熱老化對XLPE絕緣核級電纜火災絕緣失效影響研究

李　強，張佳慶，左嘉旭，舒中俊，楊益琛

(1.武警學院 a.消防工程系； b.研究生隊，河北 廊坊　065000；2.國網安徽省電力公司 電力科學研究院，安徽 合肥　230022；3.環境保護部 核與輻射安全中心，北京　100082)

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熱老化對XLPE絕緣核級電纜火災絕緣失效影響研究

李強1a，張佳慶2，左嘉旭3，舒中俊1a，楊益琛1b

(1.武警學院 a.消防工程系； b.研究生隊，河北 廊坊065000；2.國網安徽省電力公司 電力科學研究院，安徽 合肥230022；3.環境保護部 核與輻射安全中心，北京100082)

為評估服役核級電纜在火災中絕緣失效情況，對加速熱老化后的XLPE絕緣核級電纜在模擬火災環境下的絕緣失效參數展開試驗研究，結合加速熱老化與實際老化年限關系，分析老化影響規律在工程中的應用方法。結果表明，電纜絕緣失效線芯溫度和絕緣失效時間隨著加速熱老化時間的增長呈線性下降趨勢?；陔娎|絕緣材料斷裂伸長率保留率，可以有效估算電纜試樣老化壽命和一定服役年限電纜的絕緣失效參數。

核級電纜；熱老化；絕緣失效線芯溫度；絕緣失效時間

0　引言

核級電纜工作環境嚴苛，在使用過程中不可避免的受到溫度、濕度、輻射、蒸汽、臭氧等環境因素長期的累積影響，其物理化學性質將出現不可逆變化[1]。研究表明，核級電纜在其生命周期的主導老化因素為熱老化[2]。熱老化作用會造成電纜絕緣材料劣化[3]，電纜自身和內部添加劑的熱分解將產生物質強極性，增強電纜絕緣材料導電性能[4]，提升電纜故障點燃風險。同時，熱老化作用也會對電纜的燃燒特性和火災中持續供電能力產生不利影響[5]。由于核級電纜必須具有較高供電安全要求，在服役過程中應就電纜在火災中絕緣失效規律展開研究，但目前該研究尚未針對核級電纜開展，電纜受熱絕緣失效規律的工程指導分析并不充分。因此，本文將對加速熱老化后的XLPE(交聯聚乙烯)絕緣核級電纜在模擬火災環境下的絕緣失效規律展開試驗研究，分析老化影響規律在工程中的應用方法。

1　試驗設計與方法

試驗電纜選用某電纜廠生產的WDZ-HK3-PYJP3YJP3-300/500V核級電纜(XLPE絕緣1E級K3類300/500V銅芯無鹵低煙阻燃交聯聚乙烯絕緣交聯聚乙烯護套屏蔽電纜)。采用揚州道純試驗機械廠生產的401C型熱老化試驗箱，按GB∕T 2951.12—2008[6]試驗方法對電纜樣品進行加速熱老化，研究中選取的加速熱老化溫度Ta、加速熱老化時間th及實際老化年限ta如表1所示。

選用蘇州宇諾儀器有限公司生產的萬能試驗機，按GB/T 2951.11—2008[7]試驗方法，對老化后電纜進行拉力試驗，測量絕緣材料的斷裂伸長率保留率(EAB)。采用自行開發的SDR-1型電纜熱輻射試驗爐模擬火災熱環境(熱輻射通量為5.4 kW·m-2)。電纜相間絕緣電阻測量采用同惠電子股份有限公司生產的TH2683A型絕緣電阻測試儀，按文獻[8]方法判定電纜受熱絕緣失效，確定電纜絕緣失效線芯溫度Tc和絕緣失效時間ts。

表1　加速熱老化試驗數據

2　加速熱老化與實際老化年限預測

IEC 60216-1：2013推薦以電纜試樣的斷裂伸長率保留率作為評價其老化性能的指標[9]，可用于判定電纜絕緣材料失效[10]。研究中，加速熱老化后試驗核級電纜的斷裂伸長率保留率如表1所示。采用時溫疊加方法，可將老化數據外推至運行溫度下，可以模擬電纜在實際工作環境下的老化趨勢[11-12]。以60 ℃為電纜實際運行溫度Tr，將主數據群內的所有數據進行擬合，得到電纜試樣的老化壽命曲線，如圖1所示。

3　結果與討論

圖2～圖4為不同加速熱老化溫度情況下電纜受熱絕緣失效線芯溫度隨加速熱老化時間的變化規律。在環境高溫作用下，電纜受熱絕緣失效線芯溫度在加速熱老化初期均略有上升，這可解釋為電纜絕緣材料在熱老化初期易揮發組分溢出消耗部分能量。隨著易揮發組分溢出，在絕緣材料內部形成大量細小孔洞，降低了材料的導熱能力。隨著加速熱老化時間的增長，電纜受熱絕緣失效線芯溫度線性降低，其下降速度隨著加速熱老化溫度升高而增加。

圖1　采用時溫疊加方法獲得核級電纜試樣老化壽命曲線

圖2　150 ℃加速熱老化后電纜絕緣失效線芯溫度

圖3　165 ℃加速熱老化后電纜絕緣失效線芯溫度

圖4　180 ℃加速熱老化后電纜絕緣失效線芯溫度

圖5～圖7為不同加速熱老化溫度情況下，電纜受熱絕緣失效時間隨加速熱老化時間的變化規律。從圖5和圖6可知，電纜受熱絕緣失效時間隨著加速熱老化時間的增長而降低。但隨著加速熱老化溫度升高，電纜受熱絕緣失效時間與加速熱老化時間之間的線性關系明顯減弱，電纜受熱絕緣失效時間的下降幅度也小幅降低。在加速熱老化Ta=180 ℃時(如圖7所示)，電纜受熱絕緣失效時間隨加速熱老化時間增長呈現先下降后上升的變化規律。這是由于在電纜試樣加速熱老化初期，電纜護套材料物理性質基本保持不變，電纜受熱絕緣失效時間隨加速熱老化時間增長而相應減少的規律未發生變化。而當加速熱老化溫度升高，老化時間增長時，電纜護套材料在環境強烈熱輻射作用下在材料表層出現了明顯的炭化現象，電纜護套材料的物理性質發生明顯改變。炭化層的形成阻礙了環境熱量向電纜線芯內部的傳遞能力，電纜受熱絕緣失效時間隨熱老化程度加深而呈現小幅增加。

圖5　150 ℃加速熱老化后電纜絕緣失效時間

圖6　165 ℃加速熱老化后電纜絕緣失效時間

圖7　180 ℃加速熱老化后電纜絕緣失效時間

引入電纜加速熱老化與實際老化年限對應關系，可得到電纜絕緣失效線芯溫度(圖8)和電纜絕緣失效時間(圖9)隨實際老化年限的變化規律。

圖8　電纜絕緣失效線芯溫度與實際老化年限

圖9　電纜絕緣失效時間與實際老化年限

由圖8可以看出，不同加速熱老化溫度電纜試樣的絕緣失效線芯溫度均隨老化年限的增加而相應降低。對電纜絕緣失效線芯溫度與實際老化年限進行一元線性擬合，可得：

(1)

如圖8所示，將電纜絕緣失效線芯溫度與實際老化年限線性曲線延長，可估算不同老化年限時間節點電纜絕緣失效線芯溫度的降低程度△T。對于實際運行溫度為60 ℃的電纜，服役20年后其電纜絕緣失效線芯溫度降低為178 ℃，降幅為43 ℃。當電纜服役時間為40年時，其電纜絕緣失效線芯溫度降低為147 ℃，約為原絕緣失效線芯溫度的2/3。

由圖9可以看出，不同加速熱老化溫度電纜試樣的絕緣失效時間均隨老化年限的增加而降低。對電纜受熱絕緣失效時間與實際老化年限進行一元線性擬合，可得：

(2)

如圖9所示，將電纜絕緣失效時間與實際老化年限線性曲線延長與x軸相交于25.8 a。這意味著，對于在環境溫度為60 ℃服役25.8 a的核級電纜，發生環境熱輻射強度為4.5 kW·m-2火災時會立即發生絕緣失效。同時，也可以根據該方法估算電纜更換時間。例如，核電廠工程師期望保障電纜在環境熱輻射強度為4.5 kW·m-2火災時的正常工作時間為200 s。根據圖9所示線性關系，則估算電纜更換極限時間為17.7 a。

4　結論

通過對加速熱老化后XLPE絕緣核級電纜試樣斷裂伸長率保留率和絕緣失效參數開展試驗研究，獲得了加速熱老化與實際老化年限關系、熱老化作用對電纜絕緣失效影響規律，主要結論為：(1)在加速熱老化作用下，電纜絕緣失效線芯溫度和絕緣失效時間與加速熱老化時間呈線性關系，且隨著熱老化時間的增長，老化程度的加深，電纜絕緣失效線芯溫度和絕緣失效時間均呈下降趨勢。(2)采用基于電纜絕緣材料斷裂伸長率保留率的時溫疊加方法，可獲得線性關系較好的電纜試樣老化壽命曲線。電纜受熱絕緣失效試驗研究結果表明，電纜絕緣失效參數與估算的實際老化年限間依然保持了良好的線性關系。

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(責任編輯、校對馬龍)

Experimental Study of Thermal Ageing Effect on Insulation Failure of XLPE Nuclear Grade Cable

LI Qiang1a, ZHANG Jiaqing2, ZUO Jiaxu3, SHU Zhongjun1a, YANG Yichen1b

(1.a.DepartmentofFireEngineering;b.TeamofGraduateStudent,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China;2.StateGridAnhuiElectricPowerResearchInstitute,Hefei,AnhuiProvince230022,China;3.NuclearandRadiationSafetyCenter,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100082,China)

Application methods of the insulation failure laws of nuclear grade cable in engineering were also analyzed by combining the relation between accelerated thermal aging and physical life of nuclear grade cable. Results indicate that the insulation failure temperature of wire core and time of insulation failure decreased linearly with the time increase of thermal aging. The physical life of nuclear grade cable and insulation failure parameters could be estimated, on the basis of elongation at break.

nuclear grade cable; thermal ageing; insulation failure temperature of wire core; insulation failure time

2016-02-16

大型先進壓水堆核電站國家科技重大專項CAP1400安全審評關鍵技術研究(2013ZX06002001-004)；電力火災與安全防護安徽省重點實驗室開放課題(DLHZ201603)

李強(1979—)，男，吉林省吉林市人，副教授，博士； 張佳慶(1987—)，男，安徽桐城人，工程師； 左嘉旭(1980—)，男，遼寧沈陽人，高級工程師； 舒中俊(1964—)，男，湖北京山人，教授； 楊益琛(1991—)，男，河北滄州人，安全技術及工程專業在讀碩士研究生。

TM247;D631.6

A

1008-2077(2016)04-0014-04