核电站用电缆简析

1核电站用电缆简析一，前言现代电力工业的发展状况是一个国家是否发达的重要标志之一，而核电技术的发展程度则在一定意义上反映了该国高新技术水平的高低。核电作为一种新能源，在上世纪60年代异军突起，70年代突飞猛进，到了80年代，由于工业发达国家的节能技术迅速发展，电力需求有所减少，核电应用迅速下降。此时，核能利用在很多西欧国家遭到环保者和“绿党”的强烈反对，世界核能发展进入低谷。进入新世纪，能源的紧张和资源稀缺的显现，加之人们越来越担心火力发电带来的地球温室效应对环境的负面影响，而开始看重核能干净、便宜的一面。同时核电技术的进步也大大降低了核电站的危险性，使得核电站再次受到人们的青睐。欧盟决策咨询机构联合研究所主席罗兰•申克尔在欧洲科学论坛上指出，核能将是未来几十年内替代化石燃料、满足全球能源需求的最好选择。核电之所以能成为重要的能源支柱之一，是由它的安全性、运行稳定、寿期长和对环境的影响小等优点所决定的。大部分核电发达国家的核能发电比常规能源发电更为经济。核电在我国同样具有较强的潜在经济竞争力，核电站向环境释放的温室气体，只是同等规模煤电厂的百分之一。据国际原子能署称，到2004年底，全世界已有440座核电站投入运营，另有26座正在建造之中，还有100多座正在设计之中。其中，中国和印度等发展中国家正致力于建造更多的核电站，而美国的104座核电站，正为全美提供全国总需求的20%电力。目前世界上有33个国家和地区有核电厂发电，核发电量占世界总发电量的17％，其中有十几个国国家和地区核电发电量超过各种的总2发电量的四分之一，有的国家超过70％。据资料估计，到2005年核电厂装机容量将达到388567兆瓦。我国自1971年建成第一艘核潜艇以后，立即转入了对核电站的研究和设计。经过几十年的努力，我国迄今已经建成核电机组8套，还有3套正在建设之中，到2005年全部建成，我国的核电装机容量达到870万千瓦。从我国的第一套核电机组——秦山30万千瓦核电机组并网发电以来，到目前为止，我国核发电总量已超过1500亿千瓦时。国家发改委分管电力和能源的副主任张国宝说，2020年我国核电装机容量要达到4000万千瓦，届时核电占全部电力装机量的比例就将达到4％～4.2%。按照这个计划，在未来的15年中，必须要建设大约32个百万千瓦的机组。因此，我国对核电技术的引进、开发一直在加紧进行。张国宝透露，中国除了在国际上招标引进第三代核电技术外，成熟的第二代核电技术仍将广泛用于核电站建设中。第一代核电站是指核电由军用转为民用时的技术，第一代核电站是上世纪五十年代中期建成的核电站；第二代核电站是建立于上世纪六、七十年代，目前正在运行的核电站；第三代核电站是于上世纪九十年代，由压水堆核电站的鼻祖美国西屋公司提出的AP600和AP1000技术。美国西屋的AP1000（属于三代半技术）是最先进的压水堆技术，其安全性比现在运行的第二代核电站的安全性提高100倍，同时整个系统大幅度简化：阀门减少40％、泵减少35％、电缆减少80％、抗震等级要求的建筑物减少35％。第三代核电站在未来60年的使用过程中，运行维修工作量大大减少。目前，只有美国西屋和法国法码通核能公司掌握第三代核电站技术，世界上尚未建立起利用第三代技术的核电站。法国法码通核能公司也只是正在芬兰建设第一座第三代核电站。我国即将进入核电站建设发展高潮时期，核电站用电缆的全面国3产化是必然趋势。国外经济专家认为，要完成这样大规模的核电工程建设，按保守的估计，投资额也在400亿美元以上。中国核工业集团公司，希望新建核电站的平均国产化率能够达到60%，这样估计有240亿美元（约2000亿人民币）的货物可能国产化。从我国电线电缆行业分析，在目前电缆制造技术水平上，只要再进一步改进设备和产品开发，电线电缆的国产化率可达到95%以上，电线电缆生产企业正面对一个具有巨大吸引力的核电站用电线电缆的市场，值得引起我们的关注。二，核电站用电线电缆要求1，核电站的核能传热流程核电站就是利用一座或若干座动力反应堆所产生的热能来发电或发电兼供热的动力设施。反应堆是核电站的关键设备，链式裂变反应就在其中进行。目前世界上核电站常用的反应堆有压水堆、沸水堆、重水堆和改进型气冷堆以及快堆等。但用的最广泛的是压水反应堆。压水反应堆是以普通水作冷却剂和慢化剂，它是从军用堆基础上发展起来的最成熟、最成功的动力堆堆型。核电厂用的燃料是铀。用铀制成的核燃料在“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能，再用处于高压力下的水把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机带着发电机一起旋转，电就源源不断地产生出来，并通过电网送到四面八方。以压水堆为热源的核电站。它主要由核岛和常规岛组成。压水堆核电站核岛中的四大部件是：蒸汽发生器、稳压器、主泵和堆芯。在核岛中的系统设备主要有压水堆本体，一回路系统，以及为支持一回路系统正常运行和保证反应堆安全而设置的辅助系统。常规岛主要包括汽轮机组及二回路系统，其形式与常规火电厂类似。核电站与一般电厂的区别主要在于核岛部分。核电站由原子核裂变产生巨大能量，转化成电力的传热过程，如4图1（a）所示。从比较图1可以看出核电站的一回路系统在火力发电中是不存在的。这一回路系统是比较复杂的部分，这在图2中可看出其大致的组成部分，这部分属于防止放射性物质泄漏的第二屏障，若这部分的管道发生破裂，有关电缆将受到γ和β射线的侵害，不过剂量并不很大，一般情况下交联聚烯烃和乙丙橡胶绝缘及护套电缆，能通过考验，电缆能经受热老化、规定的辐射剂量和耐电压试验。图1（a）核电站的核裂变能量传热流程（b）为火电传热流程图图2压水堆核电站回路系统图51－反应堆压力容器；2－稳压器；3－蒸汽发生器；4－主循环泵；5－汽水分离器和再；6－气轮发电机组；7－凝汽器；8－凝结器；9－给水泵2，核电站电缆的安全级要求与标准美国IEEE690-1984标准《核能发电站IE级回路用电缆系统的设计和安装导则》是专为核电站中与安全相关的电缆系统（包括辅助回路）的设计与安装提供指导，也可作为某些与安全无关，但可能对安全有影响的电缆系统设计与安装提供引导。IEEE690标准规定的具体对象为电缆，现场接头和连接。IEEE690标准的前身为IEEE442-1977导则，该导则实际上也作为标准使用。1984年将导则制订为标准，并且于2002年再次得到确认。IEEE690标准主要针对IE安全级的电缆，IE级回路的定义为：安全级回路是指完成反应堆紧急停堆；安全壳隔离、堆芯应急冷却、反应堆余热导出、反应堆安全壳的热导出；防止放射性物质向周围环境排放等功能的电气系统设备的安全级。IEEE690标准也对辅助回路提出同样的要求，当然不是包含所有的辅助回路，此处辅助回路的定义如下：与1E级回路分管电力供应、信号源、封闭或管线的回路；或采取了可被接受的间隔距离、隔离围墙或隔离措施装置，但与1E回路未完全分隔或电气绝缘的回路。我国核电站设计，根据安全等级和电缆敷设场合，将IE级分为K1、K2和K3类三种电缆：K1类电缆是辅设在壳内，在正常和在地震负载下及在事故情况下和事故后能执行其规定功能的电缆；K2类电缆是辅设在壳内，在正常和在地震负载下能执行其规定功能的电缆；K3电缆是辅设在壳外，在正常和在地震负载下及在事故情况下和事故后能执行其规定功能的电缆；6这三类电缆要求有所差别，核电设计部门对电缆的选型另行制订更具体的规范，电缆制造部门也相应规范来制订各类产品标准。图3是核电站基本组成部分的布局，从图3可以看出在安全壳内部敷设的电缆将长期受到不同程度的辐射剂量，而敷设在安全壳外部的电缆则不受到有危害性的辐射剂量。但是，当发生泄漏事故时安全壳外部的电缆，也会受到一定的辐射剂量，因此不论敷设在安全壳内或外的电缆，只要和核系统有关的，都应符合IE安全级要求。1，反应堆一回路系统；2，停堆冷却系统；3，化学和容积控制系统；4，危急堆芯冷却系统；5，应急柴油发电机组；6，冷却剂补给系统；7，硼再循环系统；8，核能区厂房通风系统；9，废物处理系统；10，核能区冷却水系统；11，常规设备区冷却水系统；12，气轮发电机组；13，厂用供电系统；图3核电站基本组成及其布局示意图值得指出的是：图3中常规区所用电缆，不属于IE级电缆；核反7应堆用电缆不属于IE级范围。K1类电缆不包括核反映容器内部的电缆。核反映容器内部的电缆的工作条件，按反应堆压力容器设计而定，这类电缆一般为刚性结构，导体和护套为不锈钢或用户指定材料，绝缘可采用氧化镁或用户指定材料。所用材料要求高纯度、限制含硼元素成分，因为硼对吸收中子有影响，同时要求所用材料受到中子撞击后，不应产生二次发射。3，IE级电缆的种类、结构和要求从用途来说，核电用电缆品种与一般火力发电厂基本相同，但其材料组成和试验项目则有较大的差异。主要品种有1kV及以下电力电缆、控制电缆、仪器仪表电缆、热偶补偿电缆以及6/10kV等级电力电缆等品种、规格。1E级回路所需电缆按电压水平、信号水平和防范电气干扰等因素，对电缆系统提出电气分隔要求而具体分为：1）中压电力电缆，电压等级为601～15000V，通常设计用于核电厂内辅助系统有关设备供电；2）低压电力电缆，电压等级为600V及以下，常设计用于核电厂内辅助系统有关设备供电；3）控制电缆，通常在较小电流水平下应用，或在需要改变核电厂内辅助系统设备运行状态时，电缆间隙通电方式运行；4）仪表电缆，用来传输变量的电流或电压信号（模拟），或用来传输编码信息（数码）；电缆敷设时规定中压电缆不应压在任何低压电缆的上面，以免压伤低压电缆绝缘。仪表电缆的敷设，若会受到邻近回路和设备的电气干扰，应使不允许受到的干扰信号降低到最小。IEEE690标准提出了屏蔽和屏蔽接地的要求。对于中压电力电缆，除非特殊设计外，5kV以上电缆的绝缘和导体应有限制电场的非金属材料屏蔽。屏蔽层必须有效的与电缆终端连接。同时应采用金属屏蔽8层完成有效的单点或多点接地，当多点接地时，金属层应符合各种感应电流容量的要求。对于仪表电缆，可在其绝缘芯外（含线对、三线组和四线组）编织金属线或绕包金属带或绕包聚酯薄膜金属（铝或铜箔）复合带，此屏蔽层的目的是抑止外部对其感应或内部向外发射的干扰，屏蔽层主要是降低芯间和组间的电磁耦合。此外对屏蔽还应注意以下几点：1）结构上要求屏蔽层必需保持导电连续性，所以绕包聚酯薄膜金属复合带时，金属面应向内，并包含纵向裸绞线作为导引线，导引线截面在产品标准种规定。当二根电缆在终端连接时，应将屏蔽用导线可靠连接；2）每根电缆的屏蔽层应是相互绝缘的，以防止屏蔽层分散接地和多点接地。所以在屏蔽层外应再搭盖绕包一层聚酯薄膜。国内有些不正规产品，绕包聚酯薄膜金属复合带时金属面向外，成缆后再用铜线总编，表面上看似乎连接很完整，实际上构成不规则的分散接地，在传输某些信号时会产生畸变现象；3）屏蔽层设计时，若只是考虑降低静电或电磁耦合的功能，就不应作为导体使用，即不允许用作传导额外的电流或电压；4）标准的同轴电缆、三同轴电缆和仪表电缆。应符合系统设计要求和设备制造商提出的结构。1E级回路电缆系统的阻燃和防火要求：1）阻止火焰渗透措施，电缆束应具有规定的阻燃等级；2）火焰熄灭（自熄），要求材料、电缆束在火灾中着火后能够自熄，这在电缆产品标准应有具体规定；3）电缆系统的封闭，是指组合在电缆系统周围的一系列装置，这些装置在规定时间内，能使电缆系统和包括周围装置本身，能保持回路安全和完整性的措施。由于发生火灾后的过程比较复杂，所以对电缆不只是要求阻燃，也需要顾及其他方面，这包括以下几方面：9（1）阻燃材料、电缆和管线材料，三者应具有相容性，其含义是这些材料在正常使用和发生火灾时均不会有相互侵害因素；（2）在安装过程中不应产生毒气、腐蚀气体或异味气体（刺激性气等）；（3）在安装和运行过程中，管材和电缆的径向和纵向膨胀和收缩，可能对电缆绝缘和护套产生挤压作用，但挤压不应造成绝缘和护套破损；（4）符合电缆载流量要求。（5）火灾发生时，为阻止火焰参透，会产生某些物质的压力，上述材料、管道和电缆应能