核電廠安全級電氣連接器的設計與試驗

摘要：為實現安全級儀表信號的可靠傳輸，核電廠中常采用可拆卸的電氣連接器連接儀表與電纜以及電纜與電纜。對電氣連接器技術進行調研，設計了一種結構簡單、性能可靠、操作安裝方便、在地震以及嚴重事故下能有效吸收振動載荷、能夠承受更長時間的輻照老化和熱老化的安全級電氣連接器。依托研制樣機開展了功能性能試驗和鑒定試驗，試驗結果表明，安全級電氣連接器具有極高的可靠性，能夠滿足核電廠事故環境下的需求。該連接器可推廣于其他惡劣環境條件下的應用領域。

關鍵詞：核電廠電氣連接器安全級儀表事故

中圖分類號：TB21

DesignandTestingofSafety-LevelElectricalConnectorsin

NuclearPowerPlants

LIUDanhui1XUTao1ZHUJialiang1QINYue1LIZhuoyue1WANGHailin1

LIHongxia1JIANGDangnian2LINing2TANGChun2

1.ScienceandTechnologyonReactorSystemDesignTechnologyLaboratory，NuclearPowerInstituteofChina，Chengdu，SichuanProvince，610213China;2.SinosealHoldingCo.，Ltd.，Chengdu，SichuanProvince，610045China

Abstract：Inordertorealizethereliabletransmissionofsafety-levelinstrumentsignals，detachableelectricalconnectorsareoftenusedtoconnectinstrumentsandcables，aswellascablesandcablesinnuclearpowerplants.Thispaperinvestigatesthetechnologyofelectricalconnectors，anddesignsasafety-levelelectricalconnectorwithasimplestructure，reliableperformanceandeasyoperationandinstallationthatcaneffectiveabsorbthevibrationloadinearthquakesandseriousaccidentsandwithstandirradiationagingandthermalagingforalongertime.Basedonthedevelopedprototype，thefunctionalperformancetestandidentificationtestarecarriedout.Testresultsshowthatthesafety-levelelectricalconnectorhasveryhighreliability，whichcanmeettheneedsofnuclearpowerplantsintheenvironmentofaccidentsandbepromotedtotheapplicationfieldsinotherharshenvironmentalconditions.

KeyWords：Nuclearpowerplant;Electricalconnector;Safety-leveldurability;Accident

核電廠安全級電氣連接器主要用于安全級儀表和電纜以及電纜和電纜之間的可快速拆卸并復裝的連接。可在核反應堆正常運行、事故和事故后的環境條件下保持電氣連接功能。目前，國內核電廠所用的安全級電氣連接器大多是國外進口產品，難以滿足國內儀表廠家的豐富接口需求，且難以對國內新研儀表提供有力支持。

安全級電氣連接器屬于安全級設備的配置部件，需經過相應的鑒定試驗項目。從實際應用環境及使用方式出發，設計了多種規格的安全級電氣連接器，并制定適用于安全級電氣連接器的鑒定試驗方法，通過試驗發現并糾正設計過程中的缺陷，使連接器設備達到預期的技術指標。

1安全級電氣連接器功能性能

對國內外連接器廠家、各電廠以及儀表和電纜廠家進行調研，并與核電廠總體目標相結合，分析確定核電廠安全級電氣連接器的具體性能指標。

安全級電氣連接器需要實現安全級儀表信號可快速拆卸并復裝的連接。連接器需要在正常運行、事故和事故后的環境條件下保持電氣連接功能。

根據調研分析，核電廠安全級電氣連接器需滿足總泄漏率≤1.0×10-7mL·bar/s的密封性能；連接器應具有防差錯設計，防止插頭和插座之間錯誤連接；連接器設計壽命需≥60年，其中密封墊片≥3年；連接器插拔次數≥200次；正常情況下的絕緣電阻應≥1000MΩ/500VDC，事故工況下的絕緣電阻應≥5MΩ/500VDC；連接器應進行表面處理，以提高表面的強度和抗腐蝕能力；緊固件應進行熱處理，以確保機械強度在壽期內滿足要求；插頭和插座之間實現快速連接，無分散零件；密封環應固定安裝，不脫落。

2安全級電氣連接器設計

核電廠安全級電氣連接器外形如圖1所示，根據功能需求進行分類，連接器的安全等級為1E級。

依據當前已有研究理論[1-6]及經驗反饋，結合核電廠安全級電氣連接器各項功能性能需求，采取了各種優化設計。為保證連接器本體具有優異的機械性能，采用整體棒材加工連接器結構件；為保證連接器有良好的絕緣和抗輻照性能，采用PEEK作為絕緣材料；為保證連接器針芯有良好的電氣和機械性能，采用銅本體鍍金材料作為針芯；為保證連接器有較好的機械性能，采用316L不銹鋼作為結構件材料；為保證連接器與電纜的良好契合，采用自適應線夾結構；為保證連接器在運行狀態連接緊密，并在振動、地震時有效吸收軸向應力，采用波片彈簧壓緊。同時連接器整體設計為無分離部件，以確保運行、安裝與維護過程中的安全可靠性能。

連接器需要在各種工況下保證良好密封，因此對設備研制提出了較高的要求。為此采取雙重密封結構的連接器設計，使用不同材料實現徑向和軸向的雙重密封結構，其中徑向密封墊圈可以吸收來自連接器徑向的振動和地震沖擊載荷，而軸向密封墊圈可以吸收連接器軸向方向上的拉伸和壓縮載荷。

為了實現連接器的快速拆裝和盲裝，設計了特殊的兩重鎖緊結構。可以確保針芯的對準，滿足插入深度要求，并且在固定插頭插座時，通過螺旋倍增結構，可有效減小插入力，同時該結構還可完全實現盲裝，降低了安裝難度。

最終設計的安全級電氣連接器由螺母、座套、插座絕緣體、密封圈、波片彈簧、插頭絕緣體、擋圈、外殼組件和尾蓋等部件組成。設計的電氣連接器涵蓋同軸、多芯、直通等多種形式，典型配置為傳感器端連接部件。當配置在不同傳感器上時，可根據傳感器接口設計進行適應性調整。

3功能性能試驗

為保證電氣連接器設備能夠正確按要求執行功能，滿足相關性能指標，需開展相關功能性能試驗。試驗樣件的功能性能試驗應在正常環境條件下進行，在試驗前需完成設備集成和電纜接線，與適配的傳感器一同進行試驗。功能試驗包括插拔試驗和連通性試驗，性能試驗包括接觸電阻試驗、絕緣電阻試驗、介電強度試驗和密封性能試驗。

4鑒定試驗

安全級電氣連接器需滿足K1級設備鑒定要求。根據《核電廠安全級電氣設備質量鑒定試驗方法與環境條件》（EJ/T1197）以及IEEE572第6.2.3節相關要求，制定試驗順序。試驗按照下述順序進行。

基準試驗包括目視檢查、接觸電阻檢查、絕緣電阻試驗、介電強度試驗。

正常環境條件下極限值試驗包括電磁兼容試驗。

機械強度和耐久性試驗包括熱老化試驗、多次通斷試驗、低溫試驗、高溫試驗、溫度變化試驗、交變濕熱試驗、恒定濕熱試驗、輻照老化試驗、振動試驗。

事故環境條件試驗包括事故輻照試驗、抗震試驗、特殊環境試驗。

（1）目視檢查，無銹蝕、裂紋、涂覆層剝落、緊固部位松動、絕緣體起泡、開裂、變形等現象；（2）絕緣電阻≥100MΩ（500VDC）;（3）接觸電阻≤20mΩ

5試驗結果

安全級電氣連接器順利通過了功能性能試驗及質量鑒定試驗。其中正常環境條件下，接觸電阻小于4mΩ，絕緣電阻2TΩ，介電強度試驗漏電流小于0.004mA，泄漏率為6.3×10-11bar·cm3/s。事故環境條件下，電氣連接器的絕緣電阻有所下降，試驗中最小測量值大于120GΩ，仍能滿足核電廠安全級電氣連接器絕緣電阻不小于5MΩ的要求。

6結論

針對核電廠安全級電氣連接器需求，對標國內外先進電氣連接器性能指標，采取了雙重密封結構、雙重鎖緊結構等優化設計，設計了一種高可靠性能的安全級電氣連接器。本文對連接器的電氣和結構設計方案進行了闡述，制定并開展了適用于連接器的功能性能試驗和鑒定試驗。試驗結果表明，安全級電氣連接器具有極高的絕緣、密封和可靠性能，能夠滿足安全級設備的信號傳輸需求，保證系統的安全性。

參考文獻

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