構,其屏蔽性極好,能夠大大減少外電磁場對線路的干擾,以及對設備正常工作的影響,能夠有效地保護和提高電纜的耐輻照性能和熱壽命。

在小型化耐輻照抗干擾同軸電纜中,如果選用波紋銅護套或縱包鋼帶結構,電纜彎曲半徑均不能達到6 倍電纜直徑的要求,且最大外徑要超出很多。無鹵阻燃交聯聚烯烴作為內護套,不銹鋼編織作為外護套,此雙層護套結構相輔相成,能夠達到良好的阻燃等級,耐油、耐鹽、耐輻射,運行熱壽命為50 a,能夠通過設計基準試驗;不銹鋼編織還能夠起到一定的屏蔽磁場的作用,且整根電纜柔軟、易彎曲,可滿足實際工程需求。

3 成品電纜性能測試

通過上述對電纜的結構設計和材料選用,制定了技術方案,并與產品需求單位共同編制了質量鑒定試驗大綱。 經第三方檢測機構,對電纜外徑、電容、轉移阻抗、耐輻照等性能進行了測試,測試結果見表5。

表5 電纜主要指標測試結果

由表5 可知,電纜的外徑為12.3 mm,遠小于進口樣品的29.3 mm,能夠極大地減少其對敷設空間的要求,使產品需求方在設計整機裝備的有限空間內可以布置更多其他的設備;電纜的電容達到了109 pF·m-1,小于要求的110 pF·m-1,小于同類進口樣品的115 pF·m-1,能夠保證信號傳輸距離更遠,滿足需求方對電纜長距離信號傳輸的需求;電纜的轉移阻抗達到了28 mΩ·m-1,小于指標要求的50 mΩ·m-1,解決了同類進口產品不能滿足此項指標要求的問題,提高了信號在傳輸過程中對外來信號的抗干擾能力,進一步保證了電纜信號的傳輸能力;對電纜進行耐輻照性能測試,在經歷1.0 ×106Gy 的累積輻照劑量后,電纜仍能夠保持完整性,填補了同類進口產品未經過輻照測試的空白。

4 結束語

中國機械工業聯合會組織業內專家及用戶單位對小型化耐輻照抗干擾同軸電纜進行了新產品新技術鑒定。 小型化耐輻照抗干擾同軸電纜被認定為填補了國內空白,處于國際先進水平(鑒定證書編號:中機電科鑒字[2021]第090 號)。

小型化耐輻照抗干擾同軸電纜通過結構設計、材料選擇和性能驗證,符合標準GB/T 17650.1—2021《取自電纜或光纜的材料燃燒時釋出氣體的試驗方法 第1 部分:鹵酸氣體總量的測定》、GB/T 17651.1—2021《電纜或光纜在特定條件下燃燒的煙密度測定 第 1 部分: 試驗裝置》、 GB/T 18380.35—2022《電纜和光纜在火焰條件下的燃燒試驗 第35 部分:垂直安裝的成束電線電纜火焰垂直蔓延試驗 C 類》、GB/T 18380.12—2022《電纜和光纜在火焰條件下的燃燒試驗 第12 部分:單根絕緣電線電纜火焰垂直蔓延試驗 1 kW 預混合型火焰試驗方法》規定的熱老化、輻照老化、燃燒試驗等要求。 小型化耐輻照抗干擾同軸電纜具有電纜線徑較小、柔軟易彎曲、使用壽命長、抗干擾能力強、耐輻照水平優越等特點,在新設計的堆型中適用性較廣,可廣泛應用于小型研究堆堆芯水位探測器等各堆內各部位,滿足船級核測電纜的使用環境需求,為我國核電事業的發展提供了有力的支持。

小型化耐輻照抗干擾同軸電纜結構復雜,對工藝水平和材料一致性等的要求較高,生產過程中各工序的裕量較小。 在實際生產過程中,成品率較低,需要進一步穩定工藝,加強生產批次穩定性研究。