核级电缆,种类、数量繁多。据估算,一座百万千瓦级的核电机组,所需各类电00余种,总长近200万米,价值约1亿元左右。如果按用途划分,有电力电缆,控制电缆,测量电缆,通信电缆,防火电缆(硅绝缘电缆)等五大类。它们不仅应具有普通电缆的一般特性,还要具有低烟、无卤、阻燃等特性,并要具有特定的耐环境性(如耐辐射性、耐LOCA性)。目前国内尽管有专门研发和生产核级电缆的电缆企业,但是真正能够生产出优秀的核级电缆的企业还在少数。核级电缆特殊性能的要求,使得核级电缆与一般工业用电缆相比,最大的不同在于核电站用电缆材料的性能要求低烟无卤阻燃性普通的低压阻燃电缆一般以PVC等含氯聚合物作绝缘和护套。核级电缆的绝缘和护套材料,必须采用低烟、无毒、无腐蚀性的的无卤阻燃电缆料,如热塑阻燃无卤素或交联阻燃无卤素材料,才能满足特殊的核安全要求。无卤电缆在发生火灾时,燃烧释放的烟雾量很低,不带毒性及腐蚀性,其阻燃成分可有效发挥阻燃作用,不会使电缆成为火焰蔓延的通道。无卤电缆采用不含卤素的聚合物作为基料,在燃烧时不会产生酸性气体,因而其毒性及腐蚀性大大低于普通PVC电缆。阻燃性无卤阻燃电缆的阻燃机理在不含卤素的聚合物中加人大量的氢氧化铝或氢氧化镁等填充剂,它们在电缆燃烧时释放结晶水,吸收大量热量,从而抑制聚合物温度上升,延缓热分解,降低燃烧速度。另外,脱水分解产生的水蒸汽,能稀释可燃性气体,产生阻燃效果。聚合物的阻燃性,通常用氧指数法来评定,它表示试样在氧气和氮气的混合物中燃烧时所需要的最低含氧量,指数越大,表示可燃性越小,阻燃性越好。一般氧指数(OI)至少为28才具有不燃特性。耐火特性当人们要求电缆线路在发生火灾时能继续发挥作用,并且当电缆由于使用上的需要架设在高危区域的线路上时,电缆必须具备耐火性能。一旦遇上火警,此种耐火电缆仍能在一定时间内继续安全运行,为人员及设备的抢救提供电能。核电缆的耐火性能按使用要求不同,分一般耐火性能要求和特殊耐火性能要求。特殊耐火性能要求为:在对电缆撞击条件下进行1000%,5min燃烧试验,火焰熄灭后继续撞击5min,同时用规定压力的高压水冲电缆,要求在整个试验过程中电缆能保持继续通电。美国1974年制订IEEE383电缆标准后,年发生核电厂电缆着火延燃事故,促使人们重视难燃性试验标准的严格性问题。对于核岛用电缆成品,达到无卤/低烟/阻燃,即要求电缆成品能通过IEC332-3成束燃烧试验,燃烧烟浓度达到IEC1034-2的技术要求,燃烧腐蚀性气体达到IEC754-2规定的推荐值的要求,绝缘线芯通过IPCEAS-19-81规定的单根垂直燃烧试验。耐环境性核级电缆用材料必须具有核电站固有工作环境所要求的耐环境性,即耐热性、耐辐照性、耐LOCA性。耐热性由于核级电缆常在高温环境下工作,因此需要它们具有长期耐热使用性能,要选用耐热性满足要求的聚合物,并可让电缆具有四十年以上的使用寿命。耐辐照性缓和环境,严酷环境核级电缆受到大量射线时,会使绝缘和护套材料变脆,机械性能变差。因此,作为核电站电缆用的绝缘和护套材料,必须具有优良的耐辐照性。各种不同的高聚物,其耐辐照性能不同。人们通常在高聚物里添加抗辐照剂,改进其耐辐照性能。有关电缆的耐L0CA性,不同核电站的要求也不相同。综上所述,核级电缆除要具有普通电缆所具有的性能之外,还要具有无卤、低烟、阻燃的特性。
交联聚乙烯
交联聚乙烯(Cross—linkedpolyethylene,XLPE)是将线型结构聚乙烯用适当方法处理后,生成网状或体型结构的高聚物,具有优良的耐热性(软化点为200%)、电绝缘性、耐低温性和耐化学性,良好的耐辐射性,用作电缆的绝缘材料。 [1]
EVA弹性体
乙烯一乙酸乙烯酯(Ethylene-vinylacetatecopolymer,EVA)是乙烯和乙酸乙烯酯的共聚物。它具有优良的抗辐照、耐化学品等性能,用作电缆的护套,同样须加入较多的阻燃剂使其具有阻燃性。 [1]
硅橡胶
硅橡胶或硅复合物是主链具有硅和氧饱和结构的橡胶,具有极高的化学稳定性,优良的耐热老化性、耐臭氧性、抗辐照性、耐高压水蒸气性,优异的电绝缘性,适宜作绝缘材料。通常,核级电缆用乙丙橡胶(EPR)作绝缘(也有采用双层绝缘的,如内层EPR、外层EVA),用交联EVA橡胶作护套。原因在于橡胶类材料在高温高压试验中不易产生永久变形,可保证电缆的正常结构,比塑料类材料更安全。而用于安全壳内的核级电缆的绝缘和护套主要是热塑阻燃无卤素或交联阻燃无卤素材料,如用XLPE作绝缘,低烟无卤阻燃聚烯烃作护套,同时也有用EPR作绝缘,交联EVA作护套。
耐火特性:
当人们要求电缆线路在发生火灾时能继续发挥作用,并且当电缆由于使用上的需要架设在高危区域的线路上时,电缆必须具备耐火性能。一旦遇上火警,此种耐火电缆仍能在一定时间内继续安全运行,为人员及设备的抢救提供电能。核电缆的耐火性能按使用要求不同,分一般耐火性能要求和特殊耐火性能要求。特殊耐火性能要求为:在对电缆撞击条件下进行1000% ,5min燃烧试验,火焰熄灭后继续撞击5min,同时用规定压力的高压水冲电缆,要求在整个试验过程中电缆能保持继续通电。
美国1974年制订IEEE383电缆标准后,年发生核电厂电缆着火延燃事故,促使人们重视难燃性试验标准的严格性问题。对于核岛用电缆成品,达到无卤/低烟/阻燃,即要求电缆成品能通过IEC332-3成束燃烧试验,燃烧烟浓度达到IEC1034-2的技术要求,燃烧腐蚀性气体达到IEC754-2规定的推荐值的要求,绝缘线芯通过IPCEAS-19-81规定的单根垂直燃烧试验。
性能低烟
核电站用电缆的绝缘和护套材料必须采用低烟、无毒、无腐蚀性的无卤阻燃电缆,如热塑阻燃无卤素或交联阻燃无卤素材料,才能满足特殊的核安全要求。无卤电缆在发生火灾时,燃烧释放的烟雾量很低,不带毒性及腐蚀性,其阻燃成分可有效发挥阻燃作用,不会使电缆成为火焰蔓延的通道。无卤阻燃电缆的主要技术特性有:(1)核电站用电缆烟的总累积量Dm<150;(2)无毒性及腐蚀性,即电缆燃烧不析出HCI和CO;(3)具有阻燃性,聚合物的阻燃性通常用氧指数(0I)法来评定,一般OI≥28。 [1]
耐环境性
核电站电缆用材料必须具有耐环境性,即耐热性、耐辐照性和耐LOCA性。
通过计算如果回路的储能在危险水平之下(即发生故障时其能量不足以引爆环境气体),就仍然是本质安全回路。光有本质安全仪表和安全栅是不行的。现在电缆价格贵也贵不了多少没有必要费那个事,还要承担风险,出了事各方还推来推去;建议你还是增补本质安全电缆,要不谁来进行本质安全回路的计算?本质安全电缆和非本质安全电缆需分开敷设,好使用不同的独立托盘,实在没有的话就用隔板隔开。再补充一下,本质安全电缆的护套颜色,为浅蓝色是国际通用标准,就像ProfibusDP电缆的紫色,FF电缆的橙色。就是为了在现场一眼能认出来,便于维护区分。
国内核电站
核电站电缆主要采用聚乙烯作主料。如采用乙烯-乙酸乙烯酯共聚物制备的核电站IE级电缆材料,该电缆具有较好的机械及加工性能、耐高温、燃烧时不易滴落等优点。利用乙烯~乙酸乙烯酯共聚物40~85%,乙丙胶和硅橡胶15%~60%,研制成一种硅烷交联聚烯烃电缆,该技术不但使用温度范围可达-70~125℃,而且耐低温性能也得到较大改善.可以承受最低-70℃的低温,耐热等级也由9O℃提高到125℃,在电缆承载能力或负载相同情况下,延长了使用寿命,电缆可用于1OkV及以下电缆作绝缘护套,特别适用于移动式电缆或柔软连接系统。王乐以乙烯一乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、有机硅(ZD)、氢氧化铝(ATH)、氢氧化镁(MH)、有机硅粉为原料,EVA与LLDPE按比例混合作为基体树脂,ATH与MH按比例混合作为复合阻燃剂,并用钛酸酯偶联剂进行表面处理,得到的多相复合体系无卤阻燃电缆护套料具有优异的力学性能和阻燃性。
此外,计初喜明研究了一种全新的聚醚酰亚胺工程塑料,该塑料可广泛应用于航海、军事、铁路、隧道等各领域的电缆,它所具有的无卤、无毒、阻燃、耐腐蚀、优良的耐辐射性能,更适用核电站环境,是一种理想的IE级KI类电缆的绝缘和护套。深圳市泰士特线缆已对该材料进行了生产,进一步说明该材料易加工、性能好。
耐辐照是核电站电缆的一项重要指标。上海电缆研究所的孙建生等采用了3种核电站电缆进行了辐照老化试验,得出材料的断裂伸长率、抗张强度、硬度、体积电阻率等与辐照剂量的变化关系,并且还研究了不同辐照类型射线
对材料老化的影响,为正确选择核电站电缆提供了依据。上海交通大学金天雄等也研究了Υ辐照对交联聚乙烯绝缘电缆水树行为的影响,研究发现,在0~3000kGy的Υ辐照剂量范围内,随着辐照剂量的增加,交联聚乙烯绝缘的凝胶含量增加,羰基指数值增加,超过1500kGy的辐照剂量时,凝胶含量增加和羰基指数保持基本不变或再次降低,随着辐照剂量增加到2000kGy,水树枝长度增加,水树数量(水树密度)也增加。另外,与热老化相比,交联聚乙烯绝缘在Υ辐照作用后生长的水树形状差异性较大。
另外,专家们在对核电站用绝缘和阻燃电缆进行研究的同时,解决了现有核电站电缆制造工艺复杂、成本较高,且耐长期热老化、拉伸强度较差等问题。吴道虎以氯磺化聚乙烯作主体骨架材料,并用一定量的乙丙橡胶,过氧化物作硫化剂,HVA-2和TMTP作助硫化剂,氢氧化铝作阻燃剂,硬脂酸锌作表面处理剂,对煅烧陶土和LEE白滑粉表面进行处理,研制的电缆护套料可满足核电站的使用要求和IEC502的性能要求。王巧娥等采用三元乙丙橡胶、苯基硅橡胶、表面处理过的氢氧化镁阻燃剂和其它配合剂,通过正交试验研究各组分对绝缘材料性能的影响,确定了耐辐照无卤低烟阻燃绝缘材料的配方,该绝缘材料具有高阻燃性能、抗辐照性能,同时具有良好的力学性能和电绝缘性能。李月霞采用低烟无卤阻燃聚烯烃,以氢氧化铝、氢氧化镁和硼酸锌作阻燃剂,通过异向高速组合式双阶双螺杆造粒系统,然后经共混无机阻燃体系进行熔融挤出造粒,制备出的低烟无卤阻燃电缆,具有在着火后不延燃、低烟无卤、无毒、无腐蚀等特性,特别适合于核电站、地下铁道、隧道、高层建筑以及广播电视台等场合。 [1]
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