戴永拓 佘荣 董铂 汪盛昌 曹玉呈 徐勇

摘要：采用热老化试验方法，对绝缘材料进行热老化试验，确定其等效环境温度，并进一步计算不同负荷因数下的电缆导体温度，以确定电缆的热老化寿命，通过计算不同负荷系数下的电缆热老化寿命，给出了一系列的关于核电站用1E级电缆寿命的预估值，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;等效环境温度;热老化寿命评估;额定载流量;负载因数

前言

1E类电缆在对于核电站的安全运行来说是至关重要的，这类电缆在承担着核电站的能量传递功能的同时，也作为控制信号传输的重要介质，是核电站的重要设备之一。对电缆进行有效精确的寿命评估，可以有效避免电缆超过寿命，带病运行所带来的安全隐患;同时还可以设计由针对性的措施来延长其使用寿命，提高电厂经济效益。因此，对核电站电缆进行寿命评估是非常必要的。1E级别电缆的热老化机理和寿命预测是一个核电领域研究的热点，近年来越来越多的受到关注，相关的研究论文不断涌现。但现有的导体温度模型对于导体温度的实际变化这一参数的考虑还不尽完善，很多研究中都忽略了对于这一参数的研究，使得研究得出的理论值与实际测量值之间存在一定的偏差。

本文以1E类电缆为研究对象，对绝缘材料进行加速热老化试验，通过这种方式可以有效的缩短试验时间，同时还能取得相对较为精确的试验结果，最终得到热老化寿命方程;用于分析1E级别电缆的寿命。对1E级别电缆在核电厂中应用过程的寿命估算有一定的参考价值。

1.测试部分

1.1测试原理

1E类电缆的绝缘材料以聚合物材料为主。高分子材料在老化过程中，分子链会逐渐发生断裂，从而引起分子量、晶粒尺寸的变化。随着老化程度的不断加深，高分子材料的相对分子质量会在同一个数量级内不断的下降，但是一般不会下降到下一个数量级。可见相对分子质量对老化程度的表述是不够明显的，将分子质量用于分析1E级别电缆的老化程度是存在较大问题的，很难得到有效的数据。时效过程中晶粒尺寸变小，水枝生长速度较慢，水枝长度较短。因此，通过计算结晶度和晶粒尺寸来而分析1E级别电缆老化程度成为了一个可行的方向。

1.2测试仪器和设备

使用飞利浦多晶X射线衍射仪。测试条件为Cu靶Kα线，石墨曲面晶体单色仪，扫描速度0.15°/s，扫描范围2θ=5°～40°，管电压40kV，管电流35mA。

1.3样品制备

将样品直接从交联聚乙烯绝缘芯上切下，分别放入室温和200℃的老化箱中，经过120h、240h、480h后取出，得到不同老化程度的样品，用于后续测试。

2.测试结果与分析

图1显示了老化前后XLPE的X射线衍射图。通过分析可以得出XLPE具有A、B、C、D等许多晶面。

C晶面和D晶面的衍射峰较小，其计算结果对于实际老化程度的判定影响不大，因此在实际测试计算过程中一般可以忽略不计。A晶面在经过老化以后以及未老化之前几乎没有变化，而B晶面在经过老化以后以及未老化之前变化显着。A晶面的衍射峰强度对结晶度重要程度要明显的大于B、C、D等晶面，可以看出结晶度的变化在老化之前与老化之后对比并不明显，不推荐作为评价电缆老化的特征参数。对于A晶面，FWHM基本不变，晶粒尺寸基本一致。对于B晶面，FWHM变化量很小，可以得出晶粒尺寸的变化很小，不足以对于1E级别电缆的性能造成很大的影响。由此可以分析出衍射峰的半高宽与晶粒尺寸成反比。可见，晶粒尺寸不能作为评价时效的特征参数。观察老化之前以及老化之后的B晶面的衍射峰强度，明显相对强度从2650降低到2380，相对强度相差约270。可以看出，时效过程对B晶面的衍射峰强度有很大影响。因此，可以通过跟踪XLPE-B晶面衍射峰强度的变化来评估1E级别电缆的老化情况。

3.等效环境温度计算方法

核电站所用电缆的周围环境温度与气候、环境热源分布等因素有关。通过相关研究可以得知寿命与温度呈非线性关系，因此1E级别电缆寿命预测的重点工作可以被定义为等效环境温度的准确求解。

我国核电站主要建在中低纬度的海边。受海洋性气候影响，具有以下特点：（1）昼夜温差相对比较小，一般小于10℃;（2）月日平均气温差值不大，标准差与方差相对较小;（3） 季节变换不明显，一般都可以分为有雨季和旱季;（4）月间气温变化幅度比内陆小，整体温度变化趋势不大。因此，本文将计算载流量时的环境温度设为28℃，根据时间-温度等效原理计算热寿命评价中的等效环境温度。

通过热老化实验可以确定热寿命方程中的相关系数，通过基于我国实际情况的分析与考虑，为了计算方便，本文中p（T）=1/12，求出等效环境温度：T，=230.14K-26.14℃

4.实际环境下电缆热老化寿命的评价

4.1不同負载系数下的导体温度计算

我国的核电站一般建在沿海地区，在核电站选址阶段对于环境温度均进行过考量，因此核电站室内温度变化基本可以忽略不计，等效环境温度可以认为0，在热稳态的情况下，若环境温度为0。1E级电缆的工作电流为l，导体温度为0即可。

其中：对于给定敷设情况的特定电缆，很难直接求解函数关系。一般可以采用迭代法来取得一个近似的借来替代最终函数关系，即计算给定导体温度下的工作电流I，将I与实际工作中测量得到的电流l进行比较，若两者相等，可以认为此时假设的导体温度为所需要求解的值，通过多次迭代计算来提高整体解值的精确程度。

4.2不同载荷因子下的热老化寿命评价

可以通过负载系数N来描述1E基本电缆的工作状态。通过计算出不同负载系数下的电缆温度，将温度代入热老化寿命方程，可得不同负载系数下的热老化寿命r。

对于热老化寿命进行分析可以得出： （1）负载系数N的增加，热老化寿命将以一个非常快的速度下降，这是由于负载升高导致1E级别电缆温度快速提升导致的。尤其是当1E基本电缆过载时，热老化寿命缩减的十分迅速;（2）负载系数为105%时，1E级别电缆的热老化寿命为根据计算公式得出为61.35年，刚好能够满足核电站60年的设计使用寿命，再增加负载系数N的值将使得1E级别电缆的热老化寿命小于核电站60年的设计使用寿命。

5.结论与展望

根据测试结果，可以得出以下结论：

5.1 1E级别电缆交联聚乙烯的分子量以及晶粒度对于电缆老化程度的描述效果较差，不能作为描述1E级别电缆老化程度的依据。

5.2采用X射线衍射法，通过跟踪XLPEB晶面衍射峰强度的变化，可以评价交联聚乙烯绝缘电缆的老化情况。

参考文献

[1]毋琦，毛从吉.核电厂安全级（1E）电缆鉴定审查过程中相关问题的探讨[J].电线电缆，2011，000（006）：1-5.

[2]张圣博，游洲，李勇军，等.核电厂1E级电缆老化监测研究[J].机械，2017，44（005）：23-25.