核电厂低压电缆老化状态监测指标分析与研究_雷成.pdf

中国电工网核电厂低压电缆老化状态监测指标分析与研究雷成，高帆，杨磊，李亮（江苏核电有限公司，江苏 连云港 ）摘要：热老化和辐照老化是核电厂安全壳内低压电缆老化的主要影响因素。通过对样本电缆进行热辐照联合加速老化试验，测量了电缆的多项状态参数，并建立了各项状态参数随时间的变化曲线，最终分析确定，断裂伸长率、压缩模量和氧化诱导期这三项指标可以作为电缆老化状态监测的基准指标。关键词：老化；断裂伸长率；压缩模量；氧化诱导期中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：作者简介：雷成（），高级工程师，从事电气设备管理工作。引言核电厂安全壳内的低压电缆数量巨大，其中很多用于核安全相关设施的动力和信号传输，是确保核电厂安全的重要组成部分。为了准确掌握在役电缆的老化状况，核电厂需选取有效的指标对其老化状态进行定期评估。状态指标可以反映材料或设备的状态，而连续的状态指标又可以表明一种趋势。有的状态指标在很长一段时间内随着电缆老化的变化并不明显，然后迅速下降到一个不符合要求的程度，这样的指标并不适合用来进行老化程度评估。因此，选择合适的状态指标对于准确评估电缆老化状态至关重要。影响电缆老化的因素通常情况下，环境因素和运行条件对电缆的老化起着直接的作用，热老化、辐照老化、电老化、化学老化、机械应力等是电缆老化的影响因素。（）热老化。电缆在正常或异常状态下都会受到热的作用，如周围环境温度、局部高温、电缆产生的热量等。在温度升高后，电缆护套及绝缘的高分子材料会产生各种化学反应。热老化通常会导致电缆护套及绝缘材料变硬、失去弹性、断裂伸长率下降，电缆的老化过程加速，从而导致护套及绝缘材料出现脆裂、褪色、融解现象，引起材料机械性能和电气性能的变化。（）辐照老化。辐照对电缆材料的作用主要以两种方式进行，即材料原子电离和激发以及原子或亚原子置换，进而改变材料的分子结构。这两种方式均可引起辐射降解的发生。有机材料由于是共价键结构且不太稳定，其辐照老化比无机材料严重得多。电缆受辐照可能会导致出现电缆金属 材 料 腐 蚀，有 机 材 料 软 化、膨 胀 或 分 解 等 老 化现象。（）电老化。正常运行状态下持续通电、瞬态高电压及电气故障导致的过电压都会对电缆产生电应力。受制造缺陷、施工外力作用、电应力等因素影响，电缆绝缘材料可能会出现气隙、裂纹等缺陷，带电运行时电缆局部电场分布不均匀，会导致缺陷部位出现局部放电、材料劣化降解，严重时导致绝缘层及其他绝缘材料失效。（）化学老化。电缆暴露在酸、碱、油、氧化剂、溶剂等化学物质中时，电缆的聚合物材料会发生化学腐蚀，出现膨胀、融解等现象，电缆的机械性能、电气性能出现劣化。但在正常运行环境下，化学因素仅存在于某些特定区域，只对极少一部分电缆会产生较大的危害。（）机械应力。机械应力老化因素取决于电缆运行和电工技术电气设备2023 1期安装过程中的诸多因素，包括电缆自身重力、安装应力及机械振动等。电缆连接设备的振动可能导致电缆连接部位疲劳性损伤；电缆受到过度的拉伸、压缩或弯曲挤压可能会出 现 变 形、破 损，导 致 潮 气 侵 入，加 速 电 缆 的 老 化过程。研究表明，热老化、辐照老化是造成核电厂电缆老化最为重要的因素，尤其在核岛厂房内高温与辐照往往同时存在，电缆的绝缘、护套材料长期处于此类环境条件下，受热和辐照的双重影响，电缆更容易发生老化降解。状态监测指标测试与分析电缆能否正常运行，主要体现在绝缘电阻、泄漏电流、击穿电压等电气绝缘参数是否在设计范围内。热老化和辐照老化会造成电缆机械性能发生改变。相关研究表明，对于低压电缆，机械性能的变化会发生在电气绝缘性能变化之前，当观察到较大的电气性能变化时，电缆的脆化和开裂必然已经发生了。大多电缆失效经验表明，低压电缆的电气参数不能敏感地反映电缆绝缘材料状态变化，电气故障通常发生在电缆护套或绝缘理化性能变化之后。以某核电厂机组的电缆样品为研究对象，对样品进行等效运行 年、年、年、年和 年的人工加速热老化和辐照老化试验，并对初始状态和各老化阶段下样品的断裂伸长率、抗张强度、氧化诱导期、压缩模量和红外光谱这个基准状态指标进行了测试。老化试验条件计算电缆绝缘材料在高温作用下会发生热氧化、热裂解、缩聚等反应，这些化学反应的程度决定了材料的热老化寿命。化学反应动力学高分子材料寿命与温度的关系可作为加速热老化的理论依据。目前广泛采用 模型来评估热老化，该模型反映化学反应速率与温度的关系为：（）（）式中，为达到特定的所认定的服役期的时间；（）为时间内发生反应的量；为工作温度，；为比例常数；为材料的活化能，；为气体常数，取 。利用 模型可以测出等效的老化降解程度，已知特定温度下的寿命，可计算出预期温度下的等效寿命，关系式为：（）（）本次试验样品电缆的设计寿命为 下运行 年，即为 ，为 。查阅样品电缆出厂资料可知其活化能为 。本次加速热老化的温度为 ，即为 。将这些参数代入式（），可计算 下等效设计运行温度 下运行 年的等效热老化时间为 。同理，可以分别计算出样品等效设计运行温度下运行 年、年、年、年的等效热老化时间，具体结果见表。辐照老化时，材料的损伤与辐射场内辐射能量直接相关，在恒定辐射剂量场及一定时间内受到的辐射损伤量与在其他剂量率和辐射时间下的相同辐射剂量等效。本次试验采用了简化的电缆材料线性模型，根据机组运行 年设计 总 剂 量 ，辐 照 老 化 试 验 阶 段 累 计 剂 量 见表。表 电缆加速老化试验条件加热温度等效运行时间 年加热时间辐照剂量 老化状态基准指标测试试验样品电缆在完成各阶段的热辐照联合加速老化试验后，通过相应试验来测试其相关状态指标。（）机械拉伸试验。通过机械拉伸试验可以获取断裂伸长率与抗张强度。断裂伸长率定义为试样拉伸至断裂时，标记距离的增量与标记距离的百分比，是测定材料的柔韧性、评估材料完整机械性能损失的指标。抗张强度又称拉伸强度，是试样被拉伸断裂时承受的最大载荷与试样截面积的比值，单位为或。（）压缩模量试验。压缩模量（）是压缩应力与应变之比，是电缆材料的一种机械特性。压缩模量试验直接在电缆上进行，试验时使用最大应力 的标称值，探针速度为 ，且至少在电缆不同的处地方，每处环绕电缆做个点的测量。（）氧化诱导期试验。电缆绝缘材料中常添加有抗氧化剂以提高电缆的抗氧化老化能力，但随着电缆的使用，其材料中的抗氧化剂会逐渐挥发直到耗尽，绝缘材料的抗氧化性也会降低。抗氧化剂越少，在相同的温度下，材料开始发生氧化的时间也就越早，即氧化诱导期值减小。试验时先将取样部位的电缆绝缘和护套用酒精擦净，然后在处不同部位的电缆绝缘或护套外表面上，取约 粒状或厚度约 的薄片状试样。在氮气环境中对老化后的样本以 升温速率加热到设定温度，恒温 后切换氧气，从切换气体到样品开始氧化的这段时间就是氧化诱导期。（）红外光谱分析试验。红外光谱分析技术是用红外光谱图来最终探测有机材料的老化。试验取样前应先将电缆绝缘和护套的取样部位擦净，取厚度约的薄片状试样，将样品磨平，放在 棱镜上，再从样品后侧加压，使样品与棱镜均匀接触。先进行背景采集，再进行样品图谱采集。电气设备电工技术中国电工网 老化基准曲线的建立与分析样品电缆各老化阶段的基准状态指标测试结果见表。根据测试结果，绘制各状态指标与老化时间的关系曲线，断裂伸长率、抗张强度、压缩模量、氧化诱导期的曲线分别 如 图 所 示，测 量 得 到 的 红 外 光 谱 如 图 所示。表各阶段老化状态指标测试数据等效运行年限 年断裂伸长率抗张强度 压缩模量（）氧化诱导期 图 1 断裂伸长率老化曲线断裂伸长率/(%)等效老化时间/年01020304050300250200150100500图 2 抗张强度老化曲线等效老化时间/年抗张强度/(N/mm2)0102030405012.812.712.612.512.412.312.212.11211.9图 3 压缩模量老化曲线等效老化时间/年压缩模量/(N/mm)35302520151001020304050图 4 氧化诱导期老化曲线等效老化时间/年01020304050氧化诱导期/min140120100806040200图 5 各老化阶段红外光谱图从图 可看出，样本电缆在热老化和辐照老化后，随着老化时间的增加，断裂伸长率的数值越来越小，说明绝缘材料的延伸性逐渐变差；压缩模量的数值越来越小，说明绝缘材料逐渐变硬；氧化诱导期的数值越来越小，说明材料的抗氧化性能越来越低；抗张强度随老化时间的增加没有发生明显的规律性变化。各老化阶段电缆样品绝缘的红外光谱在各个特征峰上皆没有发生明显的规律性变化。根据加速老化后的状态指标测试结果，电缆的断裂伸长率、压缩模量和氧化诱导期随老化时间的增加而发生明显规律性变化，因此这项参数可以作为判断电缆老化趋势的指标来使用。其中，断裂伸长率随着老化的增加，最为平滑和单调的下降，是跟踪电缆老化状态更为优良的指标。电缆的抗张强度、红外光谱随老化时间增加并没有发生明显的规律性变化，因此这个参数不推荐作为电缆老化趋势指标来使用。老化状态监测指标应用比较断裂伸长率具有良好的寿命跟踪性，但是拉伸试验属于破坏性试验，且需要样品尺寸较大，取样会对电缆造成破坏性影响，因此无法针对在役电缆实施测量，只能通过留样电缆或更换下来的电缆进行测量。压缩模量具有较好的老化跟踪效果，测试属于无损试验，但现场电缆的安装形式也限制了压缩模量测试的使用，例如安装在导管内的电缆或密集成束难以分开的电缆就不能进行测量。因此，压缩模量只能针对在役电缆的部分区域进行测试。测量氧化诱导期只需微量的样品就能进行，从现场安装的电缆上微量取样不影响它的性能。不过氧化诱导期只适用于含抗氧化剂的材料，微量样品也只能从在运电缆护套表面截取，测量结果不能代表整段电缆的老化状态。结语本文对低压电缆加速老化后的各项状态指标测试结果进行分析，断裂伸长率、压缩模量和氧化诱导期这项指标随老化时间的增加而发生明显规律性变化，可以作为判断电缆老化趋势的指标来使用。在核电厂建设期应在高（下转第 页）电工技术电气设备2023 1期（）架空线终端杆处有一相终端头端部密封填充胶喷出，接地引出线位置烫伤电缆头下端外护套，此应为流经电缆芯线及电缆金属屏蔽铝层的电流过大，产生的高温引起填充密封胶熔化并在压力的作用下喷出，与金属屏蔽铝层连接的接地引出线高温导致终端头下端外护套烫伤，这也与上一条的结果相呼应。（）在施工工艺上，电缆接头主绝缘与电缆主绝缘结合处未清理干净，有灰尘、刀痕损伤或电缆主绝缘未打磨光滑，会出现局部放电，加速电缆绝缘下降，导致电缆接头处绝缘击穿故障，但出现接头爆裂烧毁的情况较少见。（）在电缆线路路径附近的高压架空线路发生接地故障，接地电流会经电缆金属屏蔽铝层对地形成回路放电，使电缆金属屏蔽铝层电压过高、电流过大，温升过高破坏电缆接头绝缘性能，引起电缆接头爆裂烧毁。分析结论初步结论为此电缆输电线路接地方式不适宜，单芯电缆线路在运行过程中过载、短路故障、操作过电压或雷电冲击时，金属屏蔽铝层上会形成很高的感应电压，此时若将电缆金属屏蔽铝层两端三相互连接地（电缆中间接头处引出铜编织带直埋接地几乎可忽略不计），则金属屏蔽铝层产生很大环流，其电流值可达电缆芯线电流的 乃至更高，形成损耗，使金属屏蔽铝层持续发热升温，降低电缆线路的载流量，加速电缆及电缆接头绝缘的老化、变质等情况。由于离电缆线路端头有效接地点距离越近则电压越高，环流越小，而离接地点距离越远电压越低，环流越大，因此出现电缆线路的接头由电缆线路中部向电缆线路两端批量爆裂烧毁现象，架空线终端杆处一终端头端部密封填充胶熔化喷出，终端头接地引出线位置因高温烫伤电缆头下端外护套从侧面也能佐证上述结果。电缆接头材料受潮直接影响成品电缆接头的绝缘强度，也有加重电缆接头批量爆裂的因素。在电缆接头制作过程中，主绝缘结合处、接续管处未打磨平整，未清理干净，有灰尘、金属屑等引起局部放电，导致有少部分电缆接头处绝缘被击穿。解决措施（）查询 变电站本次两回电缆线路发生事故前的运行电流、负荷曲线变化情况的运行记录，分析是否有过载现象。经查，本次两回电缆线路故障时的负荷分别为 和 ，测 算 电 流 为 ，无 过 载现象。（）复核电缆线路的接地方式是否满足要求，电缆接头说明书中要求中间电缆头金属屏蔽铝层必须引出接地线接地，若复核结果为电缆线路两端直接接地、中间接头处引出接地铜编织线直接与土壤接触不满足要求，则应在电缆线路两端装设金属护层电压限制器接地，中间接头处直接接地，或另以交叉互联接地方式接地。（）电缆接头材料在运输过程中需有防潮措施，要保证电缆接头材料到达施工现场时符合要求。（）电缆接头位置应避开地势低洼、积水潮湿处。直埋敷设电缆的接头与邻近电缆的净距不得小于 ，并列电缆的接头位置宜相互错开，且净距不小于。（）严格把控电缆接头制作工艺质量，冷缩电缆接头必须在天气晴朗、空气相对湿度为 及以下的情况下一次完成，防止受潮。剥切电缆时不得伤及芯线绝缘，密封电缆接头时注意清洁，防止污秽与潮气浸入绝缘层，要求电缆接头制作人员技术熟练、精湛。参考文献 陈景轩 及以下单芯电缆金属屏蔽层接地方式浅谈电源技术应用，（）：刘洋电力电缆各屏蔽层作用及金属屏蔽层接地方式的探讨城市建设理论研究：电子版，（）：王文珍，王志坚 高压电缆头故障对策分析山西电力，（）：罗先念关于工程设计电力电缆选择的要求科技与企业，（）：电气装置安装工程电缆线路施工及验收标准（上接第 页）温、高辐照的区域选择典型的电缆进行老化管理留样，并通过加速老化试验建立电缆断裂伸长率、压缩模量和氧化诱导期的老化基准曲线。后续在机组大修期间定期开展留样电缆取样和在运电缆老化状态测试，将测试数据与老化基准数据做对比，进而有效地评估现场电缆的老化状态。参考文献 张益舟，龚智明，王雷，等 基于介电性能的电缆热老化及辐照老化检测技术研究 绝缘材料，（）：乌晓燕，李玉鸣，钟志民 热辐照联合老化电缆的压入模量性能研究绝缘材料，（）：刘韬，马回明，韩飞，等 核电厂低压电缆的老化状态监测技术 电线电缆，（）：刘韬，朱斌，张涛，等 基于压痕模量的电缆老化状态检测系统的开发绝缘材料，（）：郑会，乌晓燕，李玉鸣，等 级电缆概率可靠性剩余寿命预测方法核科学与工程，（）：电气设备电工技术