CAP系列稳压器电加热器元件电缆的设计及验证

倪 勇， 刘旌平， 胡诚成

(上海电缆研究所有限公司 特种电缆技术国家重点实验室， 上海 200093)

0 引 言

核电站的“心脏”是核反应堆，而稳压器则是“心脏”的“起搏器”。稳压器是压水堆核电站(Nuclear Power Plant，NPP)的关键设备，起着维护系统压力的作用[1]。全球核电厂稳压器电加热器供应商主要有THERMOCOAX、VULCANIC、WATLOW、GENERAL ELECRIC、重庆川仪等[2]。稳压器电加热器元件电缆随稳压器加热元件同机进口，用量不大，价格昂贵、采购周期漫长，其研发、结构设计、生产工艺、试验评估等各个环节都具有一定的难度和相当的工作量，属于少批量、高技术含量产品。供货商提供的相关技术参数比较模糊，响应较迟缓，特别是材料在耐热性、耐辐照性能指标参数上存在技术上的“黑匣子”。甚至部分核电工程因电缆的问题无法解决而耽搁了稳压器整体设备的国产化进程。鉴于此，本工作对CAP系列稳压器电加热器元件电缆进行设计并验证，解决电加热器电缆的国产化问题。

1 电缆设计

1.1 总体设计

因高温电缆的工作环境存在核辐射、湿热环境方面的要求，电缆应有优良的电气性能、阻燃性能可通过单根燃烧试验以及B类的成束燃烧试验、长期浸水试验。

1.2 电缆结构设计

稳压器电加热器元件电缆的结构示意图见图1。根据相关要求，稳压器电加热器元件电缆在CAP1000核电站中，持续运行温度至少为124 ℃，工作寿命期望60 a；在CAP1400核电站中，持续运行温度至少为132 ℃，工作寿命期望60 a，同时须耐受γ射线累积辐照剂量312 kGy。因此，电缆的线芯导体、绝缘层、防护层均须满足严格的技术指标要求。

1—镀镍铜导体；2—内衬层；3—硅橡胶绝缘；4—外衬层；5—编织护套；6—填充；7—不锈钢丝编织

1.3 主要材料的选择及研制

1.3.1 导体材料的选择

为了防止导体在高温条件下发生氧化，通常需要选择有镀层的导体。

本技术的使用场合主要是CAP系列稳压器电加热器，由于其特殊的工作环境，根据用户方的要求，试验选用27级镀镍圆铜线作为本技术导体使用材料。

本技术包含多个规格的导体，采用不大于0.30 mm的单丝导体多股复绞的方式，以提高导体本身的柔软性，解决镀镍导体本身柔软性不足的问题。

1.3.2 绝缘材料验证

(1) 基料选择。根据项目要求以及工程实际需求：允许工作温度为124，132 ℃时，其使用年限要求均为60 a。根据使用工况要求，须选用耐高温、耐辐照的无卤材料。本工作选用硅橡胶作为本技术的基料进行绝缘材料的研制。

(2) 绝缘材料的研制。试验选用的甲基乙烯基苯基硅橡胶(PMVQ-1、PMVQ-2和PMVQ-3)、耐热剂(HR-1、HR-2和HR-3)、氢氧化镁(MH)、改性三聚氰胺氰尿酸盐(PNFR)、添加剂(SMP)、有机硅树脂中间体(FR-60)和硫化剂(MM)为市售工业产品。铂金阻燃剂(PtFR)购自市售产品后进行实验室调配。

经过改性后的硅橡胶[3]主要性能如下：

(1)机械性能。硅橡胶的机械性能见表1。

表1 硅橡胶的机械性能

(2) 长期耐水性。绝缘材料通过14 d加速吸水老化试验，14 d的电容增量大于10%，后7 d的电容增量不大于3%，测量结果符合技术要求。

(3) 抗辐照能力。试验对绝缘材料进行累计312 kGy的γ射线辐照后，其机械电气性能保持良好。

(4) 阻燃性。绝缘材料通过单根燃烧以及B类成束燃烧。

(5) 热寿命验证。通过124 ℃以及132 ℃下60 a的寿命验证；通过对苯基硅橡胶基材开展耐辐照和耐热老化试验并进行选型研究，通过配合纳米耐热剂，对添加剂进行疏水功能化改性，配合铂金阻燃剂，最后经过捏合、开炼等工艺，研制出新型阻燃耐高温耐辐照硅橡胶绝缘材料。经检验，硅橡胶绝缘材料的机械物理性能、电气性能和阻燃性能均优良，硅橡胶绝缘材料[4]可应用于CAP1400电加热器高温电缆。

2 试验件试制

根据设计方案，确定电缆的结构，电缆的中心导体以及绝缘层的结构尺寸是固定值，根据设计过程中对方案的探讨、验证并进行产品试制。

2.1 电缆规格

试制件按导体规格典型值的原则，中心导体的截面积选用35 mm2和70 mm2两个规格。

2.2 产品质量鉴定大纲

本工作研制的稳压器电加热器元件电缆，目前为国内首批核电站稳压器电加热器元件电缆，暂时没有十分匹配的产品标准供参考，经与用户单位的多次技术沟通，最终确定考核项目和试验方法，制定了质量鉴定试验大纲。

2.3 电缆制作关键工序

绝缘挤出是本产品的关键工序。

研制电缆需经受工频火花检验和成品样线绝缘电阻、耐电压等电性能试验，绝缘的挤出质量可明显影响以上技术要求。需要在绝缘的挤出中严格控制挤出的外径以及绝缘同心度。

通过设计计算，选择适当的绝缘层厚度，满足电缆的性能要求的同时尽量控制电缆的单位质量以及安装所需的空间，根据生产设备的实际情况结合生产经验，通过对生产设备的硫化管道的改造，保证电缆绝缘硫化过程中温度均匀稳定、硫化时长适宜及冷却时间充分，从而来保证绝缘的硫化程度并且保证电缆的圆整性。

为保证绝缘线芯的电气性能挤出时应加一层滤网过滤。

本工作采用硅橡胶作为绝缘材料，其加工过程分两步：①绝缘挤出工艺：在试生产过程中，使用挤压式摸具，同时使用在线测偏仪实时监控，严格控制电缆的同心度在95%以上；使用在线测径仪对外径进行实时监控，确保厚度误差在±0.05 mm以内，严格控制绝缘厚度；保证电缆的连续长度；②硫化工艺：绝缘挤出后，接着就是硫化工艺，在硫化管道内，需要控制好每段硫化管道的温度，控制绝缘材料的热延伸在50%～150%之间，收盘时，保证其不被收线履带压变形。

3 成品电缆主要性能验证

3.1 电气性能

稳压器电加热器元件电缆是一种压水堆核电站高温电缆，对稳压器电加热器元件的持续稳定工作起到保障的作用。稳压器电加热器元件电缆电性能见表2。

表2 稳压器电加热器元件电缆电性能

由表2可以看出：稳压器电加热器元件电缆各项电性能指标均符合技术指标要求。高温下，绝缘电阻常数比常温下绝缘电阻常数下降了不到1个数量级，比预期的下降3个数量级的指标要求要理想很多，绝缘性能是电缆能够运行的首要技术指标，这项性能的优异表现说明电缆可在高温132 ℃条件下进行正常工作。稳压器电加热器是压水堆核电站的重要部件，是唯一长期处于汽、水两相状态的主设备，表2中加速吸水试验表明，绝缘层材料除最开始时对水汽有吸收以外，后期基本不再吸收水分(0.3%，远小于要求的不大于3%)，由此，能够确保在电缆长期运行过程中，不会因为材料吸水导致绝缘性能下降，能够稳定有效地进行工作。

3.2 长期湿热试验

因为电加热器稳压器元件电缆的特殊工作环境，为模拟事故工况下，电缆护套被破坏失去保护功能后，电缆绝缘受到高温和水汽同时作用的情况下，电缆线芯是否能够进行一段时间的正常工作以待检修。项目组将电缆的线芯从电缆中取出，取两根线芯做比对试验，将电缆线芯浸渍在90 ℃的盐水溶液中，每隔7 d测试1次电缆的绝缘性能，监测电缆的绝缘性能变化，线芯长期绝缘电阻测试结果见图2。

图2 线芯长期绝缘电阻测试

由图2可知：电缆线芯在失去了护套的保护作用之后，电缆线芯在90 ℃的盐水溶液的作用下，在最初的28 d内，其绝缘电阻迅速下降了3个数量级，但在随后的很长一段时间内保持着缓慢的下降趋势，196 d的绝缘电阻只下降了一个数量级，依然保持绝缘性能完好，能够正常运行。试验证明绝缘线芯拥有良好的耐热和耐水性能，可以长期运行。

3.3 电缆寿命验证试验

成品电缆按IEEE 383要求依次进行加速热老化试验、常规辐照老化试验，随后通过柔性保持试验以及燃烧性能来判定。

热寿命按照GB/T 11026.1—2016的方法模拟电缆持续132 ℃导体运行温度等效60 a寿命加速热老化试验(试验条件：230 ℃×289 h)；耐辐照寿命按照GB/T 26168.2—2010的规定进行了累计计量312 kGy的γ射线辐射(辐照剂量率1 kGy·h-1)，模拟老化试验后性能验证见表3。

表3 模拟老化试验后性能验证

由表3可知：电缆在进行了热老化和辐照老化后，电缆仍具备一定的柔韧性，并且能够通过AC 3 150 V·mm-1，5 min的耐压试验，老化后的电缆能通过单根和成束燃烧的性能要求，证明电缆能够满足设计的寿命要求。

4 结 论

本技术[5]有利于从技术上深入理解核电设备的研制和制造，提高核电装备的可靠性，突破长期制约我国核电稳压器电加热电缆规模化发展的技术瓶颈，通过产、学、研相结合的模式，开展系统性的共性技术研究，从基础理论层面支撑重大专项工程技术的持续创新，并带动我国高温电缆的提升。这种稳压器电加热器电缆在技术水平上处于国际的先进水平，在实际应用中能够满足CAP系列稳压器电加热器电缆的使用需求，避免了因为电缆的问题无法解决而影响稳压器整体设备的国产化进程。该电缆通过了CAP核电要求的事故工况功能验证试验，能够普遍适用于CAP核电站内可能的应用场景，同时可以应用于类似场景的长期高温、高辐照剂量的特殊环境。