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核电站电缆

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核电站电缆指核电站电缆绝缘及护套所用原料,包括塑料、橡胶等多种品种。电缆种类是由电缆的种类所决定的。
核电站电缆有两种分类方法:一种按功能分,包括测量电缆、通信电缆、仪表电缆、防火电缆(硅绝缘电缆)等;另一种是按安全级别分,核电站用电缆的安全级别属于IE级,同时应具有4O年以上的使用寿命,IE级核电站电缆又分为K1、K2和K3,3个安全等级。核电站电缆产品的发展过程实质上是材料的更新换代,电缆的种类其原料的选择。
 
 
种类
核电站电缆指核电站电缆绝缘及护套所用原料,包括塑料、橡胶等多种品种。电缆种类是由电缆的种类所决定的。
核电站电缆有两种分类方法:一种按功能分,包括、测量电缆、通信电缆、仪表电缆、防火电缆(硅绝缘电缆)等;另一种是按安全级别分,核电站用电缆的安全级别属于IE级,同时应具有4O年以上的使用寿命,IE级核电站电缆又分为K1、K2和K3,3个安全等级。核电站电缆产品的发展过程实质上是材料的更新换代,电缆的种类其原料的选择,如表1所示。由表1中可以看出,核电站电缆主要用以下几种。 
表1:核电站用电缆备组成部分的选择:
项目
6.6kV电力电缆
1000V电力电缆
1000V控制电缆
测量电缆
通信电缆
硅绝缘电缆
导线
铝绞线
铜或铝绞线
铜绞线
镀锡铜绞线
实心铜线
铜绞线
绝缘
XLPE
XLPE或阻燃无卤材料
XLPE或阻燃无卤材料
XLPE或阻燃无卤材料
XLPE或阻燃无卤材料
硅橡胶或硅复合物
线芯保护
-
聚醋带
聚醋带
聚醋带
聚醋带
聚醋带+铜带
填充
-
玻璃纤维
玻璃纤维
-
-
玻璃纤维
内护层
-
-
-
无卤阻燃材料
无卤阻燃材料
无卤阻燃材料
金属屏蔽
铜带绕包
-
-
镀锡铜丝编织
铝复合带绕包钢带
-
铠装
 
-
-
-
 
钢带
外护套
无卤阻燃材料
无卤阻燃材料
无卤阻燃材料
无卤阻燃材料
无卤阻燃材料
无卤阻燃材料
 
 
交联聚乙烯
交联聚乙烯(Cross—linkedpolyethylene,XLPE)是将线型结构聚乙烯用适当方法处理后,生成网状或体型结构的高聚物,具有优良的耐热性(软化点为200%)、电绝缘性、耐低温性和耐化学性,良好的耐辐射性,用作电缆的绝缘材料。
 
EVA弹性体
乙烯一乙酸乙烯酯(Ethylene-vinylacetatecopolymer,EVA)是乙烯和乙酸乙烯酯的共聚物。它具有优良的抗辐照、耐化学品等性能,用作电缆的护套,同样须加入较多的阻燃剂使其具有阻燃性。
 
硅橡胶
硅橡胶或硅复合物是主链具有硅和氧饱和结构的橡胶,具有极高的化学稳定性,优良的耐热老化性、耐臭氧性、抗辐照性、耐高压水蒸气性,优异的电绝缘性,适宜作绝缘材料。通常,核级电缆用乙丙橡胶(EPR)作绝缘(也有采用双层绝缘的,如内层EPR、外层EVA),用交联EVA橡胶作护套。原因在于橡胶类材料在高温高压试验中不易产生永久变形,可保证电缆的正常结构,比塑料类材料更安全。而用于安全壳内的核级电缆的绝缘和护套主要是热塑阻燃无卤素或交联阻燃无卤素材料,如用XLPE作绝缘,低烟无卤阻燃聚烯烃作护套,同时也有用EPR作绝缘,交联EVA作护套。

 
电缆特性
 
性能低烟
核电站用电缆的绝缘和护套材料必须采用低烟、无毒、无腐蚀性的无卤阻燃电缆,如热塑阻燃无卤素或交联阻燃无卤素材料,才能满足特殊的核安全要求。无卤电缆在发生火灾时,燃烧释放的烟雾量很低,不带毒性及腐蚀性,其阻燃成分可有效发挥阻燃作用,不会使电缆成为火焰蔓延的通道。无卤阻燃电缆的主要技术特性有:(1)核电站用电缆烟的总累积量Dm<150;(2)无毒性及腐蚀性,即电缆燃烧不析出HCI和CO;(3)具有阻燃性,聚合物的阻燃性通常用氧指数(0I)法来评定,一般OI≥28。
 
耐环境性
核电站电缆用材料必须具有耐环境性,即耐热性、耐辐照性和耐LOCA性。
(1)耐热性由于核电站电缆常在高温环境下工作,高温电缆。因此它们需要具有长期耐热使用性能,要选用耐热性满足要求的聚合物,并可让电缆具有40年以上的使用寿命。
(2)耐辐照性(缓和环境,严酷环境)核电站用电缆受到大量射线时会使绝缘和护套材料变脆,力学性能变差。因此,作为核电站电缆用的绝缘和护套材料,必须具有优良的耐辐照性。各种不同的高聚物,其耐辐照性能不同。人们通常在高聚物里添加抗辐照剂,改进其耐辐照性能。
(3)耐LOCA性核电站中,通常将冷却剂损失事故(Lossofcoolingaccident,LOCA)和高能管破裂事故(Highenergylinebreak,HELB)统称LOCA。在发生LOCA/HELB时,电缆会受到高温高压蒸汽的冲击和腐蚀性化学药剂的作用,并且要受到比正常运行情况下更高剂量的射线辐射。因此,核电站电缆应具有耐LOCA性。
 
 
生产工艺
核电站电缆通常采用挤出、注塑和模压3种主要的生产方法。无论是哪种生产方法原料最初的加工基本相同,都需要干燥、初混,然后依据生产核电站电缆的种类和原料的不同而有所区别。 
 
挤出法制备
热塑性电缆的生产方法主要是挤出法。挤出设备可用于混合,也可用于造粒。挤出工艺主要包括挤出温度及螺杆转速的设置。随配方体系的不同,电缆对应的挤出温度也有所不同。同一种电缆在不同挤出设备上挤出温度也不同,主要随挤出机螺杆结构不同而相异。另外,挤出机机头的选择也对电缆有很大影响。例如,阻燃聚烯烃电缆与非阻燃聚烯烃电缆的不同之处在于前者含有阻燃剂填充,其中低烟元卤阻燃电缆填充量甚至高达150phr以上,这就导致了其在熔融状态下强度、拉伸比、熔体粘度与非阻燃聚烯烃电缆存在较大差异,从而要求挤出时模具的选配也有所不同。一般来说,阻燃聚烯烃电缆均适用于挤压式(多用绝缘挤出)、半挤管式及挤管式模具(多用护套挤出)。使用挤压式时,因聚烯烃电缆熔体粘度大使得机头压力增加,挤出制品压得较密实,导致离模时会有所膨胀,故可选用模套内径尺寸比成品尺寸小5%左右;使用半挤管式及挤管式模具时,必须考虑到电缆的拉伸比。
 
注射法制备
注塑法经常用于批量生产,在注塑过程中,泵送系统在全封闭状态下将不同的组分直接泵入混合机内进行均化,然后泵入模腔中。在高温下,电缆在模腔中快速实现模塑和固化,注射仅需3~10s,模塑和固化则需要10~90s或更长的时间才能完成,具体根据注射质量和部件的最终厚度而定。注塑的整个流程采用封闭式,可大幅度减少污染。而且由于采用一步式自动流程,可保证部件质量连续一致,减少差异现象或人为因素。同时可减少材料准备所需的人力,降低注射压力,加快周期速度,实现系统全自动。
 
模压法制备
模压法需在高混机或双辊开炼机中进行预混(初混),而后在双辊开炼机上混炼成型。此方法必须在低温下进行,因此,运行周期更长,消耗较多人力。
模压通常是在平板固化机上完成,按一定的规格下料后置于压制模具中,合模后在液压机上按规定的工艺条件压制,在加热和加压的条件下,电缆呈现塑性流动充满型腔,再经一定时间的持续加热后完成固化成型。 
 
国内核电站
核电站电缆主要采用聚乙烯作主料。如采用乙烯-乙酸乙烯酯共聚物制备的核电站IE级电缆材料,该电缆具有较好的机械及加工性能、耐高温、燃烧时不易滴落等优点。利用乙烯~乙酸乙烯酯共聚物40~85%,乙丙胶和硅橡胶15%~60%,研制成一种硅烷交联聚烯烃电缆,该技术不但使用温度范围可达-70~125℃,而且耐低温性能也得到较大改善.可以承受最低-70℃的低温,耐热等级也由9O℃提高到125℃,在电缆承载能力或负载相同情况下,延长了使用寿命,电缆可用于1OkV及以下电缆作绝缘护套,特别适用于移动式电缆或柔软连接系统。王乐以乙烯一乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、有机硅(ZD)、氢氧化铝(ATH)、氢氧化镁(MH)、有机硅粉为原料,EVA与LLDPE按比例混合作为基体树脂,ATH与MH按比例混合作为复合阻燃剂,并用钛酸酯偶联剂进行表面处理,得到的多相复合体系无卤阻燃电缆护套料具有优异的力学性能和阻燃性。
此外,计初喜明研究了一种全新的聚醚酰亚胺工程塑料,该塑料可广泛应用于航海、军事、铁路、隧道等各领域的电缆,它所具有的无卤、无毒、阻燃、耐腐蚀、优良的耐辐射性能,更适用核电站环境,是一种理想的IE级KI类电缆的绝缘和护套。深圳市泰士特线缆已对该材料进行了生产,进一步说明该材料易加工、性能好。
耐辐照是核电站电缆的一项重要指标。上海电缆研究所的孙建生等采用了3种核电站电缆进行了辐照老化试验,得出材料的断裂伸长率、抗张强度、硬度、体积电阻率等与辐照剂量的变化关系,并且还研究了不同辐照类型射线对材料老化的影响,为正确选择核电站电缆提供了依据。上海交通大学金天雄等也研究了Υ辐照对交联聚乙烯绝缘电缆水树行为的影响,研究发现,在0~3000kGy的Υ辐照剂量范围内,随着辐照剂量的增加,交联聚乙烯绝缘的凝胶含量增加,羰基指数值增加,超过1500kGy的辐照剂量时,凝胶含量增加和羰基指数保持基本不变或再次降低,随着辐照剂量增加到2000kGy,水树枝长度增加,水树数量(水树密度)也增加。另外,与热老化相比,交联聚乙烯绝缘在Υ辐照作用后生长的水树形状差异性较大。
  另外,专家们在对核电站用绝缘和阻燃电缆进行研究的同时,解决了现有核电站电缆制造工艺复杂、成本较高,且耐长期热老化、拉伸强度较差等问题。吴道虎以氯磺化聚乙烯作主体骨架材料,并用一定量的乙丙橡胶,过氧化物作硫化剂,HVA-2和TMTP作助硫化剂,氢氧化铝作阻燃剂,硬脂酸锌作表面处理剂,对煅烧陶土和LEE白滑粉表面进行处理,研制的电缆护套料可满足核电站的使用要求和IEC502的性能要求。王巧娥等采用三元乙丙橡胶、苯基硅橡胶、表面处理过的氢氧化镁阻燃剂和其它配合剂,通过正交试验研究各组分对绝缘材料性能的影响,确定了耐辐照无卤低烟阻燃绝缘材料的配方,该绝缘材料具有高阻燃性能、抗辐照性能,同时具有良好的力学性能和电绝缘性能。李月霞采用低烟无卤阻燃聚烯烃,以氢氧化铝、氢氧化镁和硼酸锌作阻燃剂,通过异向高速组合式双阶双螺杆造粒系统,然后经共混无机阻燃体系进行熔融挤出造粒,制备出的低烟无卤阻燃电缆,具有在着火后不延燃、低烟无卤、无毒、无腐蚀等特性,特别适合于核电站、地下铁道、隧道、高层建筑以及广播电视台等场合。 
 
 
研究现状
国际上从lkV低压电缆、6~35kV中低压电缆至110kV高压电缆都倾向于用交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆。其中XLPE生产技术主要分3大类:辐射交联主要生产电气装备用电缆;硅烷交联用硅烷作为交联剂,在催化剂作用下使PE交联;化学交联以低密度聚乙烯(LDPE)为基料,有机过氧化物为交联剂,适合于高温、高压、高频等条件使用的线缆,可制造6~35kV、35110kV中高压电缆,航空电缆,控制电缆,其生产技术主要由美国GE公司发明并推广应用。
  BelkinaljudmilaIvanovn。采用氟橡胶、低分子量的粘性树脂、交联剂、云母粒子和无机填料,制成的绝缘电缆具有较高的耐电晕性能、优良的弹性、耐热性能和阻燃性能。
  20世纪80年代初,国外就已研制了低烟无卤阻燃电缆,到80年代后期,已经开发了第二代电线电缆用无卤阻燃电缆。同第一代产品相比,第二代无卤阻燃电缆除了在阻燃性能、发烟性、毒性、腐蚀性能、力学性能、电性能上有所改进外,其高速挤出性能是一大特征。日本每年颁布50余件与无卤阻燃电缆有关的专利,这些发明大多属于日立电线株式会社、日本联合碳化物公司以及藤仓、住友等电线公司。他们试图用不同的方法解决无卤阻燃电缆的主要问题,既能克服阻燃性能与其他性能的矛盾,又能对各种性能进行综合平衡。
  日本原子能研究设施研制出一种可以耐核反应堆中核聚变反应产生的超高温和强辐射的核电站电缆,这种电缆可以在温度超过1000℃、辐射量率超过100MG的恶劣条件下正常工作,它是由导体外面包覆一层绝缘层而形成,绝缘层主要是由含有0.1%~2.0%的氧化物Si—N—O的纤维织物形成,筛网是一层由陶瓷预聚体聚合物处理过的无机绝缘材料形成的。
  国外EPR已广泛应用在电力电缆、矿用电缆、船用电缆、电机引出线和核装置用电缆等耐热和高压产品上,使用量约占电缆工业橡胶总用量的10%~15%。商品化的乙丙橡胶绝缘料和屏蔽料已经相当成熟。
  MohammedA等研究了交联聚醋酸乙烯酯(EVA)/低密度聚乙烯(LDPE)/金属氢氧化物复合电缆,以交联聚醋酸乙烯酯和低密度聚乙烯为主料,氢氧化铝和氢氧化镁作阻燃剂。研究发现含有氢氧化镁电缆的性能多数好于含有氢氧化铝的电缆的性能;当采用氢氧化铝作阻燃剂时,用马来酸酐接枝聚乙烯优于用乙烯基硅烷作相容剂接枝聚乙烯。
  而俄罗斯国内电缆工程中的科学和技术发展方向又依据于研究是否有创新。这些研究方法包括中高电压的交联聚乙烯绝缘电缆的发展和组织生产、耐燃电缆的研究,尤其注重宽带接入系统的光纤电缆行业的发展。
 
 
展望
 按照国家有关部门的规划,到2020年我国核电投产装机容量将实现4000万kw的战略目标,这意味着中国核电发展正在“升温”。而核电站电缆是核电站的一个重要电器部件,其使用场所的条件比较苛刻,安全方面的要求高,不仅要具有普通电缆的一般特性,还要具有低烟、无卤、阻燃等特性,特定的耐环境性,如耐辐射性、耐LOCA(失水事故)等。
  由于我国的核电站电缆的发展需求与技术支持脱节,面对国外的技术封锁和对国外核电站电缆严重的依赖,这些进口电缆产品价格昂贵,耗用了大量外汇,所以开发核电站用电缆是一项艰巨而紧迫的任务——任重道远。


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