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核电站常用有机塑料电缆存在的问题及二氧化硅电缆的优势

作者：拓文科技发展有限公司

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一、目前核电站常用有机塑料电缆存在着下面的弱点：

１、在恶劣环境下的性能劣化问题：

在核电厂中，仪控回路使用乙烯基、丙烯基合成的橡胶，玻璃纤维，以及以氯磺化聚乙烯、聚乙亚胺等为绝缘材料的电缆。

1.1 仪控电缆的工作环境

安全壳内部仪控电缆放置在不同的使用环境下，最重要的影响因素是自然环境，主要是有氧气存在时温度、湿度、核辐照的影响，温度、湿度、核辐照的值应从设计文件中取得。

在正常运行情况下，安全壳内不会受到湿度的影响。辐照的影响可从相关技术数据中获得，在 40 年时间内，正常运行情况下，安全壳内辐照的最大累计值为 3×10^7rad 。安全壳内的仪控电缆一般不会受到震动的影响，除非有特殊要求，否则，不考虑由于震动引起的老化问题 [5] 。

1.2 电缆的老化机理：

在现场环境下，电缆的绝缘和护套等聚合物材料随着时间的推移会发生各种缓慢的、不可逆的化学变化和物理变化，这些变化就是电缆的老化过程。从宏观上来看，表现为材料的延伸率降低，即材料的抗拉强度减弱；护套材料的硬度或抗压模量增大；材料的密度增加；电气性能改变 ( 如介质损耗增加 ) 。

电缆的老化机理可分为影响分子结构的化学老化机理和影响材料混合物成分的物理老化机理。

1.3 化学老化机理

(1) 高分子链断裂：一个高分子链断裂为 2 个或多个新链，一般为烷氧基或过氧化根断链，导致物质性质的改变。

(2) 交联反应：在 2 个相邻高分子间共价键的结构发生交联，使原先物质的有效成分减少。

(3) 氧化反应：这是一种自由基的链式反应，在氧化反应开始阶段，在温度和辐照的影响下，由于共价键的断裂而产生反应性物质，即自由基，氧化反应既导致断链，又生成交联，这取决于氧化链式反应过程中各阶段的分子运动情况，它随着聚合物中添加剂的不同而不同。

(4) 氧扩散控制过程：聚合材料中自由基的初速率大于溶解氧扩散的速率时，老化快慢由氧扩散来控制。

(5) 协同效应：当各个环境因素的综合影响大于其各个单一影响之和时，会产生这种效应，如对聚合物而言，既受热，又受到辐照。

2.2 物理老化机理

(1) 增塑剂蒸发：材料表面的增塑剂向周围的空气中挥发，其留下的空隙又被由材料的核心向表面扩散的增塑剂所填塞，这 2 种挥发和填塞的分子运动并存，强弱由温度所决定。

(2) 增塑剂迁移：在使用增塑材料的多层电缆中，增塑剂在不同材料层间迁移，直到各层材料中的增塑剂达到均衡状态。

上面等等的因素，使得有机塑料电缆在整个使用过程中逐渐老化甚至出现脆化开裂等现象，这就使得核电站的安全性能造成巨大的威胁。而怎么去评估这些电缆的状况成了一个艰难的课题。

ＳＨＰＶＣ绝缘材料在１２０ ℃下不同时间的变化（热老化实验）

ＬＯＣＡ蒸汽暴露实验

从上面的报告中可以看出，使用有机塑料电缆的问题是有多么的严重！

而美国原子能管理委员会在９３－３３的公告中，具体说明了委托Sandia国家实验室，对各种核电站专用有机塑料电缆的测试结果，结论同样也非常不乐观，特用公告的形式建议各核电站做具体的监控和改进。

2•有机塑料电缆的接头连接方式的不可靠。

因为有机塑料电缆的耐温通常都比较低，目前在核反应堆里应用的电缆塑料材料普遍的耐温都在２００ ℃以下，不能使用全密封的接头（因为全密封接头需要用高温的激光焊接），所以容易造成电缆在高温高湿的环境中，水或水蒸汽容易进入到电缆里面，而造成电缆性能的巨大波动甚至失效。

美国原子能管理委员会（ＮＲＣ）在９７－４５的公告中，具体列举了一个事例：南加洲的Edison核电站，因为使用了Rockbestos公司的RSS-6-104/LE有机塑料同轴电缆和Amphenol公司的Ｎ型连接器，该电缆组件是用在远程辐射监控（ＨＲＲＭ）的，因为该电缆有水蒸汽侵入，从而使得监控传来的微弱信号受到很大的干扰，从而输出错误的辐射参数！后来改用二氧化硅电缆，该问题彻底解决。

另外在（ＮＲＣ）的９７－４５Ｓ１的公告中，对同样使用了 Rockbestos公司的RSS-6-104/LE有机塑料同轴电缆和Amphenol公司的Ｎ型连接器的电缆组件，因为存在温度诱导现象，从而在远程辐射监控（ＨＲＲＭ）中产生了错误的信号，这个错误的信号会使操作人员对辐射监控指标产生误导，时间大约有１５分钟，改用二氧化硅电缆后，错误的数值从几千R/hr降到１００R/hr以下，错误大为下降，但仍未完全解决该问题，需要对操作人员进行培训来作为最终解决方案。

3•有机塑料电缆的耐温等级、阻燃性能和发烟指标都比二氧化硅电缆差很多。

二、二氧化硅电缆在核电站的使用场合和优势。

１、二氧化硅电缆在沸水堆（ＢＷＲ）的应用

２、二氧化硅电缆在压水堆（ＰＷＲ）的应用

三、而二氧化硅电缆因为有以下的优点：

１、耐高辐射性，比有机塑料电缆的辐射承受能力高１００００倍，具体见指标》》》
２、耐温范围宽：-273℃至+1000℃ ，阻燃性能和烟雾指标都非常出色。
３、高强度，高抗震性和高抗压性。
４、连接器使用完全密封的玻璃接头，也同样有高耐辐射性和长寿命。
５、电缆组件在核反应堆里的寿命超过６０年：

ＮＲＣ的报告（第５０１页）

６、低损耗，低电容,低噪音，高屏蔽.非常适合在恶劣环境中传输微弱信号。
７、在各种情况下和寿命期内都有非常稳定的电参数和传输性能。
８、专用不锈钢护套有很好的抗化学和热水雾等腐蚀性。
９、三同轴的结构有更好的性能，如抗干扰性，抗温度诱导等。

缺点：

１、因为是半刚性金属管电缆，所以不适合安装和使用时的反复弯曲。和其他ＭＩ一样的安装方法，需安装后固定使用。
２、价格比其他ＭＩ电缆(*)高。

注意问题：

1、不锈钢护套的二氧化硅电缆不能和镀锌的和铝的支撑架或托架直接接触，否则在燃烧实验时不锈钢护套会有失效的可能。

现在全球有超过80多个核电站正在使用二氧化硅电缆作为各种仪控,传感,电力的连接，而且都是“零”事故率地去传输各种信号和能量。

结论：

所以毫无疑问，在１Ｅ级Ｋ１类仪控电缆里面，如果你不希望在整个设计寿命期里出任何的问题，二氧化硅电缆可能是最好的选择！！

* ＭＩ电缆＝Mineral Insulated Cables,矿物绝缘电缆(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/13/2007)


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