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1．電老化壽命評定的依據
法國核電站用1E級K3類電纜中的，6.6kV電力電纜應通過2U。5000h的熱循環電老化壽命試驗，電纜如不擊穿，對電纜正常運行期限超過40年給予認可。由于試驗時間太長，設計了加速試驗方案，即提高試驗電壓，縮短試驗時間，考驗電纜是否擊穿。很多文獻報道，認為電纜在20~90℃下擊穿電壓受溫度變化的影響很小，所以試驗在室溫下進行。為了充分體現出電纜絕緣的安全余度，***后再補充電纜經受逐級升壓試驗。應用這種試驗方法，并非求取壽命指數(n)，而是利用現有壽命評定經驗來對照電纜設計的安全性。
關于交聯聚乙烯絕緣電力電纜的電老化壽命問題，國內外已進行了有大量試驗和報道。普遍認為的電老化壽命方程式為：
Unt＝C; 式中，U-----電纜上施加的電壓
n----壽命指數
t----電擊穿時間
c----常數(與結構等有關)
早期文獻報道，濕法制造交聯聚乙烯絕緣電纜，其壽命指數n大于9，近期文獻報道，干法制造交聯聚乙烯絕緣電纜，其n為15-22，上述公式中t為擊穿時間，如果在規定試驗時間內，電纜并末擊穿，則說明試驗結果還有安全余度。核電站要求電纜使用壽命為40年，法國規定試驗條件12kV 5000h電纜不擊穿，可利用上述公式來推算電壓與時間的關系。
工作電壓U0＝6kV 要求工作時間t0＝350400h(40年)
試驗電壓Ul＝12kV 要求試驗時間tl＝5000h
代入壽命方程式 U0nt。＝U0ntl＝c
6n×350400＝12n×5000
解得n＝6.13比15小得多，還不到9，說明該試驗方法有安全度。當確定6.13指數后，可應用(Ul／Uy)6.13＝ ty/tl的關系式，計算出施加其他電壓(Uy)情況下的***短擊穿時限。
當電纜分別施加電壓為 24kV 30kV 36kV
計算出***短時限要求為 72h 18h 6h
如果電纜在***短時限內擊穿，則電纜不夠安全，反之則電纜是安全的。
2．三根電纜試樣的試驗結果及其分析
第一根試樣施加試驗電壓24kV經72h試樣未擊穿，繼續升壓至30kV經18h仍未擊穿，再升壓至36kV經6h還未擊穿。而后以每秒鐘3kV升壓速度，繼續升壓至121kVlmin仍末擊穿，試驗結束。第二根試樣加30kV經18h末擊穿，再升壓至36kV經6h末擊穿。而后以每秒鐘3kV升壓速度，繼續升壓至121kVlmin仍末擊穿，試驗結束。第三根試樣加36kV經6h末擊穿。而后以每秒鐘3kV升壓速度，升壓至121kVlmin末擊穿，試驗結束。從上述試驗結果來看，第一根試樣經受了等效于三倍加壓時間的試驗，***后還保持相當高的瞬時擊穿強度。通過三根試樣的試驗，可體現出一定的重復性，每根試樣在規定電壓下所經受的時間，比等效于2U。5000h還多或至少相等，***終均未擊穿，證明電纜的電場強度設計安全系數很大。
3．電纜20天連續加電壓與熱循試驗
這是另外設計的參考試驗。對電纜連續施加1.73Uo電壓，同時導體通以電流進行循環加熱，使線芯達到100℃左右，一晝夜內通電8h，余下時間自然冷卻。定期在2U。下測量局部放電量，共測5次，從第1次測量(原始測量)到第5次測量放電量都在5pC以下，實際上顯示數值相同，可認為電纜基本無發生電老化現象。這項試驗并不說明絕緣設計安全余度，但說明電纜的使用穩定性。
1E級K3類電纜的絕緣電阻
電線電纜大都有絕緣電阻要求，但達到1E級K3類電纜的絕緣電阻指標確有難度。絕緣線芯的絕緣電阻的公式如下：
R＝klog10D／d
D----絕緣外徑mm
d----導體外徑 mm
R----絕緣電阻測量值 MΩ
k----無論何種絕緣材料的絕緣常數，其數值應不小于如下規定：
20℃時為3000Ω．km
60℃時為30Ω．km
90℃時為3Ω．km
對于非阻燃交聯聚乙烯材料，常數k可以符合以上規定，但對于阻燃絕緣材料，則難以勝任，以1．5mm2計算，導體外徑為1．56(3×0．52)mm，絕緣外徑為2．96(1．56十1．4)mm，當 20℃時，ρ至少大于8．2×1014Ω·cm，而大多數阻燃聚烯烴材料的體積電阻率只大于1.0×1013Ω·cm。浸水狀態下測量結果常不能符合指標要求，如用體積電阻率再高出十倍以上的阻燃絕緣材料，則價格昂貴得多。為了解決這個問題，在導體與絕緣之間采用隔離層是一個可取的方法。隔離層是電纜中的輔助結構，是標準中允許存在的元件，并可由企業自行確定。當然 隔離層不允許損害電纜原定的性能指標，須***有利于產品性能的提高。
1E級K3類電纜的導體和絕緣之間可采用聚酯薄膜作隔離層，聚酯薄膜的使用溫度、體積電阻率、機械性能均高于交聯聚乙烯。作為“隔離層”其厚度不計人絕緣厚度之內，薄膜本身厚度很薄，不會影響電纜總外徑規定。聚酯薄膜繞包層本身不是封閉絕緣，但有主絕緣保護，所以不會產生水解反應，性能長期保持穩定，有效保證產品絕緣電阻。聚酯薄膜隔離層還能阻擋．金屬離子遷移到絕緣層，這有利于推緩交聯乙烯材料的熱老化過程。電纜結構中的隔離層不需要考核熱化性能，但用戶對此會提出質疑，所以對聚酯薄膜的耐熱性有必要加以證實。表3介紹聚酯薄膜主要性能，并可參照阻燃交聯聚乙烯進行比較。
表3
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性能項目 |
單 位 |
聚酯薄膜 |
阻燃交聯聚烯烴 |
|
密度
抗張強度
斷裂伸長率
介電系數
體積電阻率
介電強度
長期工作溫度
短期使用溫度
容許瞬時溫度(5s) |
g／cm3
MPa
％
Ω·cm
KV／mm
℃
℃
℃ |
1．39
80(屈服)
200
3．4
≥1017
≥190*
120
150
250 |
1．4
12(斷裂)
140
3．5
≥1013
≥25**
90
130
250 |
*試樣為聚酯薄膜 **試樣為交聯聚乙烯模壓片
國內外大量資料報道，聚酯薄膜的溫度指數為130／150℃。溫度指數通常是指20000h的外推的結果。參考日本官本晃男著文，聚酯薄膜(PET)以下降到50％作為終止點處理，溫度為135℃時，壽命外推為21000h。若繼續外推當溫度取90℃時，壽命外推為2510000h，約相當于286年。因此聚酯薄膜在1E級K3類電纜中作為隔離層應用，比交聯聚乙烯熱壽命評定還長得多。有的用戶接受了這種結構，還有的用戶并不贊成，有待今后商榷。
絕緣線芯的阻燃問題
一般電線電纜只對成品進行單根燃燒試驗考核，我國核電規范對1E級K3類控制電纜等產品，要求取出絕緣芯進行單根燃燒試驗。IEEE383-1974也規定這項試驗，試驗按ASTMD2220-68第5款進行，其試驗對象是聚氯乙烯絕緣電線電纜，IPCEAS -19-81借用了這種方法，我國GBl2666．2-90 DZ-3是參考此方法制訂的。值得注意的是美國核電站用電纜未規定線芯須***采用無鹵低煙絕緣材料，含鹵絕緣(氯磺化聚乙烯)線芯很容易通過這項試驗。我國1E級K3類電纜規定絕緣應采用無鹵低煙材料，也要求通過IPCEA S-19-81單根燃燒試驗，其難度很大，即使選用氧指數很高的絕緣材料，效果也不一定理想，相反對其他性能的負面影響較大。參考法國NF C32-070-1991燃燒試驗方法標準后，對這樣的單根燃燒試驗提出必要的疑問。NF C32-070包括用電爐作為熱源的燃燒試驗方法，這是無焰燃燒試驗方法，這種裝置的原理見圖4，裝置底部的電爐用來加熱空氣，空氣的溫度和流量均可控制，裝置上部的電爐用來加熱(烘烤)電線試樣，當到達規定溫度后，用點火器點火，觀察試樣是否點燃。 從實質上看，無焰法能檢驗出絕緣材料是否在高溫下逸出大量可燃氣體，若有超過一定量可燃氣體逸出，就可能引燃絕緣線芯，從而判定產品不合格。根據以往經驗，無焰法試驗對無鹵低煙絕緣芯是有利的，目前因無試驗裝置而加以證實。
當前用戶仍堅持用有焰法燃燒試驗考核(DZ3)，若在絕緣線芯外再加隔氧層，則有可能通過試驗。要求隔氧層的氧指數達到50以上，在燃燒過程中不會散落，保持一定的封閉狀態。此外隔氧層應有較大的吸熱效應，本身不吸潮；也不影響絕緣線芯表面電阻，不影響電纜敷設和線芯安裝時柔軟性能，其厚度不應影響成品外徑超差。
對于絕緣線芯外隔氧層的含鹵問題也有爭議。雖然絕緣和護套已明確規定為無鹵材料，但不等于電纜中所有非金屬材料******允許含鹵。IEC60754-2“通過測量pH值和電導率來測量電纜材料燃燒時釋放氣體的酸度”標準指出，評定電纜試驗結果時用加要值來計算的，具體是指pH值加權值不小于4.3，電導率加權值不超過10μS／mm。如果隔氧層本身酸度超標，但其重量很輕，若試驗結果經計算后，整體酸度并未超標，則電纜仍應判定合格。
電纜pH值和導電率的加權值計算，用pH’和c’表示：
P
式中，Wi----單位長度電纜的每種非金屬材料的重量
xi----每種非屬材料的pH值
ci----每種非金屬材料的導電率
兩個疑難問題
國內一些試制1E級K3類電纜的工廠，它們的設備和技術水平并不差，各種絕緣材料的篩選也很嚴格，但進行多次試制和試驗，總是不夠理想，由此而提出一些疑問。當今各電纜廠制定的企業標準是根據核電規范制定的，實際上標準由設計和使用單位審查批準。但這些標準中某些規定，確有商榷之余地。事實上進口的法國電纜也并不能******符合這些標準要求。
1．絕緣電阻測量方法
關于絕緣電阻常數值的規定，理所當然制造部門應確認并接受，但其測量方法對產品的判定有很大關系。國內習慣于將絕緣電阻作為型式試驗和抽樣試驗，測量方法規定從成品上剝取絕緣線芯浸人水中，分別在20℃、60℃、90℃下測量絕緣電阻。阻燃絕緣材料在20℃時，K值達到3000MΩ．km困難很大。根據1000V控制電纜規格書5.2 1.1 1.3(5.2.1款均為例行試驗)絕緣電阻測量規定如下：絕緣層的絕緣電阻應在室溫下在完整的電纜樣品上，在干燥大氣中在導體之間，按照GB3048.5或GB3048.6或相應的IEC標準進行。其他電纜也類似如此規定。再查閱此規格書中5.2.2款抽樣試驗f．條，在電纜***高額定工作溫度(90℃)時的絕緣電阻的測量規定如下：絕緣電阻應按照GB3048.5或GB3048.6或相應1EC標準進行，在一個絕緣導體的樣品上測量，測量應在樣品通電5min，導體溫度達到90℃后進行。以上說明企標與規范有不同之處，即例行試驗與抽樣試驗之差異；完整電纜與絕緣線芯之差異；導體之間測量與導體和水之間測量之差異；干燥與浸水之差異。當然在干燥條件下二個導體之間絕緣電阻測量值，比單獨的絕緣線芯在浸水條件下測量的絕緣電阻值大得多，可大10多倍。因此計算阻燃材料20℃的常數k很可能達到3000MΩ．km，單線電力電纜是帶護套浸水測量，也問題不大。至于60℃、90℃的常數k本來就能符合指標。這個問題如能得到糾正，電纜制造可簡單得多。
2．單根絕緣線芯的阻燃試驗
查閱1000V電力電纜規范，5.2.3款抽樣試驗，7)阻燃性能試驗：電纜應能成功經受IEC332?B標準的試驗，這是成束燃燒試驗，顯然未提及單根絕緣線芯燃燒試驗。查問儀表電纜和補償電纜技術規范。7.1.2款抽樣試驗，阻燃特性的檢查：電纜要能經受NFC 32?70 的No．2試驗，也未直接提及單根絕緣線芯燃燒試驗。查閱1000V控制電纜規格書，5．2．2款抽樣試驗g.阻燃性能試驗，電纜應符合IEC332?B及IPCEAS一19?1的要求，后者是指電纜的絕緣線芯阻燃試驗。各電纜廠企業標準對低壓電力電纜、控制電纜、儀表電纜和補償電纜都需進行單根絕緣線芯燃燒試驗，這似乎比規范規定更嚴。控制電纜進入配電箱后即剝去護套，因此規定絕緣線芯阻燃要求也有必要，但是否一定需用有焰法(明火)試驗可進一步討論。
曾經與從事核電站設計的一位電纜zj****探討過此事，據介紹法國用電爐烘烤電纜進行燃燒試驗。對照NF C 32一070一1991電線電纜燃燒試驗方法標準，確實與這位zj****論點有吻合之處。該法國標準將電線電纜分為幾個等級。其中C2級產品是考核單根試樣的火焰傳播能力也就是zg****用的術語“阻燃”，其試驗方法與IEC332＝1差不多。其中C1級產品是考核可燃燒氣體逸出性能，而且試樣不止一根，如電線直徑小于6mm，要取一束電線捆綁在一起，電線束的直徑接近35mm，點火器由二根較小的燈管組成，但火焰不直接燃燒試樣，火焰與試樣保持距離5mm，由此可見這是無焰法試驗方法。詳細內容需參考NF標準。總之，垂直燃燒方法可深入討論，因為這是對絕緣線芯很關鍵的考核指標。
上述兩個疑難問題，對絕緣結構影響很大，如果能夠得以澄清，絕緣結構可以簡化，雙層絕緣或隔離層也許都沒有必要了。當前有的設計和使用部門，對此并不打算深入研究，且又不接受隔離層結構，電纜廠只得采用雙層絕緣結構，應當說這不是一種很好的結構組成和加工工藝。
結束語
我國核電站建設速度大致一年投入一座，1E級K3類電纜需求總量并不十分大。如果電纜行業驟然大量投入，短期造成熱點，則對行業發展無多大好處，反而造成低價競爭和降低質量。企業須***十分重視核電站用電纜的質量，決不能認為K3類電纜輻射在安全殼之外而有所忽視，無論是K1或K3類，都是1E級，這一點應等同視之。有一些企業自稱產品打入了核電站使用，這樣的說法太籠統。核電站以外的生活區用電纜與常用電纜沒有特殊的區別，也許僅僅是訂貨渠道為某某核電公司。所以一個企業是否真正入圍，應當看是否達到lE級電纜水平，而且得到***終用戶的確認。目前我國1E級K3類電纜可以自給，并略低于進口相同產品價格。我國至今還不具備LOCA試驗條件，1E級K1類電纜末進行完整的LOCA試驗，這有待于今后發展。
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