姜 煦，吳建湖，陳浪濤，孫啟帆，姚華軍，趙鳴悅

（杭州航天電子技術(shù)有限公司，杭州 310051）

0 引言

能源是促進經(jīng)濟社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，同時也是碳排放的最主要的來源，在國家碳達峰、碳中和的目標(biāo)下，亟需加快構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系。

核能具有生產(chǎn)過程不排放溫室氣體、全周期碳排放量小、能量密度高、無間歇性等優(yōu)點，并能夠抵御極端惡劣自然條件、保障電力供應(yīng)安全穩(wěn)定，是我國加快構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系必不可少的能源形式，在清潔供暖、工業(yè)供汽、海水淡化、制氫、同位素生產(chǎn)等方面發(fā)揮重要作用［1－2］。

第三代核電站大型先進壓水堆的設(shè)計使用壽命為60年，受核輻照影響，核電站壓水堆配套的儀器設(shè)備無法隨時進行更換，必須滿足使用壽命大于60 年以及異常情況下滿足應(yīng)急處理的要求。壓水堆控制系統(tǒng)配套的電纜及其連接組件作為壓水堆必配的連接控制組件，也必須滿足該要求。目前，現(xiàn)有的電連接器在核輻照環(huán)境下的長期工作能力較差，連接器材料受到過量的輻照會變脆，引起材料機械性能的劣化，這會對連接器整體性能造成嚴(yán)重影響，如連接器的防水性能。當(dāng)核電站發(fā)生嚴(yán)重事故后會進行硼酸水淹，核電嚴(yán)重事故工況下的溫度會達到200 ℃，且核輻照劑量大幅度提高，如果連接器無法滿足核電嚴(yán)重事故工況下的防水要求，會導(dǎo)致核電站發(fā)生安全事故，甚至?xí)?dǎo)致核泄漏。

針對核電環(huán)境的特殊工作要求，核電站壓水堆對配套的電纜以及連接組件的耐輻射性、密封性、耐高溫性、耐腐蝕性等性能具有較高的要求，而現(xiàn)有的電纜、連接器大多在材料的選擇和結(jié)構(gòu)上存在一定限制。

目前，國內(nèi)核電站壓水堆所用電纜主要為國外進口，電纜的導(dǎo)體額最高工作溫度僅為90 ℃，難以滿足第三代核電站壓水堆的工作要求［3］。同時，市場上大多連接器的絕緣材料主要為聚四氟乙烯、陶瓷，這些材料沒有足夠耐高溫性、耐腐蝕以及耐輻射性，且陶瓷材料易碎，會造成運輸困難［4］。同時，陶瓷作為絕緣材料時，制造工藝較為復(fù)雜。對于連接器的密封方式，目前電連接器主要采用灌膠、玻璃燒結(jié)、O 形圈等方式進行密封。付祎晨等［5］基于8 種常用國產(chǎn)灌封膠的性能測試結(jié)果，選取了兩種性能較好的膠液進行連接器成品環(huán)境試驗，經(jīng)過測試連接器性能較好，但兩種灌封膠的應(yīng)用溫度范圍分別在－50～200 ℃和－60～200 ℃，難以滿足核電環(huán)境的異常工況使用要求。玻璃燒結(jié)密封則會導(dǎo)致連接器接觸對之間的接觸電阻顯著增加。綜合目前現(xiàn)狀，需對電纜與連接器材料、結(jié)構(gòu)進行合理選型、設(shè)計以滿足核電環(huán)境的工作要求。

本文針對現(xiàn)有電連接器不能在持續(xù)輻照、高溫的環(huán)境下長期工作以及防水的問題，結(jié)合第三代核電站壓水堆的工作要求，進行了壓水堆控制系統(tǒng)配套電纜所需的非金屬材料的選用、電連接器密封結(jié)構(gòu)設(shè)計、電纜端接及密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及連接器對接防松結(jié)構(gòu)設(shè)計。并對所設(shè)計的連接器和配套電纜進行了機械壽命、高溫、振動、密封、異常環(huán)境、輻射老化與熱老化試驗等。

1 耐輻射非金屬材料選用

第三代核電站先進壓水堆控制系統(tǒng)連接控制組件如圖1 所示，研制的電纜組件作為壓水堆控制系統(tǒng)必配的連接控制組件需要滿足耐輻射、使用壽命大于60 年以及能夠在嚴(yán)重事故工況下工作的要求［6］。

圖1 壓水堆控制系統(tǒng)連接控制組件

核電站用1E級電纜按核電站電氣系統(tǒng)設(shè)備的安全類別分為3 類：K1、K2、K3［7－9］。1E級是指核電站電氣設(shè)備的安全分級中的安全級，該級別電氣設(shè)備能執(zhí)行或支持反應(yīng)性控制、余熱排除和放射性物質(zhì)包容3 項基本安全功能以及防止和緩解事故，也即是指完成反應(yīng)堆緊急停堆，安全殼隔離、堆芯應(yīng)急冷卻、反應(yīng)堆余熱導(dǎo)出、反應(yīng)堆安全殼的熱導(dǎo)出；防止放射性物質(zhì)向周圍環(huán)境排放等功能的電氣系統(tǒng)設(shè)備的安全級。K1 類電纜是指安裝在核反應(yīng)堆安全殼以內(nèi)，在正常環(huán)境條件下和在安全停堆地震荷載下以及在事故期間或事故之后仍能執(zhí)行其規(guī)定功能的電纜。K2 類電纜是指安裝在核反應(yīng)堆安全殼以內(nèi)，在正常環(huán)境條件下和在安全停堆地震荷載下仍能執(zhí)行其規(guī)定功能的電纜。K3 類電纜是指安裝在核反應(yīng)堆安全殼以外，在正常環(huán)境條件下和在安全停堆地震荷載下仍能執(zhí)行其規(guī)定功能的電纜。

壓水堆配套電纜結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由導(dǎo)體、絕緣、繞包帶、內(nèi)護套、外護套組成，其中，導(dǎo)體為鍍銀軟圓銅線，外護套由不銹鋼絲編織。在核輻照環(huán)境下，60 年的累積劑量為105Gy以上，絕緣部分與內(nèi)護套作為主要的非金屬材料，在工作過程中需要滿足工作可靠性要求。

圖2 電纜結(jié)構(gòu)示意圖

為保證電纜及其組件在核環(huán)境下的使用可靠性，所選用的非金屬材料必須具有耐輻照性能，根據(jù)核工業(yè)總體單位對常見非金屬材料耐輻射總劑量進行了摸底驗證，電纜及其組件所選用的非金屬性材料應(yīng)具有耐輻射總劑量較大、能實現(xiàn)安裝、固定及密封要求的特點。

通過分析耐受輻照性能原理，材料老化機理，電纜組件密封內(nèi)護套材料及連接器密封材料選取為苯基硅橡膠材料，該材料具有耐輻射達到105Gy以上，耐高溫達到250 ℃，能夠滿足60 年累計輻照劑量和異常工況下工作的要求。電纜導(dǎo)線絕緣層材料及連接器絕緣材料則選用為聚醚醚酮（PEEK）。聚醚醚酮作為一種高分子材料，其熔點為334 ℃，長期工作溫度可達260 ℃［10］。構(gòu)成其主鏈結(jié)構(gòu)的重復(fù)單元含有一個酮鍵和兩個醚鍵，分子結(jié)構(gòu)如圖3 所示，該材料具有優(yōu)異的絕緣性能、耐輻照性能、耐高溫性能、耐化學(xué)腐蝕性能、耐水解性能，其輻照劑量達到105Gy 以上，選用該材料能夠滿足所需的設(shè)計要求［11－12］。

圖3 聚醚醚酮分子結(jié)構(gòu)

2 電連接器密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

核電站工作環(huán)境惡劣，對產(chǎn)品本身要求高，需具有耐高溫性好、密封性好、耐腐蝕性好、耐輻射性好、電絕緣性能及機械強度高等特點［4］。壓水堆配套電纜及其連接器需要滿足60 年使用壽命和在核電站嚴(yán)重事故工況下硼酸水淹環(huán)境下的密封性要求。

密封方式按照接合面間處于相對靜止或相對運動，可以分為靜密封和動密封，其中靜密封主要為墊密封、膠密封和接觸密封3大類，在核電領(lǐng)域主要用到的密封方式為非金屬密封，包括O形密封圈、橡膠墊片等［13－14］。

2.1 連接器插頭芯線密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

電連接器廣泛應(yīng)用于航空、航天、國防等軍用系統(tǒng)中，而現(xiàn)有電連接器包括插頭和插座，插頭和插座內(nèi)設(shè)有芯線，芯線均需要通過密封結(jié)構(gòu)進行密封安裝，現(xiàn)有芯線的密封結(jié)構(gòu)均通過中間灌封膠進行密封，由于灌封膠密封需要對灌封膠進行固化，從而增加了整個密封工藝所需的時間，從而降低了整體的生產(chǎn)效率，另外，灌封膠固化后容易造成芯線絕緣層變硬變脆，導(dǎo)致整個芯線使用壽命的降低。

針對常規(guī)灌封膠密封連接器的不足以及連接器需要滿足60 年使用壽命和在核電站嚴(yán)重事故工況下硼酸水淹環(huán)境下使用的密封性要求，連接器插頭整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，在電連接器插頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中含有3 塊絕緣體以及壓縮橡膠套。其中，第一絕緣體上與第二絕緣體上設(shè)有錐形孔，依靠兩塊絕緣體對接壓縮橡膠套。橡膠套兩端的壓力會使橡膠套中部膨脹，在第一絕緣體和第二絕緣體之間形成一個全面包裹橡膠套的空腔，形成密封，再配合O形圈達到與不銹鋼殼體內(nèi)孔之間的密封。連接器尾部金屬的壓套螺紋能夠并緊絕緣體，實現(xiàn)3 塊絕緣體、針或孔及彈性密封件與外殼的完整裝配。該結(jié)構(gòu)簡化了現(xiàn)有通過灌封膠進行密封的工藝，提高了生產(chǎn)效率，同時也可防止芯線絕緣層在某些硬質(zhì)灌封膠固化后變硬變脆，使得連接器的密封性能可靠性提升。

圖4 連接器插頭結(jié)構(gòu)

2.2 連接器插座密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

一般情況下，在高溫、高壓使用環(huán)境中，插座均選用玻璃封接這種密封結(jié)構(gòu)。玻璃燒結(jié)密封連接器作為一種在高溫、高壓力、腐蝕性等工況下使用的電連接器，其具有結(jié)構(gòu)簡單、密封性能好，耐高溫性、耐腐蝕性以及耐輻射性較強等特性，能夠滿足在多種特殊環(huán)境下的使用要求［15－16］。相較于普通連接器，玻璃燒結(jié)密封連接器具有更良好的機械性能［17］。目前，玻璃燒結(jié)密封連接器已廣泛用于航空、航天、核電、船舶等領(lǐng)域［18－19］。玻璃燒結(jié)密封連接器的密封結(jié)構(gòu)分為3 種：玻璃餅燒結(jié)結(jié)構(gòu)、玻璃珠燒結(jié)結(jié)構(gòu)以及陶瓷、玻璃混合燒結(jié)結(jié)構(gòu)［20］。

但玻璃封接的密封結(jié)構(gòu)也會導(dǎo)致接觸對之間的接觸電阻顯著增加。為保證產(chǎn)品的接觸可靠性，采用O 形密封圈結(jié)構(gòu)實現(xiàn)插座殼體與絕緣體間的密封，如圖5 所示，泄漏率可滿足1×10－10Pa·m3／s。O 形圈采用特種硅橡膠研制成型，能夠在200 ℃環(huán)境中工作，可適用于核電環(huán)境中。

圖5 連接器插座結(jié)構(gòu)示意圖

3 電纜端接及密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

為適應(yīng)核環(huán)境的使用要求，壓水堆配套研制的電纜組件中選用導(dǎo)線絕緣層材料采用PEEK 材料。但鎧裝PEEK電纜硬度高、彎曲半徑大、尺寸公差范圍大、鎧裝鋼絲層厚，其與連接器集成的難度較大。

3.1 電纜端接結(jié)構(gòu)設(shè)計

連接器插針、插孔與電纜芯線的連接方式主要為壓接和焊接兩種方式，其中壓接工藝具有低接觸阻抗、操作簡便和組裝時間少等優(yōu)勢［21］。相比于焊接，采用壓接的方式能得到較好的機械強度和電連接性，能夠滿足更惡劣環(huán)境的工作要求，并且壓接在連接過程中不使用焊錫，會使得插針與芯線連接處具有更低的接觸阻抗。壓接工藝作為一種更可靠的連接器插針與電纜芯線連接技術(shù)，已廣泛應(yīng)用在航空航天、核電工業(yè)、石油化工等領(lǐng)域。

PEEK電纜具有良好耐溫性和剛性，為保證鎧裝PEEK成纜固定可靠性及其與絕緣體之間的密封性，其導(dǎo)線安裝過程如圖6 所示，電纜芯線依次穿過插頭結(jié)構(gòu)中的絕緣體，在第一塊和第二塊絕緣體之間，兩塊絕緣體對接面采用錐孔設(shè)計，中間放置獨立的雙錐面橡膠套，同時雙錐面橡膠套中空且中間部位有微小凸臺，這一結(jié)構(gòu)在保證密封效果的同時，對電纜絕緣層具有一定的預(yù)緊力。插孔與電纜芯線導(dǎo)體采用壓接的方式連接在一起。最后通過尾部金屬的壓套螺紋并緊絕緣體，實現(xiàn)絕緣體、插針及彈性密封件與外殼的完整裝配。

圖6 導(dǎo)線組裝過程

3.2 連接器－電纜密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

應(yīng)用在核電壓水堆中的連接器的尾部電纜連接結(jié)構(gòu)在安裝后需要進行密封處理，而現(xiàn)有電連接器尾部電纜連接結(jié)構(gòu)只通過電纜密封套簡單地進行密封處理，并沒有實現(xiàn)多重密封，導(dǎo)致電纜的連接密封效果較差。

插頭連接器尾部附件采用2 道密封結(jié)構(gòu)，保證尾部附件和插頭連接器殼體的密封可靠性，插頭連接器尾部結(jié)構(gòu)如圖7 所示，插頭連接器殼體尾部依次安裝電纜密封墊、密封壓套、加長并緊螺母、扣件、外套。電纜的密封采用硅橡膠密封墊，所選用的硅橡膠材料具有耐高溫、耐輻照、耐60 年老化性能，能夠達到規(guī)定的設(shè)計需要。同時，采用并緊螺母將密封墊和電纜外護套密封。所用電纜包含電纜罩，并利用激光焊接技術(shù)將電纜罩與插頭連接器殼體連接在一起并密封。

圖7 插頭連接器尾部結(jié)構(gòu)

壓水堆配套電纜直徑大、線程長，在安裝過程中具有一定的拖拽力。針對這一問題，通過液壓工具將扣件、電纜鎧裝編織層、加長并緊螺母連接在一起，起到電纜與連接器抗拉、防拖拽的目的，最后外套擰入加長并緊螺母，并沖鉚是外套螺紋防松，增強了插頭連接器的美觀性和防拆性。

4 連接器對接防松結(jié)構(gòu)設(shè)計

核電環(huán)境具有高溫、高壓力、高輻照的特點，尤其是嚴(yán)重事故工況下溫度會達到200 ℃高溫，輻照劑量大幅升高，需要滿足正常工況下60 年的使用壽命要求。螺紋連接的電連接器包括插頭連接器和插座連接器，兩者在工作時通過連接螺母將插頭與插座連接到一起。連接螺母一般都是直接安裝在插頭連接器上與插座殼體的螺紋配合。目前，常規(guī)電連接器的插頭與插座間的連接僅通過螺紋來實現(xiàn)防松，連接螺母與插座殼體間無任何防松結(jié)構(gòu)。在長時間運行過程中受設(shè)備振動或共振的影響，螺紋連接經(jīng)常會被震松并導(dǎo)致插頭和插座連接的不可靠，甚至?xí)霈F(xiàn)插頭與插座直接被震分離開，在核電站內(nèi)出現(xiàn)這種情況是非常致命的，甚至有可能引發(fā)核安全事故。

針對現(xiàn)有螺紋連接的連接器在震動環(huán)境中可能出現(xiàn)插頭與插座被震分開，導(dǎo)致連接器防水性能失效的情況，本文在連接器連接螺母尾部設(shè)計了螺紋防松機構(gòu)，連接器插頭與插座的對接結(jié)構(gòu)示意圖如圖8 所示。連接螺母位于連接器插頭殼體外側(cè)，其防松結(jié)構(gòu)包括波形彈簧、鎖緊環(huán)、銷釘。連接螺母和插頭連接器設(shè)置有鋼珠半圓槽，安裝時會與鋼珠配合，實現(xiàn)連接螺母與插頭殼體固定。該鋼珠安裝后用銷釘堵住鋼珠放置孔，能夠像軸承一樣順暢轉(zhuǎn)動，能夠避免連接器因震動而分開的情況發(fā)生。

圖8 插頭插座對接結(jié)構(gòu)

插座外殼與連接螺母的螺紋為T形螺紋，配合時內(nèi)外螺紋以錐面貼緊不易松動。同時，插頭殼體設(shè)置有不貫通的凹槽，插座殼體設(shè)置有凸筋，插座連接器的凸筋對準(zhǔn)插頭連接器的凹槽，能實現(xiàn)插頭與插座的準(zhǔn)確對接與固定。

綜上所述，配備有T 形螺紋和鋼珠固定的螺紋防松機構(gòu)，能夠插頭、插座在連接時保證連接順暢不卡滯以及在震動、沖擊、溫度變化較大環(huán)境中螺紋不松動，充分保證連接器連接的可靠性。

5 驗證與結(jié)果分析

為驗證所設(shè)計的核電站壓水堆配套電纜及其連接組件的可靠性，對連接器以及電纜進行了機械壽命、高溫、振動、密封、異常環(huán)境、輻射老化與熱老化試驗，壓水堆配套電纜及其連接組件實物圖如圖9 所示。測試前，經(jīng)過檢測所有線路均為導(dǎo)通狀態(tài)。

圖9 電纜及連接器實物

5.1 機械壽命試驗

參照《GB／T 5095.2—1997 電子設(shè)備用機電元件基本試驗規(guī)程及測量方法第2 部分一般檢查、電連續(xù)性和接觸電阻測試、絕緣試驗和電壓應(yīng)力試驗》中的9a進行了機械壽命測試。插合次數(shù)為200 次。經(jīng)過測試，連接器的摩擦表面僅有少許磨損，影響連接器的正常工作，同時連接器的定位鍵槽分離、插合順暢，無卡死現(xiàn)場，符合要求。

5.2 高溫試驗

參照《GB／T 2423.2—2008 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2 部分：試驗方法試驗B：高溫》進行組件的高溫試驗。試驗溫度為70 ℃，試驗時間為4 h，試驗后，對組件進行觀察。經(jīng)過測試，連接器的標(biāo)記應(yīng)正確、清晰、牢固；螺紋連接部位無明顯的毛刺、崩牙、缺口等現(xiàn)象；連接器接觸件的接觸部位及端接部位無污跡、膠跡和其他多余物；連接器外殼無毛刺、尖角、銹跡等現(xiàn)象；電纜完整無裂紋；絕緣體、密封墊等非金屬材料無明顯的膨脹、麻坑、裂紋；連接器的安裝尺寸、外形結(jié)構(gòu)尺寸等符合技術(shù)文件的要求。說明組件符合高溫環(huán)境的工作要求。

5.3 振動試驗

參照《GB／T 8993—1998 核儀器環(huán)境條件與試驗方法》中的Ⅱb 進行組件的正弦振動測試。頻率范圍分別為2～9、9～200～9、9～2 Hz，加速度峰值為5 m2／s（9～200 Hz），位移幅度為1.5 mm（2～9 Hz），單次循環(huán)時間為30 min。同時測試過程中采用1 ms 電流瞬斷儀監(jiān)測。經(jīng)檢測，試驗過程中電流信號沒有出現(xiàn)瞬斷現(xiàn)象，且試驗后連接器沒有出現(xiàn)影響使用的松動和損傷，能夠符合工作要求。

5.4 密封試驗

參照《GBT 2423.38—2005 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2 部分：試驗方法試驗R：水試驗方法和導(dǎo)則》進行組件的密封試驗。插合好的連接器在安裝狀態(tài)、無電負(fù)荷條件下進行浸沒試驗，試驗水深2 m，試驗時間96 h。經(jīng)檢測，組件的插頭、插座插合處無滲水現(xiàn)象，符合密封性要求。

5.5 異常環(huán)境試驗

參照《GB／T22577—2008 核電站用1E 級電纜通用要求》進行異常環(huán)境試驗。試驗分成3 部分：環(huán)境溫度升高至121 ℃，之后自然降溫，加熱源飽和蒸汽，試驗時間72 h；降溫至66 ℃，降溫時間為26 d。試驗時保證組件與導(dǎo)體串聯(lián)，對線路連續(xù)性進行監(jiān)視。在試驗期間，線路沒有斷開，說明組件能夠滿足異常環(huán)境的工作要求。

5.6 輻射老化與熱老化試驗

參照《GB／T 22577—2008 核電站用1E級電纜通用要求》進行輻射老化試驗和熱老化試驗。輻照劑量率約1.5 kGy／h，累積輻照劑量不少于300 kGy。熱老化溫度為280 ℃，持續(xù)時間200 h。試驗完成后對組件外觀、線路導(dǎo)通情況、密封性進行測試。經(jīng)過測試，電連接器標(biāo)記清晰無模糊、裂紋，非金屬材料無明顯的膨脹、麻坑、裂紋，電纜完整無裂紋，所有線路均為導(dǎo)通狀態(tài)。并且在2 m 水深中浸泡24 h 后，組件沒有出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。說明組件可以滿足核電環(huán)境長期輻射、高溫的工作要求。

6 結(jié)束語

本文針對第三代核電站配套電纜及其組件的工作要求，進行了壓水堆配套電纜及其連接器的設(shè)計，主要包括：選用硅橡膠材料作為密封材料，選用PEEK 聚醚醚酮作為絕緣材料；進行了連接器插頭和插座的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計；連接器插頭芯線采用3 塊絕緣體配合壓縮橡膠套進行密封，絕緣體與插頭殼體使用O 形圈進行密封，連接器插座采用O 形圈進行絕緣體與插頭殼體間的密封；采用壓接工藝連接電纜芯線導(dǎo)體與插針，電纜的密封采用硅橡膠密封墊，扣件、電纜鎧裝編織層、加長并緊螺母壓接在一起，起到電纜與連接器抗拉、防拖拽的目的；采用T形螺紋和鋼珠固定的螺紋防松機構(gòu)，保證了連接器插頭、插座連接的可靠性。并對所設(shè)計的連接器和配套電纜進行了機械壽命、高溫、振動、密封、異常環(huán)境、輻射老化與熱老化試驗，測試結(jié)果說明所設(shè)計的組件能夠滿足核電環(huán)境的工作要求。