戴永拓 佘榮 董鉑 汪盛昌 曹玉呈 徐勇

摘要：采用熱老化試驗方法，對絕緣材料進行熱老化試驗，確定其等效環(huán)境溫度，并進一步計算不同負(fù)荷因數(shù)下的電纜導(dǎo)體溫度，以確定電纜的熱老化壽命，通過計算不同負(fù)荷系數(shù)下的電纜熱老化壽命，給出了一系列的關(guān)于核電站用1E級電纜壽命的預(yù)估值，對核電站實際運行情況下的電纜老化管理具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：核電站用1E級電纜;等效環(huán)境溫度;熱老化壽命評估;額定載流量;負(fù)載因數(shù)

前言

1E類電纜在對于核電站的安全運行來說是至關(guān)重要的，這類電纜在承擔(dān)著核電站的能量傳遞功能的同時，也作為控制信號傳輸?shù)闹匾橘|(zhì)，是核電站的重要設(shè)備之一。對電纜進行有效精確的壽命評估，可以有效避免電纜超過壽命，帶病運行所帶來的安全隱患;同時還可以設(shè)計由針對性的措施來延長其使用壽命，提高電廠經(jīng)濟效益。因此，對核電站電纜進行壽命評估是非常必要的。1E級別電纜的熱老化機理和壽命預(yù)測是一個核電領(lǐng)域研究的熱點，近年來越來越多的受到關(guān)注，相關(guān)的研究論文不斷涌現(xiàn)。但現(xiàn)有的導(dǎo)體溫度模型對于導(dǎo)體溫度的實際變化這一參數(shù)的考慮還不盡完善，很多研究中都忽略了對于這一參數(shù)的研究，使得研究得出的理論值與實際測量值之間存在一定的偏差。

本文以1E類電纜為研究對象，對絕緣材料進行加速熱老化試驗，通過這種方式可以有效的縮短試驗時間，同時還能取得相對較為精確的試驗結(jié)果，最終得到熱老化壽命方程;用于分析1E級別電纜的壽命。對1E級別電纜在核電廠中應(yīng)用過程的壽命估算有一定的參考價值。

1.測試部分

1.1測試原理

1E類電纜的絕緣材料以聚合物材料為主。高分子材料在老化過程中，分子鏈會逐漸發(fā)生斷裂，從而引起分子量、晶粒尺寸的變化。隨著老化程度的不斷加深，高分子材料的相對分子質(zhì)量會在同一個數(shù)量級內(nèi)不斷的下降，但是一般不會下降到下一個數(shù)量級?？梢娤鄬Ψ肿淤|(zhì)量對老化程度的表述是不夠明顯的，將分子質(zhì)量用于分析1E級別電纜的老化程度是存在較大問題的，很難得到有效的數(shù)據(jù)。時效過程中晶粒尺寸變小，水枝生長速度較慢，水枝長度較短。因此，通過計算結(jié)晶度和晶粒尺寸來而分析1E級別電纜老化程度成為了一個可行的方向。

1.2測試儀器和設(shè)備

使用飛利浦多晶X射線衍射儀。測試條件為Cu靶Kα線，石墨曲面晶體單色儀，掃描速度0.15°/s，掃描范圍2θ=5°～40°，管電壓40kV，管電流35mA。

1.3樣品制備

將樣品直接從交聯(lián)聚乙烯絕緣芯上切下，分別放入室溫和200℃的老化箱中，經(jīng)過120h、240h、480h后取出，得到不同老化程度的樣品，用于后續(xù)測試。

2.測試結(jié)果與分析

圖1顯示了老化前后XLPE的X射線衍射圖。通過分析可以得出XLPE具有A、B、C、D等許多晶面。

C晶面和D晶面的衍射峰較小，其計算結(jié)果對于實際老化程度的判定影響不大，因此在實際測試計算過程中一般可以忽略不計。A晶面在經(jīng)過老化以后以及未老化之前幾乎沒有變化，而B晶面在經(jīng)過老化以后以及未老化之前變化顯著。A晶面的衍射峰強度對結(jié)晶度重要程度要明顯的大于B、C、D等晶面，可以看出結(jié)晶度的變化在老化之前與老化之后對比并不明顯，不推薦作為評價電纜老化的特征參數(shù)。對于A晶面，F(xiàn)WHM基本不變，晶粒尺寸基本一致。對于B晶面，F(xiàn)WHM變化量很小，可以得出晶粒尺寸的變化很小，不足以對于1E級別電纜的性能造成很大的影響。由此可以分析出衍射峰的半高寬與晶粒尺寸成反比?？梢?，晶粒尺寸不能作為評價時效的特征參數(shù)。觀察老化之前以及老化之后的B晶面的衍射峰強度，明顯相對強度從2650降低到2380，相對強度相差約270。可以看出，時效過程對B晶面的衍射峰強度有很大影響。因此，可以通過跟蹤XLPE-B晶面衍射峰強度的變化來評估1E級別電纜的老化情況。

3.等效環(huán)境溫度計算方法

核電站所用電纜的周圍環(huán)境溫度與氣候、環(huán)境熱源分布等因素有關(guān)。通過相關(guān)研究可以得知壽命與溫度呈非線性關(guān)系，因此1E級別電纜壽命預(yù)測的重點工作可以被定義為等效環(huán)境溫度的準(zhǔn)確求解。

我國核電站主要建在中低緯度的海邊。受海洋性氣候影響，具有以下特點：（1）晝夜溫差相對比較小，一般小于10℃;（2）月日平均氣溫差值不大，標(biāo)準(zhǔn)差與方差相對較小;（3） 季節(jié)變換不明顯，一般都可以分為有雨季和旱季;（4）月間氣溫變化幅度比內(nèi)陸小，整體溫度變化趨勢不大。因此，本文將計算載流量時的環(huán)境溫度設(shè)為28℃，根據(jù)時間-溫度等效原理計算熱壽命評價中的等效環(huán)境溫度。

通過熱老化實驗可以確定熱壽命方程中的相關(guān)系數(shù)，通過基于我國實際情況的分析與考慮，為了計算方便，本文中p（T）=1/12，求出等效環(huán)境溫度：T，=230.14K-26.14℃

4.實際環(huán)境下電纜熱老化壽命的評價

4.1不同負(fù)載系數(shù)下的導(dǎo)體溫度計算

我國的核電站一般建在沿海地區(qū)，在核電站選址階段對于環(huán)境溫度均進行過考量，因此核電站室內(nèi)溫度變化基本可以忽略不計，等效環(huán)境溫度可以認(rèn)為0，在熱穩(wěn)態(tài)的情況下，若環(huán)境溫度為0。1E級電纜的工作電流為l，導(dǎo)體溫度為0即可。

其中：對于給定敷設(shè)情況的特定電纜，很難直接求解函數(shù)關(guān)系。一般可以采用迭代法來取得一個近似的借來替代最終函數(shù)關(guān)系，即計算給定導(dǎo)體溫度下的工作電流I，將I與實際工作中測量得到的電流l進行比較，若兩者相等，可以認(rèn)為此時假設(shè)的導(dǎo)體溫度為所需要求解的值，通過多次迭代計算來提高整體解值的精確程度。

4.2不同載荷因子下的熱老化壽命評價

可以通過負(fù)載系數(shù)N來描述1E基本電纜的工作狀態(tài)。通過計算出不同負(fù)載系數(shù)下的電纜溫度，將溫度代入熱老化壽命方程，可得不同負(fù)載系數(shù)下的熱老化壽命r。

對于熱老化壽命進行分析可以得出： （1）負(fù)載系數(shù)N的增加，熱老化壽命將以一個非?？斓乃俣认陆?，這是由于負(fù)載升高導(dǎo)致1E級別電纜溫度快速提升導(dǎo)致的。尤其是當(dāng)1E基本電纜過載時，熱老化壽命縮減的十分迅速;（2）負(fù)載系數(shù)為105%時，1E級別電纜的熱老化壽命為根據(jù)計算公式得出為61.35年，剛好能夠滿足核電站60年的設(shè)計使用壽命，再增加負(fù)載系數(shù)N的值將使得1E級別電纜的熱老化壽命小于核電站60年的設(shè)計使用壽命。

5.結(jié)論與展望

根據(jù)測試結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

5.1 1E級別電纜交聯(lián)聚乙烯的分子量以及晶粒度對于電纜老化程度的描述效果較差，不能作為描述1E級別電纜老化程度的依據(jù)。

5.2采用X射線衍射法，通過跟蹤XLPEB晶面衍射峰強度的變化，可以評價交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的老化情況。

參考文獻

[1]毋琦，毛從吉.核電廠安全級（1E）電纜鑒定審查過程中相關(guān)問題的探討[J].電線電纜，2011，000（006）：1-5.

[2]張圣博，游洲，李勇軍，等.核電廠1E級電纜老化監(jiān)測研究[J].機械，2017，44（005）：23-25.