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第三代核电站用电缆绝缘热寿命试验研究

2024-06-07 来源:易榕旅网
2011年第6期 No.6 2011 电线电缆 Electric Wire&Cable 2011年l2月 Dec.,2011 第三代核电站用电缆绝缘热寿命试验研究 王怡瑶, 贺金红, 陈媚玉, 武宇波, 魏莹莹, 范克俭 (上海电缆厂有限公司,上海200093) 摘要:处于世界领先地位的第三代核电站正首次在中国商业化建设,该电站设计要求具备60年的运行寿命。 针对其所用的电缆开展了60年热寿命试验的研究和评定,确定所选用的绝缘材料具备60年使用寿命,能够 满足第三代核电站电缆的热寿命要求。 关键词:电缆绝缘;热寿命;试验;计算 中图分类号:TM246.9 文献标识码:A 文章编号:1672-6901(2011)06-o031-05 Thermal Life Test of the Cable Insulation Used in the Third Generation Nuclear Power Plant NG Yi.yao.et al (Shanghai Cable Works Co.,Ltd,Shanghai 200093,China) Abstract:The third generation global leading nuclear power plant was being commercial constructed for the ifrst time in China,and its service life is designed for more than sixty years.This paper studies the sixty years thermal test of the cables used in the nuclear power plant,to make sure that the insulation materil used in the caables will have at least a service life of 60 years,and the cables call satisfy the requirements of the nuclear power plant. Key words:cable insulation;thermal life;test;calculation 0引 言 AP 1000是美国西屋公司开发的第三代百万千 瓦级压水堆核电机组,与二代核电技术有显著区别。 AP 1000通过采用非能动专设安全系统,提高系统 的可靠性,简化系统,并采用模块化建造技术缩短建 1g =a+b/T 式中, 为产品在温度 条件下的工作寿命;T为工 作温度(绝对温度K);口、6为与材料热老化本质有 关的系数。 利用这一原理,选择无卤低烟阻燃辐照交联聚 烯烃为绝缘材料,将其试样暴露在高于预估温度指 数的至少3个、最好是4个老化温度下进行热老化 造周期,以此来达到核电厂安全性和经济性的有机 协调。第三代核电站用电缆的运行寿命要求60 年 ,远远高于二代核电4O年的要求,其所用的绝 缘材料,除了要具备良好的电气性能和机械物理性 能,更要具备优良的长期耐热性能。因此,开展第三 代核电站电缆绝缘60年热寿命评定试验研究是十 分必要的。 试验。通过测定试样老化后的评定性能来确定试样 的终点时间,得到终点时间的对数和热力学老化温 度之间的阿累尼乌斯方程,绘制热寿命曲线,得到 90 ̄C下无卤低烟阻燃辐照交联聚烯烃绝缘的使用 寿命。 2试验方法 有关热寿命评定试验方法主要有UL 746B、 1试验原理 电缆绝缘所采用的高分子材料,在一定温度范 IEEE Std 98、IEC 60216和GB/T 11026(等同于IEC 60216)。通过研究比较可以看出:它们之间的最大 差异在于对热老化试验用的老化烘箱的技术要求有 所不同 ],UL 746B和IEEE Std 98方法中所要求的 围内热老化时大多符合化学反应动力学的热老化寿 命方程,即阿累尼乌斯(Arrehenius)线性关系 : 收稿日期:2011-06-09 老化烘箱为强迫通风,速率为100~200次/h,而 GB/T 11026(IEC 60216)方法中所要求的老化烘箱 为自然通风,通风速率为5—20次/h。根据现有条 基金项目:上海市优秀学科带头人计划(B类)项目 “第三代核电站用系列电缆研制开发” (08XD1420600). 件,本项研究确定以GB/T 11026为试验依据。 作者简介:王怡瑶(1963一),女,教授级高级工程师. 作者地址:上海市军工路1076号[200093]. .2011年第6期 No.6 20ll 电线电缆 Electric Wire&Cable 2011年12月 Dec..201l 3试验程序 3.1评定性能的确定 所选的性能应尽可能反映材料在实际应用中的 功能。作为热寿命评定的性能参数应与产品实际损 坏的性能有关;应与热老化的时间与温度显示明显 的关系;在一定温度范围内应与热老化的关系是均 匀而不突变的。不同材料的热寿命评定的性能参数 是不完全相同的,而每种材料的热寿命也会随选择 的评定性能不同而有所不同。 根据积累的试验经验以及GB/T 11026.2— 2000中推荐的聚烯烃(包括交联聚乙烯)的评定性 能,确定断裂伸长率为本次热寿命评定试验中的评 定性能。 3.2终点指标的确定 选择终点最好能反映绝缘材料劣化的程度。 GB/T 11026.2—2000标准推荐用性能原始值的 50%作为首选终点,来评价耐热特征参数。如果原 始值的50%终点没有实际意义,则可按次选的终点 即用性能原始值的25%作为终点来评价耐热特征 参数,使其更适合材料的应用和功能。 本试验采用性能原始值的50%作为聚烯烃绝 缘的寿命终点指标。 3.3试样的制备 老化试验用试样应由所研究总体中随机抽取的 样品组成并经均一化处理。本项试验选择无卤低烟 阻燃辐照交联聚烯烃绝缘,随机抽取,试样的尺寸和 制备方法按GB/T 528规定进行。 3.4试样数量 本项试验为破坏性试验,所需要的试样数量Ⅳ 按下式得出 J: N=a×b×c+d 式中,a为每个老化温度下每次取出的一组试样的 数量,通常为5个,性能测定之后即丢弃;b为每个 温度下的测量次数,即老化周期数,通常每个温度下 至少投15组试样;c为老化温度水平的个数;d为测 量性能原始值的试样数,当诊断标准是以其性能相 对于其原始值的百分数时,通常d=2a,当诊断标准 是性能绝对值时,通常d=0。 3.5初始性能值的确定 用于测定性能初始值的试样应从准备进行老化 的试样总体中随机选取,性能值测定之前,应把这些 试样置于温度135oC下2天进行预处理。初始值一 般取试验结果的算术平均值。 3.6老化试验温度的确定 ・32・ 在热寿命评定试验中,求取温度指数时,试样应 分布在范围足够宽的3个、最好是4个老化温度下 进行老化试验,以便能证明到达终点时间与热力学 (绝对)温度倒数之间的线性关系。为减少计算的 不确定性,应仔细选择热老化的温度范围,可参考下 列要求 : (1)最低的暴露温度应是能使测得的终点的平 均时间或中值时问大于5000 h; (2)耐热曲线的外推应不大于25 K; (3)最高的暴露温度应是能使测得的终点的平 均值或中值时间大于100 h(如果可能,小于500 h); (4)如果期望在试验的整个温度范围产生相同 的老化机理,则选择的暴露温度最好是相等间隔,通 常为20 K。如果这个准则导致机理变化,例如,当 某一转变点,像熔点或软化点,则最高暴露温度将需 要予以限制。在这种情况下,或如果半差(HIC)已 知或预期小于10 K,则老化温度水平之间的差可能 需要减少,但不小于10 K。 依据上述原则,确定老化试验温度依次为 135℃、150℃、165。【二、180℃。 3.7取样时间及试验 取样时间间隔应有计划的安排:使得最少有两 组试样测试的结果落在平均终点时间之前,至少有 一组试样的测试结果落在平均终点失效时间之后, 在该间隔内,性能随时间变化的速率最好呈现较好 的线性关系 j。具体的取样时间视老化试验后的 结果而定。 试验采用烘箱,其通风速率5—20 7. ̄/h,烘箱中 放样空间的最大温度偏差不超过5 ̄C,符合GB/T 11026.4规定。 试验时将总体试样随机分为5个一组,在每个 老化温度下至少投入15组试样,记录老化时间,并 按时取样进行断裂伸长率的测定。试验及测试方法 按照GB/T 528标准进行。 4试验结果及数据处理 4.1试验结果 第三代核电站电缆用无卤阻燃聚烯烃绝缘在不 同老化温度下及不同老化时间下测定的断裂伸长率 的试验结果如表1所示。其中,断裂伸长率原始值 为580%,寿命终点指标为性能原始值的50%,即 =50%。根据表1的试验数据绘制出聚烯烃绝缘 在不同老化温度下断裂伸长率保留率与时间的关系 曲线,如图1所示。 2011年第6期 电线电缆 2011年l2月 No.6 2011 Electric Wj &Cable Dec.,2011 点时间,如图2所示 。 loo 逞 嚣 — 蕤 瓣 蒸 豁 1\\ O 0 l00 1 000 热老化时间/h 图1 不l司老化温度F。断裂伸长率保留率与时间的关系曲线 4.2数据处理 在图1中,每个老化温度下的性能曲线与终点 标准曲线的交点对应的时间就是其终点时间,如表 2所示。对于破坏性试验,选择老化曲线的近似线 性范围,并通过最靠近终点指标的3组样品的(时 时间/h 间、性能)点,绘制平行于平均老化曲线的线,该线 图2破坏性试验——终点时间评估 与终点线的交点所对应的时间,就是需要的平均终 表1聚烯烃绝缘在不同老化温度下的测试结果 135℃ 150c【: 165℃ l80℃ 时间/h 断裂伸长率/% K2/% 时间/h 断裂伸长率/% /% 时间/h 断裂伸长率/% /% 时间/h 断裂伸长率/% /% 960 575 99 336 570 98 96 570 98 24 560 97 2296 555 96 960 540 93 288 530 91 48 525 91 3736 530 91 1320 490 84 432 5lO 88 139 480 83 4936 480 83 1776 440 76 576 470 81 487 430 74 5896 420 72 2136 40o 69 720 430 74 211 395 68 6496 375 65 2496 370 64 842 390 67 235 370 46 、 7O72 335 58 2796 320 55 984 340 59 243 350 60 7552 300 52 2876 29o 50 l136 31O 53 251 30o 52 7912 280 48 2996 24O 41 1226 26o 45 259 215 37 8272 26o 45 3120 12O 21 1320 105 18 283 80 14 4.2.1计算组平均和方差 =ni ∑ni /Ⅳ=3.2008 y一 =∑yJn l=1 计算所有老化组内方差的加权平均值: ni 2s“=[∑),;一ni-y2 ]/( 一1) s =∑ni一1)s /(N一后)=1.6159×10 根据表2,计算出每一老化组的方差。 计算 值的二阶中心距: s2l1=1.0289×10~ 52l2=2k .4080×10一 2 )=[∑ni 一胝 ]/N=8.2373×10 s13=8.3014×10~ s2l4:31227×10一 Ix2(.I=1 4.2.2总平均值和总方差 4.2.3回归方程的计算 k 回归方程:y=口+bx Ⅳ=∑n』_ ’ =1 2 ^ 1 1 k 斜率6=【∑lZi 一胍 】/【∑/t'i 一胝 】 =∑rti /N=2.3264×10 l=l ‘ 1 =5978.6175 ),轴的节距a= 一 =一10.7079 ・33・ 2011年第6期 No.6 20ll 电线电缆 Electrie Wire&Cable 2011年12月 Dee.,2011 表2试验数据及相关计算 ‘ l l l J l 2 3 135 l35 135 T/h 776o 7724 7739 =1/(273+rc) O.o0245098o4 O.00245098o4 O.O0245O9804 ,,=log(r) 3.8898617 3.8878423 3.8886848 6.OO73O49E.O6 6.OO73O49E 6 6.OO73O49E l5.13l024 15.115317 15.121870 ,, 小计 2 2 2 1 2 3 150 150 150 2844 2876 29o9 O.OO73529412 0.0o236}0662 0.002364O662 O.o02364o662 l1.666389 3.4539296 3.4587889 3.4637437 1.802l9l5E一05 5.5888O9OE 5.5888O9oE-06 5.5888090E-06 45.368212 11.929630 11.963221 11.997521 3.888796 小计 3 3 3 l 2 3 165 l65 l65 1148 1134 l136 O.0o7O92l986 O.o02283lO5O O.oo22831O5O O.0o22831o50 1O.376462 3.O599419 3.o54613l 3.O553783 1.6766427E 5 5.2125685E-06 5.2125685E 5.2125685E.O6 35.89037 9.363244 9.33O66l 9.335337 3.45882O7 小计 4 4 4 l 2 3 180 180 l8O 252 253 247 O.O068493151 O.OO22O75O55 0.O022O75O55 0.OO22O75O55 9.1 ̄69933 2.40140o5 2.4031205 2.3926970 1.56377O6E 5 4.87308O6E.O6 4.87308O6E.O6 4.87308O6E.O6 28.029242 5.766725 5.774988 5.724999 3.O56644 小计 总计 0.OO66225 l66 O.O27916971 7.1972180 38.41ooO2 1.4619242E 5 6.5O45289E一05 l7.2667l2 126.55454 2.399O73 即得到回归方程Y=一10.7079+5978.6175x 取g=10,经计算 =3.91。 根据求得的回归方程可得到聚烯烃绝缘的热寿 命曲线,如图3所示。 查GB/T 11026.3附录c.5中的 表得露= 7.8(自由度,=3,显著水平0.05),因 <蜀,故接 受在显著水平0.05以上的假设。 4.3.2线性检验(F检验) 通过显著水平为0.05下的F检验,把偏离回归 线偏差的方差s 与后测量组内的总体方差s 进行 比较,计算比值:F=s; =2387.78。 对应于 =|j}一2=2及 =N一 =8自由度的 值,查《电气绝缘测试技术》第6章附录F中方差 比值表Ⅱ,得Fo=r(0.95,2,8)=4.5。 因为F>F。,调整s 至(s )。=s2。( 图3聚烯烃绝缘的热寿命曲线 )并计算 s 的调节值: 计算由回归线得到的老化组平均值偏离回归线 s =【(Ⅳ一 )(s )。+( 一2)s 】(N一2)=0.01457 的偏差的方差: 4.3.3 和y评估的置信界限 252: 刍 可,  ・3. 8585×1× 0-2 :(1)y评估值 对应于已知 的y的评估值及其低于95%置 信界限是: ==口+bx 4.3统计检验 4.3.1方差相争}生检验 Y—tsy Y=一10.7079+5978.6175x 2 s=计算巴特利特(Baxtlettg) 函数的值: c=1 = (Ⅳ logq詈2一耋log 】 毫 1一 1_】/3(|j}一1)=1・2083 ; 【 + 宝 茅】=0.0 357× [1+( 一0.OO239) /(1.6563 x 10 )]/12 在置信水平0.95下,查IEC 60216—3 附录c 表c.4,获得在Ⅳ一2=10自由度下的t分布,即 2011年第6期 电线电缆 2011年】2月 No.6 2011 Electric Wire&Cable Dec.,2011 tn 9510 1.812。 ,下的热寿命.r帅℃=66.O1(年)。 (2) 评估值 计算对应于终点时间丁,的 值及其下95%置 5结束语 信界限: 电缆绝缘在运行情况下受到的作用因素是复杂 = + +等-2.5343×10 的,本项研究是考虑以热为主要老化因子而使绝缘 结构的性能发生不可逆变化,并以此来研究和确定 Y:log.r,X:(Y一口)/b 绝缘材料在工作温度(90℃)下的使用寿命。本项 2 2 6一 2熹 】 试验研究严格按照GB/T 11026标准规定进行,试 验用热老化烘箱符合GB/T 11026.4要求,其试验 低于95%置信界限的温度评估值计算: 程序及主要参数符合GB/T 1 1026.1要求,对所获 = 一Oo 得的试验数据处理及统计检验符合GB/T 11026.3 要求,因此可以认为,无卤低烟阻燃辐照交联聚烯烃 4.4热寿命的计算 绝缘在90℃工作温度下能够满足第三代核电站60 应用回归方程Y=一10.7079+5978.6175x计 年运行寿命要求。 算对应于终点时间20 000 h时的温度,7'/= 125.3371。C,即温度指数。用同样的方法,计算对 参考文献: 应于终点时间10 000 h的温度T/10=133.4900。C。 [1]AP 1000 DOCUMENT NO.CPP—G1一E14)02:Wire and cable de— 半差HIC=T/l0一T/=8.15。C sign criteira,discipline design criteria[R].2008. 以Y=log 20000,按4.3.3节方法计算玎的低 [2]邱昌荣,曹晓珑编.电气绝缘测试技术[M].jE京:机械工业出 于95%置信界限兀 。 版社,2olO. [3]高宝娟,张军,戴英培.核级电缆用EPR绝缘热寿命试验研究 =走一273=121.5863 [c]//第六届绝缘材料与绝缘技术学术会议论文集.1996.10. [4]GB/T 11026.1—2003电气绝缘材料耐热性第1部分:老化程 f"一rc)/HIC=0.4602 序和试验结果的评定[S]. 因(T/一rc)/mc<0.6,则报告rt(HIC)=125 [5]GB/T 11026.3—2oo3电气绝缘材料耐热性第3部分:老化程 (8.15) 序和试验结果的评定[S]. 综上所述,根据实验数据统计、评估及检验,应 [6]IEC 60216 ̄:2006(E)Electrical insulating materials-thermal ell- 用回归方程Y=一10.7079+5978.6175x计算得:无 durance properties Part 3:instructions for calculating thermal en— durance characteristics[S]. 卤低烟阻燃辐照交联聚烯烃绝缘在工作温度90 ̄C 1上接第3o页) 本文还给出了参数的测试原理和测试实现方 不平衡参数,再次验证了参数的概念和测试原理分 法。测试方法应用在上海电缆研究所研制的LCrI's 析的合理性。 电缆低频参数测试仪上,通过对标准样品测试电容 表1电容耦合和电容不平衡参数的模型所得测试数据 【单位:pF) 样品 l 2 3 4 5 6 7 8 平均值 重复性 l 329 329 330 329 329 330 331 330 330 0.8 2 1523 l527 1526 l524 l524 I525 1524 1526 1525 1.4 3 299 29l9 299 299 30o 298 299 30o 299 0.6 注:1.重复性测试样品固定。 2.重复性指标为标准偏差。 容不平衡实验[S] 参考文献: [1]GB 5441.3—85通信电缆试验方法第3部分:电容耦合及电 ・35・ 

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