核電站電纜

核電站電纜指核電站電纜絕緣及護套所用原料，包括塑膠、橡膠等多種品種。電纜種類是由電纜的種類所決定的。

核電站電纜有兩種分類方法：一種按功能分，包括測量電纜、通信電纜、儀表電纜、防火電纜(矽絕緣電纜)等；另一種是按安全級別分，核電站用電纜的安全級別屬於IE級，同時應具有4O年以上的使用壽命，IE級核電站電纜又分為K1、K2和K3,3個安全等級。核電站電纜產品的發展過程實質上是材料的更新換代，電纜的種類其原料的選擇

基本介紹

• 中文名：核電站電纜
• 外文名：Nuclear cable
• 指：核電站特殊環境下的各類電線電纜
• 包括：電力電纜、控制電纜
• 決定：電纜的種類

種類

核電站電纜指核電站電纜絕緣及護套所用原料，包括塑膠、橡膠等多種品種。電纜種類是由電纜的種類所決定的。

核電站電纜有兩種分類方法：一種按功能分，包括、測量電纜、通信電纜、儀表電纜、防火電纜(矽絕緣電纜)等；另一種是按安全級別分，核電站用電纜的安全級別屬於IE級，同時應具有4O年以上的使用壽命，IE級核電站電纜又分為K1、K2和K3,3個安全等級。核電站電纜產品的發展過程實質上是材料的更新換代，電纜的種類其原料的選擇,如表1所示。由表1中可以看出，核電站電纜主要用以下幾種。

表1：核電站用電纜備組成部分的選擇：

項目	6.6kV電力電纜	1000V電力電纜	1000V控制電纜	測量電纜	通信電纜	矽絕緣電纜
導線	鋁絞線	銅或鋁絞線	銅絞線	鍍錫銅絞線	實心銅線	銅絞線
絕緣	XLPE	XLPE或阻燃無鹵材料	XLPE或阻燃無鹵材料	XLPE或阻燃無鹵材料	XLPE或阻燃無鹵材料	矽橡膠或矽複合物
線芯保護	-	聚醋帶	聚醋帶	聚醋帶	聚醋帶	聚醋帶+銅帶
填充	-	玻璃纖維	玻璃纖維	-	-	玻璃纖維
內護層	-	-	-	無鹵阻燃材料	無鹵阻燃材料	無鹵阻燃材料
金屬禁止	銅帶繞包	-	-	鍍錫銅絲編織	鋁複合帶繞包鋼帶	-
鎧裝		-	-	-		鋼帶
外護套	無鹵阻燃材料	無鹵阻燃材料	無鹵阻燃材料	無鹵阻燃材料	無鹵阻燃材料	無鹵阻燃材料

交聯聚乙烯

交聯聚乙烯(Cross—linkedpolyethylene，XLPE)是將線型結構聚乙烯用適當方法處理後，生成網狀或體型結構的高聚物，具有優良的耐熱性(軟化點為200%)、電絕緣性、耐低溫性和耐化學性，良好的耐輻射性，用作電纜的絕緣材料。

EVA彈性體

乙烯一乙酸乙烯酯(Ethylene-vinylacetatecopolymer，EVA)是乙烯和乙酸乙烯酯的共聚物。它具有優良的抗輻照、耐化學品等性能，用作電纜的護套，同樣須加入較多的阻燃劑使其具有阻燃性。

矽橡膠

矽橡膠或矽複合物是主鏈具有矽和氧飽和結構的橡膠，具有極高的化學穩定性，優良的耐熱老化性、耐臭氧性、抗輻照性、耐高壓水蒸氣性，優異的電絕緣性，適宜作絕緣材料。通常，核級電纜用乙丙橡膠(EPR)作絕緣(也有採用雙層絕緣的，如內層EPR、外層EVA)，用交聯EVA橡膠作護套。原因在於橡膠類材料在高溫高壓試驗中不易產生永久變形，可保證電纜的正常結構，比塑膠類材料更安全。而用於安全殼內的核級電纜的絕緣和護套主要是熱塑阻燃無鹵素或交聯阻燃無鹵素材料，如用XLPE作絕緣，低煙無鹵阻燃聚烯烴作護套，同時也有用EPR作絕緣，交聯EVA作護套。

電纜特性

性能低煙

核電站用電纜的絕緣和護套材料必須採用低煙、無毒、無腐蝕性的無鹵阻燃電纜，如熱塑阻燃無鹵素或交聯阻燃無鹵素材料，才能滿足特殊的核安全要求。無鹵電纜在發生火災時，燃燒釋放的煙霧量很低，不帶毒性及腐蝕性，其阻燃成分可有效發揮阻燃作用，不會使電纜成為火焰蔓延的通道。無鹵阻燃電纜的主要技術特性有:(1)核電站用電纜煙的總累積量Dm<150;(2)無毒性及腐蝕性，即電纜燃燒不析出HCI和CO;(3)具有阻燃性，聚合物的阻燃性通常用氧指數(0I)法來評定，一般OI≥28。

耐環境性

核電站電纜用材料必須具有耐環境性，即耐熱性、耐輻照性和耐LOCA性。
(1)耐熱性由於核電站電纜常在高溫環境下工作，高溫電纜。因此它們需要具有長期耐熱使用性能，要選用耐熱性滿足要求的聚合物，並可讓電纜具有40年以上的使用壽命。
(2)耐輻照性(緩和環境，嚴酷環境)核電站用電纜受到大量射線時會使絕緣和護套材料變脆，力學性能變差。因此，作為核電站電纜用的絕緣和護套材料，必須具有優良的耐輻照性。各種不同的高聚物，其耐輻照性能不同。人們通常在高聚物里添加抗輻照劑，改進其耐輻照性能。
(3)耐LOCA性核電站中，通常將冷卻劑損失事故(Lossofcoolingaccident,LOCA)和高能管破裂事故(Highenergylinebreak,HELB)統稱LOCA。在發生LOCA/HELB時，電纜會受到高溫高壓蒸汽的衝擊和腐蝕性化學藥劑的作用，並且要受到比正常運行情況下更高劑量的射線輻射。因此，核電站電纜應具有耐LOCA性。

生產工藝

核電站電纜通常採用擠出、注塑和模壓3種主要的生產方法。無論是哪種生產方法原料最初的加工基本相同，都需要乾燥、初混，然後依據生產核電站電纜的種類和原料的不同而有所區別。

擠出法製備

熱塑性電纜的生產方法主要是擠出法。擠出設備可用於混合，也可用於造粒。擠出工藝主要包括擠出溫度及螺桿轉速的設定。隨配方體系的不同，電纜對應的擠出溫度也有所不同。同一種電纜在不同擠出設備上擠出溫度也不同，主要隨擠出機螺桿結構不同而相異。另外，擠出機機頭的選擇也對電纜有很大影響。例如，阻燃聚烯烴電纜與非阻燃聚烯烴電纜的不同之處在於前者含有阻燃劑填充，其中低煙元鹵阻燃電纜填充量甚至高達150phr以上，這就導致了其在熔融狀態下強度、拉伸比、熔體粘度與非阻燃聚烯烴電纜存在較大差異，從而要求擠出時模具的選配也有所不同。一般來說，阻燃聚烯烴電纜均適用於擠壓式(多用絕緣擠出)、半擠管式及擠管式模具(多用護套擠出)。使用擠壓式時，因聚烯烴電纜熔體粘度大使得機頭壓力增加，擠出製品壓得較密實，導致離模時會有所膨脹，故可選用模套內徑尺寸比成品尺寸小5%左右;使用半擠管式及擠管式模具時，必須考慮到電纜的拉伸比。

注射法製備

注塑法經常用於批量生產，在注塑過程中，泵送系統在全封閉狀態下將不同的組分直接泵入混合機內進行均化，然後泵入模腔中。在高溫下，電纜在模腔中快速實現模塑和固化，注射僅需3~10s，模塑和固化則需要10~90s或更長的時間才能完成，具體根據注射質量和部件的最終厚度而定。注塑的整個流程採用封閉式，可大幅度減少污染。而且由於採用一步式自動流程，可保證部件質量連續一致，減少差異現象或人為因素。同時可減少材料準備所需的人力，降低注射壓力，加快周期速度，實現系統全自動。

模壓法製備

模壓法需在高混機或雙輥開煉機中進行預混(初混)，而後在雙輥開煉機上混煉成型。此方法必須在低溫下進行，因此，運行周期更長，消耗較多人力。
模壓通常是在平板固化機上完成，按一定的規格下料後置於壓制模具中，合模後在液壓機上按規定的工藝條件壓制，在加熱和加壓的條件下，電纜呈現塑性流動充滿型腔，再經一定時間的持續加熱後完成固化成型。

國核心電站

核電站電纜主要採用聚乙烯作主料。如採用乙烯-乙酸乙烯酯共聚物製備的核電站IE級電纜材料，該電纜具有較好的機械及加工性能、耐高溫、燃燒時不易滴落等優點。利用乙烯～乙酸乙烯酯共聚物40～85%，乙丙膠和矽橡膠15%～60%，研製成一種矽烷交聯聚烯烴電纜，該技術不但使用溫度範圍可達-70～125℃，而且耐低溫性能也得到較大改善．可以承受最低-70℃的低溫，耐熱等級也由9O℃提高到125℃，在電纜承載能力或負載相同情況下，延長了使用壽命，電纜可用於1OkV及以下電纜作絕緣護套，特別適用於移動式電纜或柔軟連線系統。王樂以乙烯一乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、線性低密度聚乙烯(LLDPE)、有機矽(ZD)、氫氧化鋁(ATH)、氫氧化鎂(MH)、有機矽粉為原料，EVA與LLDPE按比例混合作為基體樹脂，ATH與MH按比例混合作為複合阻燃劑，並用鈦酸酯偶聯劑進行表面處理，得到的多相複合體系無鹵阻燃電纜護套料具有優異的力學性能和阻燃性。
此外，計初喜明研究了一種全新的聚醚醯亞胺工程塑膠，該塑膠可廣泛套用於航海、軍事、鐵路、隧道等各領域的電纜，它所具有的無鹵、無毒、阻燃、耐腐蝕、優良的耐輻射性能，更適用核電站環境，是一種理想的IE級KI類電纜的絕緣和護套。深圳市泰士特線纜已對該材料進行了生產，進一步說明該材料易加工、性能好。
耐輻照是核電站電纜的一項重要指標。上海電纜研究所的孫建生等採用了3種核電站電纜進行了輻照老化試驗，得出材料的斷裂伸長率、抗張強度、硬度、體積電阻率等與輻照劑量的變化關係，並且還研究了不同輻照類型射線
對材料老化的影響，為正確選擇核電站電纜提供了依據。上海交通大學金天雄等也研究了Υ輻照對交聯聚乙烯絕緣電纜水樹行為的影響，研究發現，在0~3000kGy的Υ輻照劑量範圍內，隨著輻照劑量的增加，交聯聚乙烯絕緣的凝膠含量增加，羰基指數值增加，超過1500kGy的輻照劑量時，凝膠含量增加和羰基指數保持基本不變或再次降低，隨著輻照劑量增加到2000kGy，水樹枝長度增加，水樹數量(水樹密度)也增加。另外，與熱老化相比，交聯聚乙烯絕緣在Υ輻照作用後生長的水樹形狀差異性較大。
另外，專家們在對核電站用絕緣和阻燃電纜進行研究的同時，解決了現有核電站電纜製造工藝複雜、成本較高，且耐長期熱老化、拉伸強度較差等問題。吳道虎以氯磺化聚乙烯作主體骨架材料，並用一定量的乙丙橡膠，過氧化物作硫化劑，HVA-2和TMTP作助硫化劑，氫氧化鋁作阻燃劑，硬脂酸鋅作表面處理劑，對煅燒陶土和LEE白滑粉表面進行處理，研製的電纜護套料可滿足核電站的使用要求和IEC502的性能要求。王巧娥等採用三元乙丙橡膠、苯基矽橡膠、表面處理過的氫氧化鎂阻燃劑和其它配合劑，通過正交試驗研究各組分對絕緣材料性能的影響，確定了耐輻照無鹵低煙阻燃絕緣材料的配方，該絕緣材料具有高阻燃性能、抗輻照性能，同時具有良好的力學性能和電絕緣性能。李月霞採用低煙無鹵阻燃聚烯烴，以氫氧化鋁、氫氧化鎂和硼酸鋅作阻燃劑，通過異向高速組合式雙階雙螺桿造粒系統，然後經共混無機阻燃體系進行熔融擠出造粒，製備出的低煙無鹵阻燃電纜，具有在著火後不延燃、低煙無鹵、無毒、無腐蝕等特性，特別適合於核電站、地下鐵道、隧道、高層建築以及廣播電視台等場合。

研究現狀

目前，國際上從lkV低壓電纜、6～35kV中低壓電纜至110kV高壓電纜都傾向於用交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電纜。其中XLPE生產技術主要分3大類：輻射交聯主要生產電氣裝備用電纜；矽烷交聯用矽烷作為交聯劑，在催化劑作用下使PE交聯；化學交聯以低密度聚乙烯(LDPE)為基料，有機過氧化物為交聯劑，適合於高溫、高壓、高頻等條件使用的線纜，可製造6~35kV、35110kV中高壓電纜，航空電纜，控制電纜，其生產技術主要由美國GE公司發明並推廣套用。
BelkinaljudmilaIvanovn。採用氟橡膠、低分子量的粘性樹脂、交聯劑、雲母粒子和無機填料，製成的絕緣電纜具有較高的耐電暈性能、優良的彈性、耐熱性能和阻燃性能。
20世紀80年代初，國外就已研製了低煙無鹵阻燃電纜，到80年代後期，已經開發了第二代電線電纜用無鹵阻燃電纜。同第一代產品相比，第二代無鹵阻燃電纜除了在阻燃性能、發煙性、毒性、腐蝕性能、力學性能、電性能上有所改進外，其高速擠出性能是一大特徵。日本每年頒布50餘件與無鹵阻燃電纜有關的專利，這些發明大多屬於日立電線株式會社、日本聯合碳化物公司以及藤倉、住友等電線公司。他們試圖用不同的方法解決無鹵阻燃電纜的主要問題，既能克服阻燃性能與其他性能的矛盾，又能對各種性能進行綜合平衡。
日本原子能研究設施研製出一種可以耐核反應堆中核聚變反應產生的超高溫和強輻射的核電站電纜，這種電纜可以在溫度超過1000℃、輻射量率超過100MG的惡劣條件下正常工作，它是由導體外面包覆一層絕緣層而形成，絕緣層主要是由含有0.1%～2.0%的氧化物Si—N—O的纖維織物形成，篩網是一層由陶瓷預聚體聚合物處理過的無機絕緣材料形成的。
國外EPR已廣泛套用在電力電纜、礦用電纜、船用電纜、電機引出線和核裝置用電纜等耐熱和高壓產品上，使用量約占電纜工業橡膠總用量的10%～15%。商品化的乙丙橡膠絕緣料和禁止料已經相當成熟。
MohammedA等研究了交聯聚醋酸乙烯酯(EVA)/低密度聚乙烯(LDPE)/金屬氫氧化物複合電纜，以交聯聚醋酸乙烯酯和低密度聚乙烯為主料，氫氧化鋁和氫氧化鎂作阻燃劑。研究發現含有氫氧化鎂電纜的性能多數好於含有氫氧化鋁的電纜的性能；當採用氫氧化鋁作阻燃劑時，用馬來酸酐接枝聚乙烯優於用乙烯基矽烷作相容劑接枝聚乙烯。
而俄羅斯國內電纜工程中的科學和技術發展方向又依據於研究是否有創新。這些研究方法包括中高電壓的交聯聚乙烯絕緣電纜的發展和組織生產、耐燃電纜的研究，尤其注重寬頻接入系統的光纖電纜行業的發展。

展望

按照國家有關部門的規劃，到2020年我國核電投產裝機容量將實現4000萬kw的戰略目標，這意味著中國核電發展正在“升溫”。而核電站電纜是核電站的一個重要電器部件，其使用場所的條件比較苛刻，安全方面的要求高，不僅要具有普通電纜的一般特性，還要具有低煙、無鹵、阻燃等特性，特定的耐環境性，如耐輻射性、耐LOCA(失水事故)等。
由於我國的核電站電纜的發展需求與技術支持脫節，面對國外的技術封鎖和對國外核電站電纜嚴重的依賴，這些進口電纜產品價格昂貴，耗用了大量外匯，所以開發核電站用電纜是一項艱巨而緊迫的任務——任重道遠。