核电站用1E级电缆热老化寿命研究_任虹光_沈智飞_刘浩_宋强_刘文静

effectiveness of the aging life equation，researched cable core temperature distribution，calculated cable core tempera-
ture under different load，decided the residual life of the cable combined with the cable aging life equation． This arti-
均气温一般在 10 ～ 30 ℃ 之间。因此本文计算载流
量时的环境温度设定为 30 ℃ ，同时按照时温等效原
理计算 热 寿 命 评 估 时 的 等 效 环 境 温 度，如 式 （ 7 ） 所示［8］。
Tp
=
b
ln［Σ
m k=
1
p（
Tk）
exp（
a
+
Tbk）
］－
a
（ 7）
我国目前在建及已投运的核电站中纬度最低的
ＲEN Hong-guang1 ，SHEN Zhi-fei1 ，LIU Hao2 ，SONG Qiang1 ，LIU Wen-jing3
（ 1． Sichuan Star Cable Co．，Ltd．，Leshan 614001，China； 2． Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China；
current-carrying capacity； load factor； aging life assessment
0引言
核电站用 1E 级电缆是核电厂的重要设备之 一 ，承 担 着 核 电 系 统 的 能 量 传 输 和 信 号 控 制 ，对 核 电厂安全运行意义重大。所以有必要对核电站用 电缆进行寿 命 评 估，一 方 面 避 免 电 缆 超 过 安 全 寿 命运行造成的安全隐患； 另一方面通过老化管理 延 缓 电 缆 老 化 ，增 加 电 缆 使 用 寿 命 ，提 高 核 电 站 经 济效益。
目前，国内外技术人员对电缆的热老化机理和 寿命预测研究较多［1-3］，但是现有各类模型没有考虑 电缆在实际运行情况下的导体温度变化对老化寿命 的影响，而导体温度的变化受外界环境变化和负载 变化影响。
本文以一种典型的核电站用 1E 级 K3 类电力 电缆为研究对象，对绝缘材料做加速热老化实验确 定热老化寿命方程； 通过统计方法确定等效环境温 度，根据电缆结构尺寸和敷设情况计算出额定载流
2016 年第 2 期 No． 2 2016
电线电缆 Electric Wire ＆ Cable
2016 年 4 月 Apr．，2016
选取某公司生产的第三代核电站用 1E 级 K3 的哑铃形。
类电缆的乙丙橡胶绝缘料，根据 GB / T 11026. 1 和
主要实验设备有： 空气老化箱 ＲL100，常熟市环
断裂伸长保留
率 K2 / %
老化温度 T /℃
92
82
67 165
45
14
6
94
86
78
69
57 135
37
12
－
－
100
老化时间 t /h
96 168 336 504 840 1176 840 1176 1680 2184 2856 3696 4704 6048 7056 7896
断裂伸长率 P/% 470 420 350 290 90 30 470 460 440 410 380 340 300 280 230 190
中图分类号： TM246. 9
文献标识码： A
文章编号： 1672-6901（ 2016） 02-0022-05
DOI:10.16105/j.cnki.dxdl.2016.02.007
Ｒesearch for Thermal Aging Life of Nuclear Power Plant Class 1 Cables
表 1 不同老化温度下老化时间与断裂伸长率的关系
老化温度 T /℃ 老化时间 t /h
24
48
96 180
168
240
336
336
504
840
1176
150
1680
2184
2856
－
－
老化前
断裂伸长率 P/% 470 420 340 220 70 30 480 440 400 350 290 190 60 － － 510
IEC 60216 关于老化试验的相关规定进行加速老化 境试验设备有限公司生产； 电子万能试验机 ＲGM －
实验，分别选取 135 ℃ 、150 ℃ 、165 ℃ 、180 ℃ 等四 3050，深圳瑞格尔仪器有限公司生产。实验结果如
个老化温度水平； 试样形状采用 GB / T 528 所规定 表 1 所示。
一定误差。本文采用数据拟合法，精确拟合出不同老
化温度下断裂伸长保留率 K2 与老化时间 t 的函数关 系，然后通过插值法得到 K2 = 50% 时的老化寿命终 值 τ。
根据文献［1 ］，综 合 考 虑 几 种 不 同 高 分 子 聚 合
物的动力学经验表达式，断裂伸长保留率 K2 与老化
时间 t 的关系如式（ 4） 所示。
（ 3）
式中： τ 为试样老化特征参数到达设定失效性能值
时的寿命（ h） ； T 为老化环境的热力学温度（ K） ； A
为由材料确定的常数； Ea 为材料活化能（ kJ / mol） ； Ｒ 为气体 常 数，取 8. 314 J / （ mol·K） ； a、b 为 对 应 式
（ 2） 的相关系数。
0. 999 0. 999 0. 997 0. 992
寿命终值 τ /h 154 600 1844 6280
图 2 lnτ-1 / T 关系图
由式（ 6） 可得，当电缆导体温度达到长期允许 的 90 ℃ 时，乙丙绝缘材料的热老化寿命为 78. 3 年， 即电缆的热老化寿命为 78. 3 年。
2 额定运行情况下电缆载流量计算
收稿日期： 2015-07-09 作者简介： 任虹光（ 1988 － ） ，男，硕士，工程师． 作者地址： 四川乐山市中区迎宾大道 18 号［610041］．
量； 根据稳态热路方程计算出不同负载因数下的电 缆导体温度，将计算出的温度分别代入热老化寿命 方程，确定不同负载因数下电缆的热老化寿命。本 文研究的结果可以为核电站用电缆剩余寿命预测和 老化管理提供重要参考。
加速老化实验的结果和拟合曲线如图 1 所示，
根据式（ 5） 拟合的函数关系如表 2 所示。
图 1 断裂伸长保留率 K2 与老化时间 t 的关系图
1. 3 绝缘材料热老化寿命方程的确定
根据式（ 3） ，老化寿命终值 τ 的对数 lnτ 与老化
温度 T 的倒数呈线性关系，通常采用最小二乘法来
计算系数 a、b，但较为复杂。本文采用线性拟合法，
精确拟合出老化温度 T 与老化寿命终值 τ 的函数关
系如图 2 所示。
由图 2 可得乙丙绝缘材料的热寿命方程：
lnτ = － 28. 143 + 15079 / T
（ 6）
·23·
2016 年第 2 期 No． 2 2016
电线电缆 Electric Wire ＆ Cable
2016 年 4 月 Apr．，2016
环境温度是热寿命预测中的难点。
我国核电站主要建设在中低纬度的海边，受海
洋性气候影响，具有如下特点： （ 1） 昼夜温差小，一
般小于 5 ℃ ； （ 2） 每月的日平均气温比较稳定； （ 3）
无明显四 季 变 化，但 受 季 风 影 响 具 有 雨 季 和 干 季；
（ 4） 不同月份之间的温度变化幅度小于内陆，月平
cle had a reality guiding sense on cable aging management of nuclear power plant under different aging conditions．
Key words： nuclear power plant class 1 cables； thermal aging experiments； equivalent ambient temperature； rated
K2 = C1 exp（ C2 tC3 ）
（ 4）
式（ 4） 虽然能够揭示实验数据具备的理论规
律，然而不便于对实验数据进行数学处理，因此本文
采用三次 回 归 方 程 对 数 据 进 行 多 项 式 拟 合，如 式
（ 5） 所示。
K2 = C1 t3 + C2 t2 + C3 t + C4
（ 5）
式（ 4） 、式（ 5） 中，C1 、C2 、C3 、C4 为常数。
2016 年第 2 期 No． 2 2016
电线电缆 Electric Wire ＆ Cable
2016 年 4 月 Apr．，2016
核电站用 1E 级电缆热老化寿命研究
任虹光1， 沈智飞1， 刘 浩2， 宋 强1， 刘文静3
（ 1． 四川明星电缆股份有限公司，四川 乐山 614001； 2． 西安交通大学电气工程学院，陕西 西安 710049； 3． 中国核动力研究设计院，四川 成都 610041）
2. 1 电缆结构尺寸
以采用乙丙绝缘材料的第三代核电站用 1E 级 K3 类中压电力电缆为例，电缆型号为 HDEE-K3-6 /
10kV-3 × 50，结构尺寸如表 3 所示。
来自百度文库
表 3 HDEE-K3-6 /10kV-3 × 50 结构尺寸
结构名称 导体
导体屏蔽 绝缘
绝缘屏蔽 金属屏蔽
成缆 隔氧层 外护套
1 绝缘材料热老化寿命方程的确定
1. 1 绝缘材料加速热老化实验
以绝缘材料的热老化寿命来表征整根电缆的热
老化寿命，选用阿累尼乌斯热老化寿命方程作为评
估模型，方程如式（ 1） 所示。
τ
=
Ae －
Ea ＲT
（ 1）
对式（ 1） 两边取自然对数得：
lnτ = lnA － Ea /ＲT
（ 2）
整理得：
lnτ = a + b /T
是海南昌江核电站，因此本文搜集了海南岛 1979 ～ 2008 年 30 年间月平均气温的统计数据［9］，如表 4
3． Nuclear Power Institute of China，Chengdu 610041，China）
Abstract： This article made a thermal aging experiments of insulating material to evaluate residual life，discussed the
断裂伸长保留 率 K2 / % 92 82 69 57 18 6 92 90 86 81 75 66 58 55 45 38
1. 2 不同老化温度下热老化寿命终值的确定
根据相关标准，取断裂伸长保留率 K2 = 50% 时 的老化时间 t 作为该老化温度 T 下的热老化寿命评
定终值 τ，通常采用作图法来确定老化终值，但存在
老化温度 T /℃ 180 165 150 135
表 2 不同老化温度下的 K2 与老化时间 t 的拟合方程
拟合方程
相关系数 Ｒ2
K2 = － 5. 73 × 10 － 6 t3 + 1. 98 × 10 － 3 t2 － 0. 511t + 103. 18 K2 = － 2. 36 × 10 － 7 t3 + 2. 96 × 10 － 4 t2 － 0. 188t + 107. 14 K2 = － 1. 97 × 10 － 9 t3 + 6. 13 × 10 － 6 t2 － 0. 0335t + 103. 28 K2 = － 7. 60 × 10 － 11 t3 + 1. 23 × 10 － 6 t2 － 0. 0133t + 103. 83
厚度 / mm －
0. 7 3. 4 0. 7 0. 1
－ 2 2. 4
外径 / mm 8. 3 9. 7 16. 5 17. 9 18. 2 39. 2 43. 2 48
2. 2 等效环境温度的计算方法
核电站用电缆周围环境的温度跟气候、周围介
质散热、环境热源分布等因素有关，在阿累尼乌斯方
程中，寿命和温度呈非线性关系，所以准确求解等效
摘要： 对绝缘材料做热老化实验确定热寿命方程，通过统计的方法确定等效环境温度，计算出额定载流量，进
一步计算出不同负载因数下的电缆导体温度，将不同的导体温度分别带入热老化寿命方程确定电缆的热老
化寿命，从而计算出不同负载因数下的电缆热老化寿命，对核电站实际运行情况下的电缆老化管理具有现实
指导意义。
关键词： 核电站用 1E 级电缆； 热老化实验； 等效环境温度； 额定载流量； 负载因数； 热老化寿命评估