一种第三代核电站用通信电缆和设计制造方法与流程

本发明涉及核级电缆设计制造技术领域，特别涉及一种第三代核电站用通信电缆和设计制造方法。

背景技术：

目前，我国核电站建设已经进入快速发展时期，预计到2020年底，我国运行和在建的核电机组将达到100套左右。较传统能源而言，核电是一种经济的、清洁的能源，但核电站半个多世纪的发展历史中出现的核电事故时刻提醒人们，核电站的安全问题至关重要。世界各国对核电站采取的严密的安全措施，通信电缆作为核电站的“神经”，对其要求也越来越严格。

目前我国已投产的核电站基本上是第二代核电站，对通信电缆无明确性能要求和设计寿命要求；未来将积极推动第三代核电站的大规模推广和出口，典型代表有ACP1000和华龙一号，对核电通信电缆的设计寿命要求为60年。

根据相关标准和技术规格书，要求核电通信电缆电缆必须具备良好的电气传输特性、防电磁干扰特性、机械特性、优良的耐老化特性(热氧老化)、低烟无卤阻燃特性等，第三代核电站用通信电缆便应运而生。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种第三代核电站用通信电缆和设计制造方法，具有电气传输性能好、抗电磁干扰、低烟无卤阻燃、设计使用寿命长(大于60年)、安全可靠性高等特点，大大提高核电站通信传输的安全可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种第三代核电站用通信电缆，它包括缆芯、绕包在缆芯外的成缆绕包层、成缆绕包层外设置有金属屏蔽层以及挤包在最外层的外护套，所述缆芯包括若干组由绝缘线芯组成的线对，绝缘线芯包括铜导体和设置在铜导体外的绝缘层组成；

所述缆芯最多包括200对绝缘线对，所述的线对数仅仅包括1、2、3、4、5、10、20、25、50、100以及200这11组数；

对于1对通信电缆，缆芯由1对绝缘线对直接构成；

对于2对、3对、4对、5对、10对以及20对之一的通信电缆，缆芯采用束绞或同心绞的方式直接成缆；

对于25对、50对、100对以及200对之一的通信电缆，先绞合25对基本单元，后由基本单元成缆或将基本单元绞合成缆。

作为优选方式，所述的金属屏蔽层到外护套之间依次设置有内护套和钢带铠装层。

作为优选方式，所述的铜导体的规格为0.6mm或1.18mm(对应截面约为1mm²)。

作为优选方式，所述的成缆绕包层由双层聚酯带重叠绕包而成，以防绝缘线芯粘结或变形、损伤。

作为优选方式，所述的金属屏蔽层由多根标称直径为0.15～0.25mm镀锡圆铜线编织构成，编织密度不小于80％。

作为优选方式，所述的内护层是由满足60年寿命要求的K3类核电专用低烟无卤阻燃聚烯烃护套料挤包而成。

作为优选方式，所述的铠装层由两层镀锌钢带螺旋绕包而成，钢带标称厚度不小于0.2mm，包带间隙不大于金属带宽度的50％。

作为优选方式，所述的外护套由满足60年寿命要求的K3类核电专用低烟无卤阻燃聚烯烃护套料挤包而成。

一种第三代核电站用通信电缆设计制造方法，它包括如下步骤(对于1-20对通信电缆，无S5)：

S1：拉丝退火：将购买的无氧铜杆经过大拉丝机、中拉丝机和小拉丝机等多道工序拉丝退火，制成直径为0.6mm或1.18mm(对应截面约为1mm²)的单根软圆铜导体，检查导体的电阻率和断裂伸长率；

S2：挤包绝缘：按照全色谱标识，选用自定芯模具，分别挤包不同颜色的高密度聚乙烯绝缘材料，绝缘颜色最多包括：白、红、黑、黄、紫、蓝、橙、绿、棕以及灰10种颜色(绝缘颜色由表3决定)，检查绝缘的平均厚度和最薄点厚度，火花机检测电压为2kV，确保绝缘无缺陷点；

S3：复绕配线：对绝缘线芯进行复绕分段，将每种颜色绝缘线芯均分为若干段，便于后续的配线对绞，复绕时火花机检测电压为2kV，再次确保绝缘无缺陷点；

S4：线对对绞：将绝缘线芯两两对绞形成线对，最多25对，检查对绞节距；

S5：对于25对、50对、100对以及200对的子单元绞合：按照3+8+14的方式，将25对线对绞合成一个子单元，对子单元进行计米：(L)，对于25对通信电缆，全部长度绕包白蓝双色带；对于50对通信电缆，每0.5L长度子单元外依次绕包白蓝、白橙等2种双色带；对于100对通信电缆，每0.25L长度子单元外依次绕包白蓝、白橙、白绿和白棕等4种双色带；对于200对通信电缆，每0.125L长度子单元外依次绕包白蓝、白橙、白绿、白棕、白灰、红蓝、红橙和红绿等8种双色带；检查绞合节距和线对排列顺序；对于1-20对通信电缆无这一步；

S6：成缆绕包：对于1对通信电缆，缆芯由1对绝缘线对直接构成；对于2对、3对、4对、5对、10对以及20对之一的线对，缆芯采用束绞或同心绞的方式直接成缆；对于25对、50对、100对以及200对之一的线对，按照双色带的颜色，将子单元均分为1-8段，将1-8段子单元绞合形成缆芯；缆芯外重叠绕包双层聚酯包带，检查成缆节距和圆整度；

S7：屏蔽：在缆芯外，采用多根镀锡铜丝编织屏蔽，编织密度不低于80％，检查编织密度；

S8：挤包外护：采用老化寿命不低于60年的核电专用褐色低烟无卤聚烯烃护套料，在屏蔽层外挤包外护套，护套表面喷印相关标识，检查护套厚度和标识；

S9：成品检验：对成品电缆进行例行试验；

S10：包装入库：将检验合格的成品电缆进行封头、盘具印字、信息录入，放入成品库。

作为优选方式，在所述的步骤S7和步骤S8之间还具有如下两个步骤：

S111：挤包内护：采用老化寿命不低于60年的核电专用黑色低烟无卤聚烯烃护套料，在屏蔽层外挤包内护套；

S112：铠装：采用双层镀锌钢带间隙重叠绕包，搭盖率不低于40％。

本发明的有益效果是：

1、绝缘层由高密度聚乙烯挤包而成，根据核电站电缆要求，对绝缘厚度进行了设计计算：对于导体规格为0.6mm的通信电缆，其标称厚度为0.20mm，最薄点厚度为0.18mm；对于导体规格为1mm²的通信电缆，其标称厚度为0.33mm，最薄点厚度为0.30mm；

2、为防止串音，在25对基本单元内，对线对的对绞节距进行了优化设计：1)任意一个线对的对绞节距不大于120mm；2)任意两对线对的对绞节距不同；3)任意两对相邻线对的对绞节距之差不小于10mm；

3、为抗电磁干扰，在缆芯外编织金属屏蔽层，编织密度不小于80％；

4、内护套是由满足60年寿命要求的K3类核电专用低烟无卤阻燃聚烯烃护套料挤包而成，具有老化寿命长、耐热氧老化、耐辐照老化、低烟、无卤、阻燃等一系列突出优点；

5、外护套由满足60年寿命要求的K3类核电专用低烟无卤阻燃聚烯烃护套料挤包而成，具有：老化寿命长、耐热氧老化、耐辐照老化、机械性能优良、防水、耐磨等特点。

附图说明

图1为本发明核电铠装通信电缆的结构示意图；

图2为本发明子单元内线对排列结构图；

图3为本发明核电非铠装通信电缆制造工艺流程示意图；

图4为本发明核电铠装通信电缆制造工艺流程示意图；

1、铜导体，2、绝缘层，3、绝缘线芯，4、线对，5、成缆绕包层，6、金属屏蔽层，7、内护套，8、钢带铠装层，9、外护套。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1～图4所示，一种第三代核电站用通信电缆，它包括缆芯、绕包在缆芯外的成缆绕包层、成缆绕包层外设置有金属屏蔽层以及挤包在最外层的外护套，所述缆芯包括若干组由绝缘线芯组成的线对，绝缘线芯包括铜导体和设置在铜导体外的绝缘层组成；

所述缆芯最多包括200对绝缘线对，所述的线对数仅仅包括1、2、3、4、5、10、20、25、50、100以及200这11组数；

对于1对通信电缆，缆芯由1对绝缘线对直接构成；

对于2对、3对、4对、5对、10对以及20对之一的通信电缆，缆芯采用束绞或同心绞的方式直接成缆；

对于25对、50对、100对以及200对之一的通信电缆，先绞合25对基本单元，后由基本单元成缆或将基本单元绞合成缆。

优选地，所述的金属屏蔽层到外护套之间依次设置有内护套和钢带铠装层。

优选地，所述的铜导体的规格为0.6mm或1.18mm(对应截面约为1mm²)。

优选地，所述的成缆绕包层由双层聚酯带重叠绕包而成，以防绝缘线芯粘结或变形、损伤。

优选地，所述的金属屏蔽层由多根标称直径为0.15～0.25mm镀锡圆铜线编织构成，编织密度不小于80％。

优选地，所述的内护层是由满足60年寿命要求的K3类核电专用低烟无卤阻燃聚烯烃护套料挤包而成。

优选地，所述的铠装层由两层镀锌钢带螺旋绕包而成，钢带标称厚度不小于0.2mm，包带间隙不大于金属带宽度的50％。

优选地，所述的外护套由满足60年寿命要求的K3类核电专用低烟无卤阻燃聚烯烃护套料挤包而成。

一种第三代核电站用通信电缆设计制造方法，它包括如下步骤(对于1-20对通信电缆，无S5)：

S1：拉丝退火：将购买的无氧铜杆经过大拉丝机、中拉丝机和小拉丝机等多道工序拉丝退火，制成直径为0.6mm或1.18mm(对应截面约为1mm²)的单根软圆铜导体，检查导体的电阻率和断裂伸长率；

S2：挤包绝缘：按照全色谱标识，选用自定芯模具，分别挤包不同颜色的高密度聚乙烯绝缘材料，绝缘颜色最多包括：白、红、黑、黄、紫、蓝、橙、绿、棕以及灰10种颜色(绝缘颜色由表3决定)，检查绝缘的平均厚度和最薄点厚度，火花机检测电压为2kV，确保绝缘无缺陷点；

S3：复绕配线：对绝缘线芯进行复绕分段，将每种颜色绝缘线芯均分为若干段，便于后续的配线对绞，复绕时火花机检测电压为2kV，再次确保绝缘无缺陷点；

S4：线对对绞：将绝缘线芯两两对绞形成线对，最多25对，检查对绞节距；

S5：对于25对、50对、100对以及200对的子单元绞合：按照3+8+14的方式，将25对线对绞合成一个子单元，对子单元进行计米：(L)，对于25对通信电缆，全部长度绕包白蓝双色带；对于50对通信电缆，每0.5L长度子单元外依次绕包白蓝、白橙等2种双色带；对于100对通信电缆，每0.25L长度子单元外依次绕包白蓝、白橙、白绿和白棕等4种双色带；对于200对通信电缆，每0.125L长度子单元外依次绕包白蓝、白橙、白绿、白棕、白灰、红蓝、红橙和红绿等8种双色带；检查绞合节距和线对排列顺序；对于1-20对通信电缆无这一步；

S6：成缆绕包：对于1对通信电缆，缆芯由1对绝缘线对直接构成；对于2对、3对、4对、5对、10对以及20对之一的线对，缆芯采用束绞或同心绞的方式直接成缆；对于25对、50对、100对以及200对之一的线对，按照双色带的颜色，将子单元均分为1-8段，将1-8段子单元绞合形成缆芯；缆芯外重叠绕包双层聚酯包带，检查成缆节距和圆整度；

S7：屏蔽：在缆芯外，采用多根镀锡铜丝编织屏蔽，编织密度不低于80％，检查编织密度；

S8：挤包外护：采用老化寿命不低于60年的核电专用褐色低烟无卤聚烯烃护套料，在屏蔽层外挤包外护套，护套表面喷印相关标识，检查护套厚度和标识；

S9：成品检验：对成品电缆进行例行试验；

S10：包装入库：将检验合格的成品电缆进行封头、盘具印字、信息录入，放入成品库。

优选地，在所述的步骤S7和步骤S8之间还具有如下两个步骤：

S111：挤包内护：采用老化寿命不低于60年的核电专用黑色低烟无卤聚烯烃护套料，在屏蔽层外挤包内护套；

S112：铠装：采用双层镀锌钢带间隙重叠绕包，搭盖率不低于40％。

本发明绝缘、护套材料选择：绝缘采用符合YD/T 760-1995规定的高密度聚乙烯料(HDPE)，其性能符合表1规定。内护套和外护套采用满足60年寿命要求的K3类核电专用低烟无卤阻燃聚烯烃护套料，其性能符合表2规定。

表1绝缘材料性能要求

表2内护和外护套材料性能要求

本发明绝缘厚度设计：根据相关资料，核电通信电缆的绝缘厚度取决于其工作电容，核电通信电缆的工作电容C可通过下式1计算：

a＝d_c+1.9δ (式5)

d₀＝d_c+2δ (式6)

d₁＝2d₀ (式7)

上述式中：

λ——电缆的总绞入系数，一般取1.055；

Ψ——屏蔽系数，一般取0.7；

ε_D——线对间空气/绝缘构成的组合介质的等效介电常数；

ε₀——干燥空气相对介电常数，一般取1.0；

ε_G——高密度聚乙烯绝缘的相对介电常数，一般取2.34；

S₀——线对中干燥空气所占截面积(mm²)，不考虑对绞后绝缘挤压变形；

S_G——线对中绝缘介质所占截面积(mm²)，不考虑到对绞后绝缘挤压变形；

a——线对中两根导体中心间距离(mm)，要考虑对绞后绝缘挤压变形；

d_C——单根绝缘线芯中导体直径(mm)；

δ——单根绝缘线芯中绝缘厚度(mm)；

d₀——单根绝缘线芯直径(mm)；

d₁——线对对绞后外径(mm),不考虑对绞后绝缘发生挤压变形；

将式2——式7代入式1，即得到工作电容C与绝缘厚度δ的函数关系，由于该函数关系为超越方程，当给定工作电容C时，无法通过求解反函数的方法直接求解绝缘厚度δ，可通过数值逼近法求解。首先给定一个初始值δ₀，便可通过式1得到C₀，通过比较C₀与目标值C的误差，进一步不断修正δ_i的赋值(i从1到n)；当C_n-C≤±0.01nF/km时，可认为此时的δ_n即为目标值。

按照工作电容为52nF/km的标准进行设计，通过上述方法计算得到：对于导体规格为0.6mm的核电通信电缆，其绝缘标称厚度为0.20mm；对于导体规格为1.0mm²的核电通信电缆，其绝缘标称厚度为0.33mm。

本发明对绞节距设计：为防止串音，在25对基本单元内，对线对的对绞节距进行了优化设计：1)任意一个线对的对绞节距不大于120mm；2)任意两对线对的对绞节距不同；3)任意两对相邻线对的对绞节距之差不小于10mm。以25对基本单元为例，线对的排列顺序如下图2所示，线对的绝缘颜色和对绞节距如表3所示。

表3 1-25对线对绝缘颜色及对绞节距表

注：不同线对数的通信电缆，其绝缘颜色和对绞节距严格按上表执行；例如对于4对通信电缆，其线对颜色依次为白蓝(节距21mm)、白橙(节距45mm)、白绿(节距35mm)、白棕(节距90mm)。

(四)制造工艺

核电非铠装通信电缆的制造工艺流程如图3所示：

如图3所示，核电非铠装通信电缆的制造流程可简要概括为：1)拉丝退火：将购买的无氧铜杆(一般规格为8mm)经过大拉丝机、中拉丝机和小拉丝机等多道工序拉丝退火，制成0.6mm或1mm²的单根软圆铜导体，检查导体的电阻率和断裂伸长率；2)挤包绝缘：按照全色谱标识，选用自定芯模具，分别挤包不同颜色的高密度聚乙烯绝缘材料，绝缘颜色最多包括：白、红、黑、黄、紫、蓝、橙、绿、棕以及灰10种颜色(绝缘颜色由表3决定)，检查绝缘的平均厚度和最薄点厚度，火花机检测电压为2kV，确保绝缘无缺陷点；3)复绕配线：对绝缘线芯进行复绕分段，将每种颜色绝缘线芯均分为若干段，便于后续的配线对绞，复绕时火花机检测电压为2kV，再次确保绝缘无缺陷点；4)线对对绞：按照表3的要求的色对和节距，将绝缘线芯两两对绞形成线对，最多25对，检查对绞节距；5)子单元绞合：如图2所示，按照3+8+14的方式，将25对线对绞合成一个子单元，对子单元进行计米(L)，对于25对通信电缆，全部长度绕包白蓝双色带；对于50对通信电缆，每0.5L长度子单元外依次绕包白蓝、白橙等2种双色带；对于100对通信电缆，每0.25L长度子单元外依次绕包白蓝、白橙、白绿和白棕等4种双色带；对于200对通信电缆，每0.125L长度子单元外依次绕包白蓝、白橙、白绿、白棕、白灰、红蓝、红橙和红绿等8种双色带；检查绞合节距和线对排列顺序；6)成缆绕包：对于1对通信电缆，缆芯由1对绝缘线对直接构成；对于2对、3对、4对、5对、10对以及20对之一的线对，缆芯采用束绞或同心绞的方式直接成缆；对于25对、50对、100对以及200对之一的线对，按照双色带的颜色，将子单元均分为1-8段，将1-8段子单元绞合形成缆芯，缆芯外重叠绕包双层聚酯包带，检查成缆节距和圆整度；7)屏蔽：在缆芯外，采用多根镀锡铜丝编织屏蔽，编织密度不低于80％，检查编织密度；8)挤包外护：采用老化寿命不低于60年的核电专用褐色低烟无卤聚烯烃护套料，在屏蔽层外挤包外护套，护套表面喷印相关标识，检查护套厚度和标识；9)成品检验：对成品电缆进行例行试验，试验项目见表4；10)包装入库：将检验合格的成品电缆进行封头、盘具印字、信息录入，放入成品库。

核电铠装通信电缆的制造工艺流程如图4所示：

如图4所示，核电铠装通信电缆的制造流程可简要概括为：1)拉丝退火：将购买的无氧铜杆(一般规格为8mm)经过大拉丝机、中拉丝机和小拉丝机等多道工序拉丝退火，制成0.6mm或1mm²的单根软圆铜导体，检查导体的电阻率和断裂伸长率；2)挤包绝缘：按照全色谱标识，选用自定芯模具，分别挤包不同颜色的高密度聚乙烯绝缘材料，绝缘颜色最多包括：白、红、黑、黄、紫、蓝、橙、绿、棕以及灰10种颜色(绝缘颜色由表3决定)，检查绝缘的平均厚度和最薄点厚度，火花机检测电压为2kV，确保绝缘无缺陷点；3)复绕配线：对绝缘线芯进行复绕分段，将每种颜色绝缘线芯均分为若干段，便于后续的配线对绞，复绕时火花机检测电压为2kV，再次确保绝缘无缺陷点；4)线对对绞：按照表3的要求的色对和节距，将绝缘线芯两两对绞形成线对，最多25对，检查对绞节距；5)子单元绞合(仅针对25-200对通信电缆)：如图2所示，按照3+8+14的方式，将25对线对绞合成一个子单元，对于25对通信电缆，全部长度绕包白蓝双色带；对于50对通信电缆，每0.5L长度子单元外依次绕包白蓝、白橙等2种双色带；对于100对通信电缆，每0.25L长度子单元外依次绕包白蓝、白橙、白绿和白棕等4种双色带；对于200对通信电缆，每0.125L长度子单元外依次绕包白蓝、白橙、白绿、白棕、白灰、红蓝、红橙和红绿等8种双色带；检查绞合节距和线对排列顺序；6)成缆绕包：对于1对通信电缆，缆芯由1对绝缘线对直接构成；对于2对、3对、4对、5对、10对以及20对之一的线对，缆芯采用束绞或同心绞的方式直接成缆；对于25对、50对、100对以及200对之一的线对，按照双色带的颜色，将子单元均分为1-8段，将1-8段子单元绞合形成缆芯，缆芯外重叠绕包双层聚酯包带，检查成缆节距和圆整度；7)屏蔽：在缆芯外，采用多根镀锡铜丝编织屏蔽，编织密度不低于80％，检查编织密度；8)挤包内护：采用老化寿命不低于60年的核电专用黑色低烟无卤聚烯烃护套料，在屏蔽层外挤包内护套；9)铠装：采用双层镀锌钢带间隙重叠绕包，搭盖率不低于40％；10)挤包外护：采用老化寿命不低于60年的核电专用褐色低烟无卤聚烯烃护套料，在屏蔽层外挤包外护套，护套表面喷印相关标识，检查护套厚度和标识；11)成品检验：对成品电缆进行例行试验，试验项目见表4；12)包装入库：将检验合格的成品电缆进行封头、盘具印字、信息录入，放入成品库。

产品性能检验：我公司对试制的第三代核电站用通信电缆进行了检验，性能指标如表4所示。根据检验结果，我公司设计制造的第三代核电站用通信电缆完全符合相关标准要求，可以满足客户需求。

表4第三代核电站用通信电缆性能试验

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。