核電站1E級DCS柜內線纜選擇原則

韓少華，張嵐（中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

隨著數字化儀控系統（以下簡稱DCS）在核電站的應用，核級DCS（以下簡稱1E DCS）在滿足法規標準的要求下，滿足核電站工藝控制需求、滿足傳輸和響應時間要求，是集合計算機技術和自動控制技術為一體的復雜工程。為此，在1E DCS機柜設計時需綜合考慮多方面的因素，本文將論述上述大框架下機柜線纜選型的幾個方面，并結合法規最終形成一套原則。

1 核級DCS系統工程的特點

（1）核級DCS是集計算機通訊技術和自動控制系統為一體的復雜工程。如圖1所示為例，在核級DCS控制系統中，使用了基于CPU的軟件控制技術和計算機網絡通訊技術，具有信號處理集中、網絡傳輸實時性要求高等特點。從這一點出發，對機柜內配線提出了要具備密集布線的能力，同時芯線對高頻和低頻信號傳輸都具有較高的能力。

（2）核級DCS作為核電站的一部分，且控制的對象多為核安全設備，所以需滿足核電站設計、建設和運營中的一切法規要求。柜內線纜選擇時，也依然要遵循法規標準要求。圖1為核級DCS設計時應遵循的法規標準體系：DCS柜內線纜選型時需結合機柜整體設計原則，作為DCS機柜的一個部分，滿足環境、抗震、EMC以及隔離等一系列要求。

圖1 核級DCS設計時應遵循的法規標準體系圖

2 法規標準對1E DCS機柜設計的約束

在法規標準中對1E DCS機柜設計的制約因素有：

（1）滿足RG1.152，核級系統元件的選擇；

（2）滿足RG1.189，運行核電站防火；

（3）滿足RG1.209，（Environmental qualification of safetyrelated computer-based instrumentationand control systems in nuclear power plants）；

（4）滿足RG1.100， (Seismic Qualification of Electric and Mechanical Equipment for Nuclear PowerPlants)；

（5）滿足RG1.180，（Guidelines for Evaluating Electromagnetic and Radio-Frequency Interferencein Safety-Related Instrumentation and Control Systems）；

（6）滿足RG1.175 (Criteria for Independence of Electric Systems)。

其中，DCS機柜內配線選擇需考慮：

（1）與機柜內其它元件成套后滿足上述法規關于鑒定（抗震、隔離、EMC、環境）的要求；

（2）防火設計；

（3）產品選擇的成熟性。

3 1E DCS機柜電纜設計原則

3.1 滿足機柜整體抗震、環境、EMC、隔離等鑒定要求

（1）滿足機柜內信號傳輸要求。對于1E DCS機柜，在線纜選擇時，需滿足信號衰減小、傳輸速度高，盡量選擇適合寬頻信號傳輸的控制電纜，滿足控制器CPU與I/O模件之間的數字高頻信號通訊，以減少信號在傳輸時導致的波形失真。此外，介電常數小，體積電阻率高（絕緣性能好），都是在儀控柜選擇控制電纜和信號電纜需考慮的因素，以獲得最好的信號傳輸效果和絕緣效果。表1是對比市面通用的絕緣材料做個對比，可作為一個選擇的依據。

表1 市面通用的絕緣材料對比表

（2）滿足機柜內導線布置要求。數字化DCS系統的控制盤柜具有功能集中、信號量大、進出線密集等特點，往往要求控制盤柜內的線纜具有較高的信號傳輸性能、較小的彎曲半徑（柔軟性）和導體規格，有利于滿足安全級柜內布線和隔離要求。

只有在上述原則滿足的條件下，柜內線纜和機柜內其它部件匹配起來才能更好地通過抗震、環境、EMC、隔離等鑒定要求。

3.2 滿足防火的要求

法規對DCS機柜防火設計的要求如表2所示。

表2 法規對DCS機柜防火設計的要求

可見在各國的防火標準中，都提出了阻燃的強制要求。

3.3 滿足環保的要求

在國際綠色環保組織的推動下，以歐洲為中心的世界性環境保護意識日益增強，使用環境友好型電纜可能是未來的一種趨勢。從上述標準法規也看出，在滿足阻燃這一強制要求之下，HAD102、IEEE420等都提出應盡可能地采用無鹵型材料。而材料工業的進步，為這種選擇提供了可能性。如新型的交聯聚烯烴材料，是我國電纜行業主打的低煙無鹵阻燃材料，是核電站電纜的發展方向，并且隨著技術的成熟，必將成為1E DCS機柜內材料選擇的趨勢。

4 1E DCS機柜電纜設計過程

1E DCS機柜在設計時，在滿足隔離、布線、環境要求之外，防止火災設計是設計重點考慮的對象。

圖2 1E機柜設計考慮流程

有了以上所示的法規標準的約束和DCS柜內電纜設計原則，在機柜設計時，需從防火角度考慮，滿足以下幾點：

（1）防止火災發生；

（2）快速探測并撲滅已經發生的火災；

（3）防止尚未撲滅的火災蔓延。

在上述三點中，對DCS機柜線纜選擇要求主要集中在第一點：防止火災發生。于是1E級DCS柜內線纜，在充分計算極限短路工況下，應選擇滿足低火災載荷，難燃的材料是法規的硬性要求。圖3是應當遵循的對于絕緣材料評價選擇過程。

圖3 絕緣材料評價選擇過程

在這個流程中，充分分析柜內著火可能性，對多重短路工況進行假設，計算極限短路是產生的局部熱量，理論得出對的線纜絕緣和護套材料的材料選擇范圍。詳細展開的設計流程如圖4所示。

圖4 1E機柜設計流程

表3簡單比較集中通用的絕緣材料的基本材料特性分析。在做材料選擇時，需綜合分析適用性。

表3 通用的絕緣材料的基本材料特性分析表

其中最重要是所選擇的材料對機柜內極限短路工況時產生的局部高溫要有包絡性，從而保證在極限短路工況下，機柜內導線的絕緣材料可正常工作，不達到燃點，不發生燃燒現象，最好是能包絡在材料的正常耐熱范圍內，這樣局部的短路產生的高溫并不會改變材料的化學性能和機械性能，從而保證材料的使用壽命。

在得出理論計算數據后，下一步，對環保的要求，對產品成熟性的考慮需介入，從而在允許的幾種材料中選擇最適合的1E DCS機柜材料。

5 結語

通過上述對標準法規的解讀，對1E DCS柜內線纜的設計和選擇需充分考慮以下幾個方面：

（1）不會影響到機柜參加環境、抗震、EMC、隔離鑒定時的評價結果，即線纜在選擇時應充分考慮傳輸性能、絕緣性能是否滿足系統的設計要求；

（2）防火設計對材料的要求；

（3）環保和成熟性。

并且，在1E DCS機柜在電纜選擇設計時，應當遵循必要的流程，從而保證各個因素和環節被充分考慮無遺漏。

6 現狀和探討

通過調研目前的國內外現狀，通過遵循上述設計流程，選擇下來，不約而同，特氟龍材料（FEP）由于其良好的阻燃防火性能，優良的電氣、機械性能，占據著核級DCS機柜內配線的主流角色。

但是從保護操作員和環保的角度，無鹵材料（XLPE）的推廣是發展方向，而我國核安全監管機構一直要求在滿足電氣、機械、阻燃性能的基礎上盡最大可能地使用低煙無鹵阻燃材料也恰恰印證了這個趨勢。

但是，事物的發展都有一個客觀的規律和過程，無鹵線纜雖然是一個發展方向，但是現階段，用在核級DCS柜內配線，仍面臨著一個成熟性的過程。需在充分論證了布線可行性，信號傳輸滿足性，對最大短路工況包絡性的前提下，經過充分的鑒定和使用經驗證明其可行性。

綜上所述，盡管各國主要的法規標準對1E DCS柜內線纜是否含鹵都并沒有強制的要求，但是線纜無鹵化作為核電用電纜的發展方向，應當積極探討無鹵線纜在核級DCS柜內的應用可能性，應在滿足電氣、機械、阻燃性能的基礎上盡最大可能地使用低煙無鹵阻燃材料。