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[技術(shù)資料] 目前我國的核電狀況和核電站專用電纜簡介
P:2009-08-03 09:25:53
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q據(jù) 2002 年全國能源消耗統(tǒng)計，全國商品能源消費量為 14.8 億噸標準煤，居世界第二位。其中煤炭占 66.1% ，石油占 23.4% ，天然氣占 2.7% ，水電占 7.1% ，核電占 0.7% 。另外全國農(nóng)村消耗秸桿和薪材達 2.8 億噸標準煤�？傊覈穗娔芰康膽�(yīng)用與經(jīng)濟發(fā)展速度十分不協(xié)調(diào)。再從電力供應(yīng)的緊缺情況分析，國家最近公布的電力工業(yè)情況，全國 2004 年一季度發(fā)電量為 4794 億 kWh ，全社會用電容量為 4805 億 kWh 。 2004 年第一季度有 24 個省市拉閘限電。發(fā)電不足的主要原因： ⑴ 除三峽外全國 24 座重點水電站水量比每年同期少 10% 以上。 ⑵ 發(fā)電用煤供應(yīng)不足，一季度全國煤炭社會庫存量同比下降 16.6% ，企業(yè)煤炭庫存量同比下降 6.84% 。 ⑶ 鐵路運輸制約，鐵路全路裝車滿足率僅 35% 。 2004 年全社會用電量約 21725 億 kWh ，凈增 2844 億 kWh ，同比增長 15% 左右。全國新增發(fā)電裝機容量 4174 萬 kW ，其中水電 817 萬 kW ，火電 3185 萬 kW ，核電 165 萬 kW 。 2004 年年底總裝機容量達到 4.32 億 kW ，提前二年實現(xiàn)電力 “ 十五 ” 調(diào)整增長目標，同比增長 10.7% 。預(yù)計到 2008 年，電力供需趨向平衡或略有富裕，據(jù)悉待批電廠總項目規(guī)模已達到 2.5 億 kW ，這是目前全國裝機容量的 2/3 ，按此計算大致年增長率為 10.5% ，可見電力建設(shè)發(fā)展之規(guī)模。技術(shù)方面我國將對火電、燃氣、水力、核電和風(fēng)力發(fā)電設(shè)備同時研究發(fā)展。
qq核電站建設(shè)的審批權(quán)在我國高度集中，我國經(jīng)濟發(fā)達、電力負荷集中的沿海地區(qū)，核電站將成為電力結(jié)構(gòu)的重要支柱。近日國務(wù)院就進一步建設(shè)我國核電站作出決策，批準了浙江三門、廣東嶺澳擴建項目；此外，廣東陽江核電項目和浙江秦山二期擴建項目正在報審過程中。截止 2004 年 7 月，我國共有 9 臺核電機組投入運行。東部沿海其他省份還有幾個核電廠址，目前正在開展前期工作。預(yù)計到 2020 年以前，將新建 27 個百萬千瓦級的核電機組。也就是說，今后 16 年中，新增核發(fā)電裝機容量將達 3000 萬千瓦，每年將有二到三個核電機組開工建設(shè)。到 2020 年核電在總發(fā)電容量中的比重將從目前 1.8% 上升到 4% 。由于當前核電站的運轉(zhuǎn)需要大量水源，所以規(guī)劃核電站主要布局是考慮東南沿海省份。關(guān)于核電建設(shè)的投資問題，國外經(jīng)濟專家認為要完成這樣大規(guī)模的核電工程建設(shè)，按保守的估計，投資也在 400 億美元以上。中國核工業(yè)集團公司，希望新建核電站的平均國產(chǎn)化率能夠達到 60% ，這樣估計有 240 億美元（約 2000 億人民幣）的貨物可能國產(chǎn)化。從我國電線電纜行業(yè)分析，在目前電纜制造技術(shù)水平上，再進一步改進設(shè)備和產(chǎn)品開發(fā)，電線電纜的國產(chǎn)化率可達到 95% 以上。
qq常規(guī)電廠用電纜，無論是電力、控制、儀表、數(shù)字和熱偶電纜，國內(nèi)制造技術(shù)已經(jīng)成熟，生產(chǎn)能力富裕。但核電廠的非常規(guī)發(fā)電區(qū)域用電纜，仍有一些問題需要解決。進一步提高現(xiàn)有的 1E 級 K3 類電纜質(zhì)量和品種開發(fā)，同時 1E 級 K1 類電纜及其試驗基地的建設(shè)，也是當前應(yīng)考慮的任務(wù)。既然核電站發(fā)展是當務(wù)之急，那么核電站用電纜的標準問題也必然會提上日程上。我國核電站設(shè)計受法國、美國和俄羅斯三方面的影響，因此核電設(shè)計部門對電纜技術(shù)要求并不完全統(tǒng)一，從而各電纜廠的企業(yè)標準也不盡相同，從安全性、可靠性和強制性的觀點來看， 1E 級電纜標準是否可由多方面聯(lián)合起草，并制定為國家標準，這個問題比較復(fù)雜，需要多方面進行協(xié)調(diào)。 國內(nèi) 1E 級電纜是這樣定義的：指完成反應(yīng)堆緊急停堆；安全殼隔離、堆芯應(yīng)急冷卻、反應(yīng)堆余熱導(dǎo)出、反應(yīng)堆安全殼的熱導(dǎo)出；防止放射性物質(zhì)向周圍環(huán)境排放等功能的電氣系統(tǒng)設(shè)備的安全級。 K3 類電纜是指在安全殼外處，在正常情況和地震荷載下能執(zhí)行其規(guī)定功能的電纜 。按此定義要求作為強制性國家標準也并不過分，并且標準制定的準備工作和具體操作 宜快而不宜怠。從用途來說，核電用電纜品種與一般火力發(fā)電廠基本相同，但其材料組成和試驗項目則有較大的差異。主要品種有 1 kV 及以下電力電纜、控制電纜、儀器儀表電纜、熱偶補償電纜以及 6/10kV 等級電力電纜。
qq當前國內(nèi)的絕緣以交聯(lián)聚烯烴為主，護套以熱塑性聚烯烴為主，今后可能需要增加乙丙橡膠絕緣和交聯(lián)聚烯烴護套品種的應(yīng)用比重。 1E 級 K1 類電纜，需要經(jīng)受輻射試驗，大概情況如下： (1) 熱老化試驗，美國為 138 ℃ 300 小時，相當于使用 40 年。 (2) 輻照試驗，老化試驗后用鈷源進行 γ 射線輻照試驗，美國對緩和環(huán)境電纜的吸收劑量規(guī)定為 7 × 105 Gy ，對嚴酷環(huán)境為 15 × 105 Gy 。 (3) 模擬 LOCA-HELB 試驗，電纜放在容器內(nèi)以規(guī)定的溫度、蒸汽壓力和時間進行循環(huán)試驗，同時噴射化學(xué)溶液，常采用含 1.5% 硼酸溶液，并在室溫下用氫氧化鈉調(diào)節(jié)其 pH 值至 10.5 作為溶液。噴射流量對水平投影面為 34.2 i/min m2 。 (4) 浸水耐電壓試驗，在 γ 輻照試驗后，對緩和環(huán)境電纜，卷繞在 20 倍電纜外徑在金屬圓柱體上，對嚴酷環(huán)境電纜則為 40 倍徑，然后浸入室溫水中，以 3.15 MV/m 梯度施加電壓， 5 分鐘不擊穿為合格。 以上僅是核電站用電纜試驗的概略說明，實際試驗還有許多具體細則。
qq大致在上世紀 80 年代中期，我國在消化并結(jié)合美國火力發(fā)電站規(guī)范的基礎(chǔ)上，開始研究發(fā)展核電站用電線電纜，原第一機械工業(yè)部下達任務(wù)：由上海電纜廠和沈陽電纜廠試制電纜，由上海電纜研究所進行電纜的全面評測，該階段的工作雖然帶有摸底性質(zhì)，但對以后的開發(fā)很有幫助。上世紀 80 年代后期，大亞灣核電站的大量進口電纜護套發(fā)生開裂，委托上海電纜研究所進行試驗，并分析了產(chǎn)生開裂的根本原因，最后外商同意經(jīng)濟索賠。由于時間上不可能由外國重新提供電纜，所以必須更換的電纜由上海電纜廠及時供應(yīng)并運行正常。上世紀 90 年代中期和后期，我國加快了核電站建設(shè)步伐，核電站用電線電纜制造廠已進入市場競爭階段。至今上海電纜研究所電線電纜檢測中心和技術(shù)開發(fā)中心，已相繼進行了十次以上的核電站用電線電纜測試和評定，結(jié)果說明要生產(chǎn)出全面優(yōu)質(zhì)的核電站用電線電纜，技術(shù)上也不是輕易的事，就最近二年內(nèi)，已交貨待使用的電纜，仍發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題。今后更多的核電站用電線電纜要上市，更應(yīng)該重視線纜質(zhì)量問題。
二.電纜有關(guān)實驗標準和要求.
1 、試驗內(nèi)容
（ 1 ）電纜基本性能的型式試驗；
（ 2 ）電纜應(yīng)能通過 IEEE383 規(guī)定的成束電纜垂直燃燒試驗；
（ 3 ）煙濃度試驗；
（ 4 ）成品電纜護套材料燃燒時釋放氣體的試驗；
（ 5 ）電力電纜電老化試驗；
（ 6 ）絕緣和護套材料的長期耐熱性評定試驗；
（ 7 ）等效 50 年運行的熱老化模擬試驗；
（ 8 ）等效 50 年運行的放射線照射老化模擬試驗；
（ 9 ）模擬抗震試驗；
（ 10 ）等效 50 年運行 LOCA 時的放射線照射試驗、模擬 LOCA 試驗（高溫、高壓的水蒸汽）；
（ 11 ）性能檢查試驗。
其中， (1)~(3) 為型式試驗， (7)~ (10) 為環(huán)境模擬試驗， (8) 和 (10) 兩項試驗都是經(jīng)過第 7 項試驗后進行的。性能檢查試驗包括電壓試驗、燃燒試驗、絕緣和護套的抗拉強度、斷裂伸長率的測量等。對運行環(huán)境的具體條件進行確定。
2 、試驗方法
a. 電力電纜 5000 h 電老化試驗
電力電纜應(yīng)通過 5000 h 的電老化試驗，試驗按 lEC 60502 規(guī)定進行測試。試驗條件為 :
（ 1 ）電纜試樣的長度：不小于 30m ；
（ 2 ）施加電壓：相與相之間施加電壓 2 （ μ 為電纜導(dǎo)體間的額定工頻電壓）；
（ 3 ）施加電流：電流通過電纜，要使導(dǎo)體溫度達到 95~ 100℃ ；
（ 4 ）一個循環(huán)的持續(xù)時間： 8h 加熱，然后 16h 冷卻；
（ 5 ）試驗持續(xù)時間不少于 5000h （即 209 個溫度循環(huán) ) 。
試驗結(jié)果：試驗期間電纜應(yīng)不擊穿。
試驗電壓和試驗時間是依據(jù)電纜絕緣的壽命指數(shù) n 來確定的，并留有一定的安全裕度，電老化壽命方程式為： Unt=C[(1) 式中， U 為電纜上施加的電壓； n 為壽命指數(shù)； t 為電擊穿時間； C 為常數(shù) ( 與結(jié)構(gòu)等有關(guān) )] 。
若采用的交聯(lián)聚乙烯的壽命指數(shù) n≥9 ，核電站要求電纜使用壽命為 50 年，可利用式 (1) 來推算電壓與時間的關(guān)系。例如：工作電壓 U= 10 kV ，則要求工作時間 t = 348000 h ( 50 年 ) ；試驗電壓 =20 kV ，則要求試驗時間 = 5000 h 。
將上述參數(shù)代入式（ 1 ） 可得：
求解可得 n = 6. 45 ，小于 9 ，說明該試驗方法有安全裕度。
b. 絕緣和護套材料的長期耐熱性評定試驗
根據(jù) IEC60216 標準和 IEEE383-74 標準推薦用于非金屬材料加速老化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型為阿倫紐斯 (Arrhenius) 經(jīng)驗推算公式 : Inτ=a+b/T （ 2 ）中， τ 為產(chǎn)品在溫度 T 條件下工作的壽命 (h) ； T 為工作溫度 (K) ； a ， b 為待定系數(shù)。
式（ 2 ）己應(yīng)用了幾十年，很多情況下驗證有效。在設(shè)定的工作溫度下，通過試驗和推導(dǎo)，可計算出待定系數(shù) a 和 b ，然后利用式 (2) 可算出壽命 τ ，若 τ 的數(shù)值大于期望值，也就滿足了設(shè)計壽命要求。
（ 1 ）試驗溫度和時間的確定。常規(guī)老化試驗為 135℃ ,168 h ，因此可確定 135℃ 為最低試驗溫度。試驗方案參考 IEC60216" 確定熱老化試驗程序和 ! 評定試驗結(jié)果的一般規(guī)程 ” 和 IEEE383 標準。壽命評定 試驗溫度的每個級差取 15℃ ，共有 4 個試驗溫度點，最高試驗溫度為 180℃ 。試驗時間延續(xù)到 5000h 左右。
（ 2 ）壽命終止參數(shù)的選擇。絕緣材料熱老化過程中有兩個特征參數(shù)，即抗張強度和斷裂伸長率，在本試驗過程中，斷裂伸長率的下降速率比抗張強度快，故取斷裂伸長率作為壽命評定參數(shù)。按電纜敷設(shè)彎曲半徑計算，絕緣實際伸長率不超過 10 ％。測得試樣原始斷裂伸長率為 160 ％ , 假設(shè)取斷裂伸長率保留率 50% 作為壽命終止點，此時斷裂伸長率仍有 80 ％，對運行中電纜有足夠的安全系數(shù)。
（ 3 ）數(shù)據(jù)處理及壽命推算。按 IEC 60216-1 則及相關(guān)數(shù)學(xué)原理處理，先應(yīng)用作圖法，根據(jù)假設(shè)的壽命終止點繪出 Arrhenius 曲線圖。同時計算出待定系數(shù) a ， b, 確定試驗材料的溫度 與壽命關(guān)系式，當 90℃ 時計算壽命值不小于 50 年時，材料即判定為具有 50 年合格壽命。
c. 等效 50 年運行的熱老化模擬試驗
根據(jù) IEEE383-74 標準，成品電纜樣品的熱老化模擬試驗使用 Arrhenius 技術(shù)制定的數(shù)據(jù)，在一定溫度和時間內(nèi)將電纜放置在空氣循環(huán)烘箱內(nèi)來進行模擬試驗。
絕緣和護套材料熱特性數(shù)據(jù)應(yīng)建立在熱壽命評定結(jié)果的基礎(chǔ)上。將己確立的材料具有 50 年使用壽命的 Arrhenius 曲線圖和溫度與壽命關(guān)系式，作為確定成品電纜樣品運行老化模擬試驗數(shù)據(jù)的依據(jù)。
已經(jīng)確立的 Arrhenius 曲線圖和溫度與壽命關(guān)系式，是在材料的斷裂伸長率保留率為 50% 時的假定壽命終止點，成品電纜樣品等效 50 年運行熱老化 模擬試驗應(yīng)選擇在 90 ℃ 時，假定壽命終止前的一個點。在 Arrhenius 曲線圖中，根據(jù)式 (2) 和己知的斜率，建立新的曲線和溫度與時間關(guān)系式來選擇模擬試驗的溫度和時間。
d. 等效 50 年運行的放射線照射老化模擬試驗
輻射試驗的成品電纜樣品應(yīng)經(jīng)過等效 50 年運行的熱老化模擬試驗。等效 50 年運行的輻射老化模擬試驗以 C60 作為放射源，輻射的速率不大于 1.0×104Gy ／ h 輻射劑量為 2.5×105Gy ，滿足電纜在核輔助廠房和反應(yīng)堆廠房中正常輻射劑量環(huán)境條件的耐輻射性能要求。
e. 模擬抗震試驗
電纜樣品纏繞直徑 20D ( D 為電纜外徑 ) 的試驗圓柱體至少一圈，再反方向重復(fù)此過程，為一個循環(huán)，共二個循環(huán)。纏繞循環(huán)后，將繞在圓柱體上的試樣放入加熱至電纜額定運行溫度的烘箱中 24h ，冷卻后進行規(guī)定的性能檢查試驗。
f. 等效 50 年運行 LOCA 時的放射線照射試驗、模擬 LOCA 試驗 ( 高溫、高壓水蒸汽下暴露 )
LOCA( Loss of coolant accident) 是冷卻劑跑失事故，在輕水反應(yīng)堆中也稱為失水事故。無論是在沸水堆 (BWR) 還是在壓水堆（ PWR) 體系中，山于管道滲漏或其它原因， 冷卻劑跑失事故有時會發(fā)生。在這種情況下的電纜，無論是在安全殼內(nèi)或外，都要受到嚴峻的考驗，即承受不同程度的高溫、高壓，化學(xué)物質(zhì)噴射和史大劑量的 γ 線 照射。只有通過這種模擬 LOCA 條件試驗的電纜才能安全使用在核電站。因此，反應(yīng)堆廠房內(nèi)的電纜，無論在安全殼內(nèi)還是在安全殼外都應(yīng)進行 LOCA 試驗。
g. 性能檢查試驗
性能檢查試驗包括耐壓試驗、燃燒試驗、絕緣電阻、絕緣和護套的抗張強度、斷裂伸長率的測試，其中絕緣電阻、抗張強度和斷裂伸長率測試僅作參考。
耐壓試驗：將樣品彎曲，其彎曲直徑為樣品中電纜直徑的 40 倍，然后以 3.15kV/min 梯度施加電壓，持續(xù) 5min ，電纜應(yīng)不擊穿。
燃燒試驗：通過 IEEE383 規(guī)定的成束燃燒試驗。
一.常用絕緣材料的耐輻射指標
在電纜工業(yè)測量輻射值 的最常用單位是格雷 (Gy) ，和拉德 (Rad) 。
1 拉德 (Rad)=0.01 格雷 (Gy) ，
常用的一些材料的輻射耐受值如下：
10^3Gy(10^5Rad): PTFE(聚四氟乙烯), PFA
10^4Gy (10^6Rad): FEP(聚全氟乙丙烯), Kapton(聚酰亞胺), HFI 120
10^5Gy (10^7Rad): HFS 80, HFS 107 XL, MPR 105, TPS 100
>10^5Gy (>10^7Rad):HFI 90, HFI 140, HFR 150, ETFE, LSI 155
10^6Gy (10^8Rad): HFS 100, TPU 90
>10^6Gy (>10^8Rad): HFI 150, HFS 105 XL B
>10^7Gy (>10^9Rad):HFI 260
>10^11Gy (>10^13Rad): SiO2 Cable(二氧化硅絕緣).
這些輻射耐受性值僅在使用時提供參考。在選定材料前應(yīng)該考慮材料使用的環(huán)境。因為在總的劑量指標外還會有很多因素影響材料的選擇。比如：計量等級、氧存在、濕度、表面面積、溫度。
乙丙橡皮絕緣(EPR)電纜的輻射老化,熱老化和ＬＯＣＡ測試結(jié)果
乙丙橡膠絕緣電纜的全稱是交聯(lián)乙烯—丙烯橡膠絕緣電纜。它的工作溫度范圍:-50℃至+150℃,短路熱穩(wěn)定允許溫度為250℃,是國內(nèi)外核電站電纜使用最多的一種絕緣材料,正是因為是核電站關(guān)鍵電纜,特別是核島內(nèi)電纜的安全重要性,所以世界各地對該材料的電纜都進行了很多的測試和研究,下面的文章是美國核管會(NRC)在2000年和2002年對這個電纜的一個測試報告和公告,以提醒核電站從業(yè)者關(guān)注乙丙橡膠絕緣電纜的安全性問題,以防出現(xiàn)重大質(zhì)量安全問題。
OKONITE公司的單導(dǎo)體控制電纜的潛在質(zhì)量隱患（于
BROOKHAVEN國家實驗室（BNL）在美國核管會NRC的合同授權(quán)下對核電站的電器做環(huán)境資格評估時，低壓儀表控制電纜的評估也是該合同的一部分。
在1999年后期，在WYLE實驗室進行了這些電纜的LOCA（冷卻劑泄露意外）測試，電纜樣品是乙丙橡膠絕緣，氯磺化聚乙烯粘合護套的儀表控制電纜，取自幾個不同的生產(chǎn)商，包括OKONITE公司的12AWG電纜，測試先進行熱加速老化，然后是輻射老化，最后是暴露在模擬LOCA情況的測試，熱加速老化和輻射老化的參數(shù)取決于各個供應(yīng)商的EQ測試報告。OKONITE公司的樣品測試參數(shù)分20年和40年壽命兩個不同的情況，對于40年壽命的老化參數(shù)是： 150 °C下504小時，然后是輻射老化：在6.5 kGy/hr (0.65 Mrad/hr)的輻射劑量速度下總共500 kGy (50 Mrads)的GAMMA輻射。
模擬的LOCA測試是在7.5kGy/hr (0.75 Mrad/hr)的輻射劑量速度下總共1500 kGy (150 Mrads)的GAMMA輻射，接著是雙峰蒸汽暴露，基于IEEE-323-1974標準，峰值蒸汽溫度是 174 °C (346 °F)，蒸氣壓強是779.1 kPa (113 psig)，在測試容器的壓強下降到220.6 kPa (32 psig)時噴灑硼酸基化學(xué)噴霧，并延續(xù)24小時，蒸汽暴露的延續(xù)時間是10天。經(jīng)過上面測試的電纜樣品再做浸水耐壓測試，測試電壓2400V AC (等于 80 v/mil AC)，與IEEE-323-1974標準一致。
OKONITE公司的全部3根40年老化實驗樣品和2根中的1根20年老化樣品在LOCA實驗前的反復(fù)老化實驗就已經(jīng)失效，LOCA實驗前就出現(xiàn)了環(huán)型裂紋，在LOCA實驗后出現(xiàn)縱向裂紋。
后來在2002年，OKONITE公司做了有效的改進并成功通過測試。但從跟進報告可以看出，后來的測試參數(shù)已經(jīng)下降了，原來在1999年的測試基準是：150 °C下504小時＋200 Mrads,在這種情況下是測試不通過的。而后來則改為:150 °C下225小時＋200 Mrads和150 °C下300小時＋200 Mrads,當然就容易通過測試了。雖然這個事情就這樣結(jié)束,但也看得出來,實在有些勉強! 因為通過降低測試標準來通過測試,那該電纜的質(zhì)量隱患也是一樣存在的。
通過上面的事例，我們應(yīng)該高度重視在核電站，特別是核島反應(yīng)堆里面電纜的質(zhì)量問題，以100%確保在整個壽命期（包括延壽期），電纜都不能有任何的性能上的下降和將就。
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