核电站用电缆分类及试验

核电站用1E级电缆按核电站电气系统设备的安全类别分为三类：K1、K2、K3。安全类别K1、K2、K3类有如下定义：

K1类电动执行机构。安装在核反应堆安全壳以内，在正常环境条件下和在SL2（安全停堆地震）载荷以下及在事故期间或事故之后仍能执行其规定的功能。

K2类电动执行机构。安装在核反应堆安全壳以内，在正常环境条件下和在SL2（安全停堆地震）载荷下仍能执行其规定的功能。

K3类电动执行机构。安装在核反应堆安全壳以外，在正常环境条件下和在SL2（安全停堆地震）载荷下仍能执行其规定的功能。

三类电缆的运行环境差别很大，其中K1类的运行环境最恶劣，对电缆的性能要求也最为苛刻，必须通过模拟冷却剂跑失事故（LOCA）试验才可以投入运行。根据电缆的实际运行环境，核电站发生LOCA时，安全壳（ContainmentVessel）内外的电缆都将会受到严峻考验。有人认为，安装在核反应堆厂房内的电缆都应进行模拟LOCA试验；其次，只有能够生产1E级K1类电缆，才能够证明该电缆厂家完全具备了生产核级电缆的能力，电缆的结构设计和性能指标的制定最好根据反应堆厂房和核辅助厂房两个运行环境的具体条件进行确定。

1、试验内容

（1）电缆基本性能的型式试验；

（2）电缆应能通过IEEE383规定的成束电缆垂直燃烧试验；

（3）烟浓度试验；

（4）成品电缆护套材料燃烧时释放气体的试验；

（5）电力电缆电老化试验；

（6）绝缘和护套材料的长期耐热性评定试验；

（7）等效50年运行的热老化模拟试验；

（8）等效50年运行的放射线照射老化模拟试验；

（9）模拟抗震试验；

（10）等效50年运行LOCA时的放射线照射试验、模拟LOCA试验（高温、高压的水蒸汽）；

（11）性能检查试验。

其中，(1)~(3)为型式试验，(7)~(10)为环境模拟试验，(8)和(10)两项试验都是经过第7项试验后进行的。性能检查试验包括电压试验、燃烧试验、绝缘和护套的抗拉强度、断裂伸长率的测量等。对运行环境的具体条件进行确定。

2、试验方法

a.电力电缆5000h电老化试验

电力电缆应通过5000h的电老化试验，试验按lEC60502规定进行测试。试验条件为:

（1）电缆试样的长度：不小于30m；

（2）施加电压：相与相之间施加电压2（μ为电缆导体间的额定工频电压）；

（3）施加电流：电流通过电缆，要使导体温度达到95~100℃；

（4）一个循环的持续时间：8h加热，然后16h冷却；

（5）试验持续时间不少于5000h（即209个温度循环)。

试验结果：试验期间电缆应不击穿。

试验电压和试验时间是依据电缆绝缘的寿命指数n来确定的，并留有一定的安全裕度，电老化寿命方程式为：Unt=C[(1)式中，U为电缆上施加的电压；n为寿命指数；t为电击穿时间；C为常数(与结构等有关)]。

若采用的交联聚乙烯的寿命指数n≥9，核电站要求电缆使用寿命为50年，可利用式(1)来推算电压与时间的关系。例如：工作电压U=10kV，则要求工作时间t=348000h(50年)；试验电压=20kV，则要求试验时间=5000h。

将上述参数代入式（1）可得：

求解可得n=6.45，小于9，说明该试验方法有安全裕度。

b.绝缘和护套材料的长期耐热性评定试验

根据IEC60216标准和IEEE383-74标准推荐用于非金属材料加速老化规律的数学模型为阿伦纽斯(Arrhenius)经验推算公式:Inτ=ab/T（2）中，τ为产品在温度T条件下工作的寿命(h)；T为工作温度(K)；a，b为待定系数。

式（2）己应用了几十年，很多情况下验证有效。在设定的工作温度下，通过试验和推导，可计算出待定系数a和b，然后利用式(2)可算出寿命τ，若τ的数值大于期望值，也就满足了设计寿命要求。

（1）试验温度和时间的确定。常规老化试验为135℃,168h，因此可确定135℃为最低试验温度。试验方案参考IEC60216"确定热老化试验程序和!评定试验结果的一般规程”和IEEE383标准。寿命评定试验温度的每个级差取15℃，共有4个试验温度点，最高试验温度为180℃。试验时间延续到5000h左右。

（2）寿命终止参数的选择。绝缘材料热老化过程中有两个特征参数，即抗张强度和断裂伸长率，在本试验过程中，断裂伸长率的下降速率比抗张强度快，故取断裂伸长率作为寿命评定参数。按电缆敷设弯曲半径计算，绝缘实际伸长率不超过10％。测得试样原始断裂伸长率为160％,假设取断裂伸长率保留率50%作为寿命终止点，此时断裂伸长率仍有80％，对运行中电缆有足够的安全系数。

（3）数据处理及寿命推算。按IEC60216-1则及相关数学原理处理，先应用作图法，根据假设的寿命终止点绘出Arrhenius曲线图。同时计算出待定系数a，b,确定试验材料的温度与寿命关系式，当90℃时计算寿命值不小于50年时，材料即判定为具有50年合格寿命。

c.等效50年运行的热老化模拟试验

根据IEEE383-74标准，成品电缆样品的热老化模拟试验使用Arrhenius技术制定的数据，在一定温度和时间内将电缆放置在空气循环烘箱内来进行模拟试验。

绝缘和护套材料热特性数据应建立在热寿命评定结果的基础上。将己确立的材料具有50年使用寿命的Arrhenius曲线图和温度与寿命关系式，作为确定成品电缆样品运行老化模拟试验数据的依据。

已经确立的Arrhenius曲线图和温度与寿命关系式，是在材料的断裂伸长率保留率为50%时的假定寿命终止点，成品电缆样品等效50年运行热老化模拟试验应选择在90℃时，假定寿命终止前的一个点。在Arrhenius曲线图中，根据式(2)

和己知的斜率，建立新的曲线和温度与时间关系式来选择模拟试验的温度和时间。

d.等效50年运行的放射线照射老化模拟试验