Chọn loại cáp trung thế cho điện hạt nhân

Báo cáo này cung cấp cơ sở cho thông số kỹ thuật của cáp trung thế (điện áp danh định 5–35 kV) được sử dụng làm cáp dự phòng cho các nhà máy điện hạt nhân.

Nhà máy điện hạt nhân hiện nay sử dụng rất nhiều loại cáp khác nhau bao gồm những điện áp áp dụng như 2.3 kV, 4.16 kV, 6.9 kV và 13.8 kV, loại cách điện thường là cao su EPR, XLPE, và cáp cách điện bọc chì, loại vỏ bọc, lớp màn chắn và các yêu cầu về chất lượng môi trường.

Báo cáo này tuân theo tiêu chuẩn ICEA S-97-682- của Hiệp hội Kỹ sư Cáp cách điện (ICEA) 2007, Tiêu chuẩn cho Cáp nguồn được xếp hạng định mức điện áp từ 5 đến 46 kV. Báo cáo này phác thảo các tiêu chuẩn và đưa ra các khuyến nghị cho các thiết kế sau đây:

• Ruột dẫn;
• Màn chắn ruột dẫn;
• Cách điện;
• Màn chắn cách điện;
• Màn chắn kim loại;
• Vỏ bọc;
• Nhận dạng cáp;
• Lắp đặt cáp;
• Kiểm tra;
• Đóng gói.

Các nhà sản xuất dây cáp điện đưa ra các mức điện áp khác nhau cho cáp trung thế bao gồm 5kV, 8kV, 15kV, 25kV và 35kV.

Sự khác biệt chính giữa các lớp cách điện của cáp theo điện áp 5–15 kV là độ dày cách điện và trọng lượng cáp. Một cách để tối đa hóa độ tin cậy của cáp và giảm yêu cầu về phụ kiện là giới hạn cấp điện áp.

1. Các loại cách điện

Loại cách điện chủ yếu cho cáp trung thế trong ngành điện hạt nhân ở Mỹ là EPR vì EPR linh hoạt hơn cách điện loại XLPE, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp. EPR cũng có thể hoạt động ở nhiệt độ cao, phù hợp sử dụng trong ống dẫn, bán kính uốn cong cũng nhỏ hơn.

Một số nghiên cứu chỉ ra rằng EPR có khả năng chống lại các ứng suất và phóng điện áp. Những đặc điểm này nâng cao EPR khả năng của vật liệu cách điện để ngăn ngừa sự xuống cấp của cáp liên quan đến nước.

Có hai loại thiết kế hệ thống cáp có sẵn được nêu trong tiêu chuẩn ICEA và AEIC.

• Đầu tiên là thiết kế không phóng điện, giúp loại bỏ phóng điện cục bộ.
• Thứ hai có khả năng chống phóng điện, có khả năng hoạt động trong điều kiện phóng điện cục bộ mà không có ảnh hưởng phụ.

2. Chi tiết thông số kỹ thuật

a. Ruột dẫn điện

Quyết định đầu tiên liên quan đến vật liệu làm ruột dẫn, là nhôm hay đồng. Đồng được khuyến khích hơn dù nhôm cũng được chấp nhận cho các nhà máy điện, ưu điểm của cáp nhôm so với đồng là chi phí nhỏ hơn trọng lượng nhẹ hơn, điều này dẫn đến đường kính cáp lớn hơn.

Nếu ruột dẫn bằng đồng thì phải được chỉ định theo tiêu chuẩn ASTM cho ruột dẫn bện:

• ASTM B 8: Đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn cho ruột dẫn đồng có lớp đồng tâm, cứng, cứng trung bình hoặc mềm;
• ASTM B 33: Đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn cho dây đồng mềm hoặc ủ;
• ASTM B 496: Đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn cho đồng xoắn bện đồng tâm.

a.1. Vật liệu chống nước

Hiện đang cân nhắc sử dụng các vật liệu chống thấm nước giữa các ruột dẫn. Tiêu chuẩn AIEC nói rằng những vật liệu này giúp chống lại sự hình thành hiện tượng cây nước mà không ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện của các vật dẫn.

Vật liệu dùng để chống thấm nước của ruột dẫn bao gồm băng, sợi, bột, mastics có thể trương nở, hoặc kết hợp giữa chúng. Vật liệu chống thấm nước giữa các ruột dẫn tạo thành một rào cản dọc để chống thấm nước từ di chuyển dọc theo chiều dài cáp bằng cách để nước chảy dọc theo các ruột dẫn.

IEEE 1142 hướng dẫn lựa chọn, thử nghiệm, ứng dụng và lắp đặt cáp có lớp chống thấm nước theo phương pháp xuyên tâm và / chống thấm theo chiều dọc, cung cấp thông tin chi tiết hơn.

Bảng thông số đề xuất ruột dẫn cho cáp điện hạt nhân

b. Màn chắn ruột dẫn

Mục đích quan trọng nhất của màn chắn ruột dẫn là nó đáp ứng các yêu cầu cở Phần 3 AEIC hoặc Tiêu chuẩn ICEA, giảm thiểu ứng suất tại bề mặt giao nhau giữa dây dẫn với lớp cách điện. Các tiêu chuẩn quy định rằng màn chắn ruột dẫn phải có độ dày thích hợp, bề mặt trơn nhẵn, được đùn và liên kết với lớp cách điện.

Giới hạn cho màn chắn dây dẫn độ dày, phần nhô ra, chỗ lồi lõm, và khoảng trống được nằm ở Phần 3 của tiêu chuẩn ICEA.

Như đã đề cập trong phần về loại cách điện, các nhà sản xuất có thể sử dụng chất bán dẫn hoặc chất cách điện. Bất kể vật liệu và thiết kế như thế nào, mục đích của màn chắn ruột dẫn là giảm điện ứng suất tại giao diện dây dẫn-cách điện.

c. Lớp cách điện

c.1. Loại cách điện

EPR là sự lựa chọn chủ yếu để làm vật liệu cách điện cho cáp trong các nhà máy điện hạt nhân:

• Nghiên cứu chỉ ra rằng thiết kế TR-XLPE mới đã cải thiện khả năng ngăn ngừa hiện tượng cây nước trong cách điện, nhưng thời gian hoạt động không đủ để đánh giá xem các thiết kế mới tốt hơn EPR bao nhiêu
• Cáp EPR linh hoạt hơn, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp hơn và nó cứng cáp hơn ở nhiệt độ cao.
• Cáp TR-XLPE hiện không sẵn có tiêu chuẩn về môi trường được sản xuất theo quy trình đảm bảo chất lượng hạt nhân.

c.2. Độ dày cách điện

Độ dày cách điện được thảo luận trong các tiêu chuẩn ICEA và AEIC. 1mil = 0.025 mm, 1kcmil = 0.507 mm2.

c.3. Nhiệt độ hoạt động

Xếp hạng nhiệt độ cho cách điện của cáp dựa trên các đặc tính hóa học của cách điện vật chất. Trong trường hợp cáp EPR, xếp hạng nhiệt độ là 90°C và 105°C cho điều kiện hoạt động bình thường.

d. Màn chắn cách điện

Màn chắn cách điện thường là một hệ thống hai phần bao gồm một chất bán dẫn ép đùn lớp vật liệu bên trên lớp cách điện và một màn chắn kim loại, phi từ tính lên trên lớp bán dẫn.

Mục đích chính của màn chắn cách điện cũng là hạn chế điện trường trong cách điện của cáp, cho phép ứng suất xuyên tâm, đồng đều đối xứng qua lớp cách điện. Ngoài ra, việc duy trì trường trong phạm vi cách nhiệt sẽ hạn chế sự ion hóa của không khí gần bề mặt ngoài của cáp và do đó hình thành phóng điện cục bộ liên quan đến các thành phần xung quanh.

e. Màn chắn kim loại

Màn chắn kim loại được sử dụng phổ biến nhất cho các nhà máy điện hạt nhân theo dạng quấn xoắn ốc, xếp chồng lên nhau, vật liệu là băng đồng hoặc đồng tráng thiếc.

Thiết kế này đã được chứng minh là có vấn đề khi bề mặt đồng bị ăn mòn hoặc bị oxy hóa trong một số điều kiện nhất định. Kiểu màn chắn kim loại này trong những điều kiện này bị coi như một cuộn dây có trở kháng cao với xung thử nghiệm phóng điện cục bộ, làm suy giảm tín hiệu và ngăn chặn việc phát hiện các khuyết tật tìm lỗi trong cáp.

Ngoài màn chắn dạng băng quấn xoắn ốc còn có dạng sợi xoắn bện hoặc kết hợp băng quấn và sợi, như hình dưới, nhưng trong báo cáo này không ứng dụng màn chắn sợi bện.

Một dạng màn chắn khác là băng quấn gợn sóng. Thiết kế này giúp loại bỏ quá trình oxy hóa từ, làm giảm tín hiệu khi cần phát hiện lỗi trong cáp. Ngoài ra, bởi vì nó có thể được áp dụng với một lớp phủ kín, sử dụng chất kết dính nóng chảy đàn hồi cung cấp màn chắn nước không thấm nước để ngăn hơi ẩm xâm nhập vào lõi cáp.

Bọc lên lớp màn chắn kim loại là lớp vỏ bọc trong, thường bằng kim loại chì hoặc nhôm và được sử dụng để bảo vệ cơ học cũng như để ngăn chặn sự xâm nhập của hơi ẩm. Vỏ bọc kim loại chỉ được sử dụng cho các trường hợp đặc biệt – không dùng cho tiêu chuẩn đặc điểm kỹ thuật — và không được khuyến khích ở đây.

f. Vỏ bọc cáp

Phần 7 của tiêu chuẩn ICEA có nói về nhiều chất liệu vỏ bọc của dây cáp. Vỏ bọc được làm từ nhựa nhiệt dẻo hoặc các nhựa nhiệt rắn.

Cáp trong ngành nhà máy điện hạt nhân chủ yếu là nhiệt rắn vì các polyme nhiệt dẻo thường không hoạt động tốt như Polyme nhiệt rắn ở nhiệt độ quá cao và nhiệt độ quá thấp cũng như khả năng chống cháy.

Vỏ bọc cáp hiện nay được làm từ các vật liệu như polyethylene mật độ thấp (LDPE) hoặc polyethylene mật độ thấp tuyến tính (LLDPE), polyethylene mật độ trung bình (MDPE), polyethylene mật độ cao (HDPE), polyvinyl clorua (PVC), chất bán dẫn (Loại I và II), polyetylen clo hóa (CPE) và polyetylen nhiệt dẻo (TPE).

Trong quá khứ, cáp bọc PVC đã có các vấn đề với việc rửa trôi chất hóa dẻo, dẫn đến một số vấn đề do tính dẫn điện.

Vật liệu vỏ bọc nhiệt rắn bao gồm neoprene, polyethylene chlorosulfonat hóa (CSPE hoặc Hypalon8). Mô tả sản xuất tiêu chuẩn và vật lý yêu cầu đối với từng vật liệu áo khoác nhiệt rắn được cung cấp trong ICEA S-93-639, 5–46 kV. Cáp điện có vỏ bọc để sử dụng trong việc truyền tải và phân phối năng lượng điện.

Theo A. Mantey, T10/2009