核电站用1E级电缆的特性及设计

能源危机是世界性问题，核能源开发是解决能源危机的重要途径，世界各国都在大力发展核电建设。目前，法国核电总量已占总发电量的70%，美国占20％；日本占34％；韩国占40％；俄罗斯占17％。我国的核电容量仅占2％，积极推进核电建设并实现国产化，是我国国民经济建设的一项重要内容。按照电力发展规划，2020年我国核电装机容量将占装机总发量的4%，这与目前国际平均核电装机水平（发电量16%）相距甚远，想要到2050年达到发达国家的平均核电装机水平，将有大量核电工程项目等待建设。

核电虽是一种经济清洁的能源，但过去的核电事故曾留给人们深刻的教训，核电站安全问题便尤为重要，世界各国都对核电站采取了严格的安全措施。作为核电?quot;血管\"和\"神经\"的电缆线路系统，也是安全的关键要素，电缆线路系统在核电站的正常运行及安全停堆方面起着非常重要的作用。本文就目前核电站用电缆的分类、性能、试验和我公司核电站电缆特点作一阐述，以起抛砖引玉之效核电站电缆的分类

核电站电缆主要应用于核反应堆厂房、核辅助厂房、汽轮机厂房，电缆敷设方式一般采用管道或线槽，要求电缆具有可靠的使用寿命、热稳定性、防潮性、化学稳定性和抗辐射性。为保证系统设计的高可靠性，避免设备损坏导致的严重经济后果，通常采用重复的多路独立线路系统和装置，通常动力电缆采用两套独立线路系统，控制电缆采用三套独立线路系统。 核电站电缆按用途来分主要是两大类，一是电力电缆，主要包含：用于13.8kV系统的15kV中压电缆；用于4.16kV系统的5kV电力电缆；用于480V、250V和208V系统的0.6/1kV电力电缆。二是控制与仪表电缆，对于直流200V以下的控制系统采用300V的控制电缆；直流200-400V的控制系统采用600V的控制电缆。电力电缆主要用于电机、照明和其它用电设备（测控仪表、阀门、盘、空调等）；控制仪表电缆不仅用于仪表控制装置的供电、信号监控、联锁，还用于通信系统、安全监控、维护系统、报警系统等。 另一种是根据国际标准ANSI/IEEE383《核电站用1E电缆、现场接头和连接型式试验》和RCC-E《核岛电气设备设计和建造规则》来分类的。其中1E级是指完成反应堆紧急停堆、安全壳隔离、堆芯应急冷却、反应堆余热导出、反应堆安全壳的热导出、防止放射性物质向周围环境排放等功能的电气系统设备的安全级。1E级核电站电缆按照使用环境及质量鉴定要求可分为K1、K2、K3三类。1E级K3类电缆敷设于安全壳外在正常情况及地震荷载下能执行其功能的电气系统设备；而1E级K1类电缆敷设于安全壳内在正常情况及地震荷载下能执行其功能的电气系统设备，性能要求较高。

据中国核工业集团公司统计，K1类电缆的建设成本占到1E级全部电缆的50%以上，目前全部依赖进口，这些进口电缆产品的附加值高、进口成本大。我国建造第一座核电站时，电缆几乎全部进口，目前1E级K3类电缆已经完全国产化，而自主研发生产1E级K1类电缆便成是核电建设国产化的首要任务。 核电站电缆的性能要求

核电站对电缆的使用环境、安全等级和工作条件有非常苛刻的要求，因而对电缆的性能要求也较高，除了常规的电气机械性能外，还有如下技术指标要求。 1、燃烧性能

按照IEC61034规定的烟密度试验方法，电缆燃烧时的透光率应不小于60%；按照IEC754-2规定的测定燃烧气体水溶液的PH值和电导率的试验方法，电缆燃烧后溶液的pH值不小于4.3；电导率不大于10μS/mm。 另外，K3类电缆需通过GB/T18380.3规定的B类阻燃试验；K1类电缆应通过GB/T18380.3规定的A类阻燃试验。并且，电缆绝缘线芯需通过GB/T18380.1规定的单根垂直燃烧试验。 2、使用寿命

重水堆核电站的设计寿命一般为40年，电缆的使用寿命至少应为40年，电缆通常采用IEC60216和IEEE383标准规定的热寿命评定试验；在Q/TNGT02上海市企业标准符录E中，还规定了加速电老化寿命评定试验。 3、耐环境性

1）耐热性。要求处于最高环境温度和自身发热的情况下保持正常运行的要求，核电站电缆要求的导体最低工作温度都是90℃，因此电缆需具有长期耐热使用特性。

2）耐辐射性。核电站运行期间，电缆会受到持续的10rad/h的辐射剂量，40年内累积剂量约4×106rad，在事故状态下，辐射剂量可达70×106rad。而K1类电缆还应通过IEEE383标准规定的LOCA试验。 3）耐湿性。在事故状态下发生消防喷淋，而且万一发生冷却剂流失事故，电缆将在高温高压中工作，这就要求电缆能在100％的相对湿度和蒸汽中正常工作。

4）化学稳定性。电缆能耐受油、酸碱、臭氧等化学环境；其中相容性试验符合Q/TNGT02上海市企业标准附录F的规定。 4、低毒性

毒性指数值是指100g材料在1m3体积中充分燃烧时产生的各种气体浓度、与暴露在相应该气体中3min致人死命浓度的比值的总和。根据英国军用标准NES713的毒性指数测量方法，要求测得的值不大于2.5。 核电站电缆的设计

根据核电站电缆的性能要求和相关标准，亚龙工业集团对1E级核电站岛内用电缆进行科技查新，并申报了两项专利，制定了企业标准、并评审备案。产品结构设计、材料选型和制造工艺均与传统核电站电缆相比有较好的改进。核电站电缆的型号名称见表1。 表1 1E级核电站电缆的型号名称

型 号 YJY K3 YJY23 K3 YJYJ K1 YJYJ23 K1 KYJY K3 KYJY23 K3 KYJYJ K1 KYJYJ23 K1 1、结构设计

名 称 铜芯交联聚乙烯绝缘无卤低烟聚烯烃护套核电站用1E级K3类电力电缆 铜芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装无卤低烟聚烯烃护套核电站用1E级K3类电力电缆 铜芯交联聚乙烯绝缘无卤低烟阻燃热固型护套核电站用1E级K1类电力电缆 铜芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装无卤低烟阻燃热固型护套核电站用1E级K1类电力电缆 铜芯交联聚乙烯绝缘无卤低烟聚烯烃护套核电站用1E级K3类控制信号电缆 铜芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装无卤低烟聚烯烃护套核电站用1E级K3类控制信号电缆 铜芯交联聚乙烯绝缘无卤低烟阻燃热固型护套核电站用1E级K1类控制信号电缆 铜芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装无卤低烟阻燃热固型护套核电站用1E级K1类控制信号电缆 1E级核电站用电缆的结构设计根据产品类别的不同而异。其中，中压电力都有总屏蔽，以便安装时对屏蔽或铠装接地，控制信号电缆则采用双绞、屏蔽和引流线来防止电磁干扰。电力电缆可以是单芯电缆、二芯电缆、三芯电缆、四芯电缆或五芯电缆，图1和图 2是三芯低压电力电缆的结构示意图。

1-导体 2-内绝缘层 3-外绝缘层 4-填充 5-包带 6-外护套

图1 圆形三芯低压力缆结构示意图 图2扇形三芯低压力缆结构示意图

2、材料选型

相应地，各制造工序对原材料的选型要求分别如下。

1）导体采用无氧铜丝，符合GB/T3956标准中规定的第2类导体结构要求； 2）内绝缘层采用高电气性能和机械物理性能的无卤低烟交联绝缘料；

3）外绝缘层采用无卤低烟阻燃耐辐射聚烯烃绝缘料，保证绝缘线芯的阻燃性和耐辐射性； 4）填充采用无碱玻璃丝绳填充料，保证产品的高阻燃性和圆整性； 5）包带采用高阻燃包带，起到扎紧和阻燃性能；

6）外护套采用无卤低烟阻燃耐辐射辐照交联热固性聚烯烃护套料。 3、主要技术指标

1）一般特性指标符合企业标准Q/TNGT02规定；

2）电缆使用寿命60年（试验方法符合IEEE101标准要求，高于该标准40年的要求）；辐照剂量、模拟 LOCA-HELB性能、电性能符合IEEE 383标准要求；

3）阻燃性能指标分别符合GB/T18380.1及GB/T18380.3规定的单根垂直燃烧试验和成束燃烧试验要求。

经过本设计制造的核电站电缆具有如下产品优点。

1) 电缆具有较好的耐辐射性能，能承受整个使用期应受到的辐照加上LOCA时的辐照量，能承受规定的耐压试验，完全满足核电站核岛内K1类电缆要求。

2) 电缆使用寿命长，不低于60 年，高于国际上通用的40年标准要求。

3) 所有电缆尤其是中压电力电缆均符合成束燃烧试验阻燃A类的要求，绝缘线芯符合单根阻燃试验要求。 4) 电缆具有较好的抗震性能和弯曲性能。

目前国内电缆行业已经或正在开发的1E级电缆，其性能设计是模拟核电站正常运行和假想事故时的环境要求进行设计的，其在核电站里各种使用情况，尤其是它的安全性和可靠性，有待进一步验证。电缆制造商严格的材料选型、苛刻的试验方法、高端的加工工艺将进一步提高产品的安全等级与性能。