矿物绝缘组件及制备方法和具备矿物绝缘组件的安全装置与流程

本发明专利涉及一种电气贯穿装置，具体涉及一种可用于极限恶劣工况下，供动力、仪控、通讯等电缆贯穿反应堆厂房、安全壳、LNG低温容器等压力边界的专用电气设备，该设备具有良好的承压、耐老化、耐辐照老化及优良的密封性能，不仅能保证压力边界内外电缆的可靠电气连接，还能有效防止放射性、易燃易爆物质的外泄。

背景技术：
电气贯穿件，作为各种电缆贯穿反应堆厂房、安全壳和LNG低温容器等压力边界的通道，既要满足相关电气性能要求，还必须保证可靠的密封性能，即使在极限恶劣工况（如反应堆严重事故工况）情况下，仍能维持压力边界的完整性。目前，国内外电气贯穿件有组件结构和整体结构两种形式。采用整体结构形式，电气贯穿件的通用性差，不可拆卸和更换，检修困难。如3825669号美国专利“Hightemperature,Highpressureelectricalpenetrationassembly”公开一种电气贯穿装置，该装置结构简单、性能可靠，但存在以下缺陷：1、该贯穿件的导体绝缘采用耐高温氧化镁或氧化铝粉末，导体两侧采用密封胶密封。由于密封胶温度指数低，导致密封性能不可靠，而且氧化物粉末容易吸潮，会导致绝缘性能下降，不利于电气贯穿件总体功能的实现。2、导体组件与筒体采用焊接连接，不可拆卸。采用组件结构，便于维护和更换。如中国专利ZL200520107527.0公布的《反应堆安全壳低压电气贯穿件》均采用导体组件式结构，其采用导体组件实现内外电缆的导通。这些专利中提及的电气贯穿件产品多采用环氧树脂、聚砜等有机高分子材料作为绝缘和密封材料，有机高分子材料对辐照、高温等条件敏感，在极限运行条件下电气贯穿件的总体密封性能不能得到有效保证；伴随安全壳或反应堆厂房压力边界内的高温、高压、辐照等环境的影响，其电气绝缘性能会降低，从而影响整个电气贯穿件的电气性能。

技术实现要素：
本发明将针对上述问题提出解决方案，提出一种能够满足压力边界内极限运行条件的电气贯穿件。该产品不仅能够保证在高温、低温、高压、高辐照条件下设备的各项电气、机械和密封性能，而且便于现场的安装、检测及安装后的可维护性、可更换性和可扩展性，即矿物绝缘组件及制备方法和具备矿物绝缘组件的安全装置。本发明的实现方案如下：矿物绝缘组件，包括矿物绝缘组件护套，设置在矿物绝缘组件护套内的导体线芯，导体线芯包括用于动力、仪控、通讯的实心铜导体线芯或实心合金线芯。填充在矿物绝缘组件护套内的氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质，矿物绝缘组件护套前端和后端均采用密封玻璃进行密封，导体线芯依次穿过矿物绝缘组件护套前端的密封玻璃、氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质、矿物绝缘组件护套后端的密封玻璃，密封玻璃与氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质、矿物绝缘组件护套之间存在零间隙。本结构的设计原理为：利用密封玻璃对矿物绝缘组件内部的氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质进行密封，使得氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质不吸收水分，在设置密封玻璃前所述氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质已经过除水处理，因此形成的氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质在不含水和不吸水的状态下，保证矿物绝缘组件的绝缘性能，同时采用密封玻璃能保证其密封性。所述矿物绝缘组件的制备方法，包括如下步骤：步骤A：将导体线芯穿过矿物绝缘组件护套，导体线芯与矿物绝缘组件护套之间密实填充氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质；步骤B：加热氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质去除氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质内的水分；步骤C：在矿物绝缘组件护套前端和后端均填充密实的玻璃粉或玻璃粉预制件；步骤D：加热玻璃粉或玻璃粉预制件使得玻璃粉或玻璃粉预制件软化填充在导体线芯与矿物绝缘组件护套之间；步骤E：冷却，利用金属的矿物绝缘组件护套收缩程度将高于玻璃和导体线芯的收缩程度，从而会对冷却状态下的玻璃体产生一个径向压缩力，最后完全冷却后形成密封玻璃。上述方法的实现原理为，填充好氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质后对氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质进行除水处理，然后利用软化操作使得玻璃粉或玻璃粉预制件封闭在矿物绝缘组件护套的前端和后端，然后利用不同物质的冷却收缩能力不同，从而使得矿物绝缘组件护套收缩挤压密封玻璃，从而实现对密封玻璃进行挤压密封处理。对矿物绝缘组件应用到核工程、LNG容器等压力边界中，从而形成具备矿物绝缘组件的安全装置，具备矿物绝缘组件的安全装置的实现方式存在以下2种：第一种具备矿物绝缘组件的安全装置的实现方式为：对矿物绝缘组件的应用到核工程、中，从而形成具备矿物绝缘组件的安全装置，该安全装置包括至少1个上述的矿物绝缘组件，贯穿安全壳预埋套管的筒体组件、焊接法兰和接线箱。焊接法兰与筒体组件焊接，焊接法兰并最终与安全壳预埋套管焊接实现该装置与安全壳等压力边界的密封。所有矿物绝缘组件均贯穿筒体组件，筒体组件的安全壳内侧和安全壳外侧均设置有接线箱，矿物绝缘组件延伸到接线箱内，接线箱通过螺栓连接到筒体组件的端板上。矿物绝缘组件起到电气连接的作用，安全壳、安全壳预埋套管和筒体组件组成安全壳的压力边界。矿物绝缘组件贯穿整个筒体组件，并安装在端板上。端板与矿物绝缘组件之间设置有密封组件和密封压紧螺母，密封压紧螺母旋转时，挤压密封组件，密封组件挤压端板和矿物绝缘组件从而密封矿物绝缘组件与端板之间的间隙。该装置在安装完成后即可实现对安全壳内外的密封，保证了安全壳压力边界的完整性。在筒体组件上位于安全壳的外侧装有压力监测组件，通过压力监测组件可对该装置本体的内部气压实施监测，也可通过该装置向筒体内部实施充、放气操作；该装置的内侧和外侧，分别设置有接线箱，接线箱可通过焊接或者螺栓连接到筒体组件上，反应堆内、外部的电缆可在接线箱内与导体组件线芯进行连接，从而实现安全壳内外可靠的电气连接。第二种具备矿物绝缘组件的安全装置的实现方式为：当反应堆厂房、安全壳、LNG低温容器等压力边界的现场安装空间受限时，具备矿物绝缘组件的安全装置可采用单法兰双金属卡套方式实现密封及固定。包括至少1个上述的矿物绝缘组件，还包括连接法兰，矿物绝缘组件通过前端卡套、压紧卡套和压紧螺母实现矿物绝缘组件在连接法兰上的固定和双道密封；连接法兰通过螺栓或焊接的方式固定在安全壳上。具体实现方式如下：将矿物绝缘组件穿过连接法兰上的贯穿孔；然后装入前端卡套，使其锥面和连接法兰上的锥面端部相贴合，接着装入压紧卡套，在压紧卡套装配完成后拧入压紧螺母，通过压紧螺母产生的压紧力使前端卡套与连接法兰以及矿物绝缘组件之间相互挤压，使前端卡套发生变形从而保证连接法兰、前端卡套和矿物绝缘组件之间的密封性能；然后通过压紧螺母的持续压紧作用使得前端卡套和压紧卡套以及矿物绝缘组件之间相互挤压从而最终保证在连接法兰和矿物绝缘组之间形成一个密闭的气腔。由于连接法兰上开设的供矿物绝缘组件贯穿的通孔是连通的，在连接法兰上安装压力表，从通过压力表上的引压管充入惰性气体至密闭气腔中，并通过压力表对连接法兰内部的气体压力和密封性能进行监测。本发明的目的是开发矿物绝缘组件及制备方法和具备矿物绝缘组件的安全装置。该装置结构合理、性能可靠、工艺成熟可行、检修维护方便，并拥有良好的耐高温、低温、高压、耐辐照老化、耐热老化、耐火、气密以及抗震等特殊要求，在压力边界内极限运行环境条件下，仍然能够保证良好的机械完整性和电气完整性。该装置能够满足电缆贯穿压力边界的功能要求。具体的，本发明专利的实现途径为：包括矿物绝缘组件、筒体组件、用于与安全壳预埋套管连接的焊接法兰、压力监测组件和接线箱等组成。其中，所说的矿物绝缘组件包括导体线芯，导体线芯包括用于动力、仪控、通讯等应用的各种规格的实心铜导体线芯或实心合金线芯；导体线芯外套不锈钢护套，即导体线芯外套有矿物绝缘组件护套，在矿物绝缘组件护套与导体线芯之间填充密实的氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质，在矿物绝缘组件护套两端预留一段空间，并采用玻璃封接工艺进行端部密封。具体的方法是：先将玻璃粉或玻璃粉预制件填充预留一段空间其中，待中部起绝缘作用的氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质加热排潮处理后，将两端玻璃封接部位加热至适当温度，使玻璃软化并填满矿物绝缘组件护套和导体线芯之间的空间。在冷却过程中，玻璃会在其设定点进行凝固。进一步冷却时，外部矿物绝缘组件护套的收缩程度（由于其热膨胀系数更大）将高于玻璃和导体的收缩程度，从而会对玻璃体产生一个径向压缩力。这样，即使在高温、低温或高气压及热循坏条件下，矿物绝缘组件也能获得极高的电气性能和密封性能。矿物绝缘组件安装在筒体组件上并贯穿整个筒体，在筒体组件的两端采用金属卡套实现密封，焊接法兰焊接在筒体组件上，并在安全壳等压力边界的内侧与预埋套管焊接安装，在不适合现场焊接的位置，亦可采用法兰结构压紧金属C形圈或金属O形圈的方式安装，保证安全壳的密封性能和压力边界的完整性，压力监测组件对贯穿装置的内部气压实施监测。在现场安装空间受限的位置，矿物绝缘组件贯穿压力边界装置亦可采用单法兰双金属卡套方式实现密封及固定。本发明的效果在于：a.采用氧化镁或/和二氧化硅粉末作为导体的绝缘介质形成氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质，氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质是无机物，且耐高温、低温、高压、耐辐照，使得贯穿装置具有良好的电气性能；b.矿物绝缘组件端部采用玻璃封接工艺，使得矿物绝缘组件具有2道密封，玻璃密封不老化、可靠、免维修，可以保证良好的密封性能；c.采用全长度无任何断点或接续的矿物绝缘组件贯穿反应堆厂房、安全壳等压力边界，使得该装置传输电力、仪控、通讯信号时，可靠性高、稳定性好、精度高；d.采用标准的金属卡套实现矿物绝缘组件在端板处的固定和贯穿通道的密封，使得矿物绝缘组件可拆卸、可更换、可检修，密封效果好；e.该装置内部形成密闭的气腔，并将装置可能的泄漏通道都连通起来，能够实时监测装置的密封性能，便于检修和维护。f.通过调整玻璃粉或玻璃预制件的材料，也可适用于LNG的极限低温条件。附图说明图1是安全装置的结构示意图。图2是矿物绝缘组件及其在端板处的密封结构示意图。图3是单法兰双金属卡套方式设置矿物绝缘组件的密封结构示意图。图中的标号分别表示为：1、接线箱；2、矿物绝缘组件；3、筒体组件；4、焊接法兰；5、安全壳；6、安全壳预埋套管；7、压力监测组件；8、氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质；9、矿物绝缘组件护套；10、端板；11、密封组件；12、密封压紧螺母；13、密封玻璃；14、导体线芯；15、压力表；16、连接法兰；17、前端卡套；18、压紧卡套；19、压紧螺母。具体实施方式实施例一如图1、图2、图3所示。矿物绝缘组件，包括矿物绝缘组件护套9，设置在矿物绝缘组件护套内的导体线芯14，导体线芯14包括用于动力、仪控、通讯的实心铜导体线芯或实心合金线芯。填充在矿物绝缘组件护套9内的氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质8，矿物绝缘组件护套9前端和后端均采用密封玻璃13进行密封，导体线芯14依次穿过矿物绝缘组件护套9前端的密封玻璃13、氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质8、矿物绝缘组件护套9后端的密封玻璃13，密封玻璃13与氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质8、矿物绝缘组件护套9之间存在零间隙。本结构的设计原理为：利用密封玻璃13将内部的氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质8进行密封，使得氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质8不吸收水分，在设置密封玻璃13前所述氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质8已经过除水处理，因此形成的氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质8在不含水和不吸水的状态下，保证矿物绝缘组件的绝缘性能，同时采用密封玻璃13能保证其密封性。实施例二如图1、图2、图3所示。所述矿物绝缘组件的制备方法，包括如下步骤：步骤A：将导体线芯14穿过矿物绝缘组件护套9，导体线芯14与矿物绝缘组件护套9之间密实填充氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质8；步骤B：加热氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质8去除氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质8内的水分；步骤C：在矿物绝缘组件护套9前端和后端均填充密实的玻璃粉或玻璃粉预制件；步骤D：加热玻璃粉或玻璃粉预制件使得玻璃粉或玻璃粉预制件软化填充在导体线芯14与矿物绝缘组件护套9之间；步骤E：冷却，利用金属的矿物绝缘组件护套9收缩程度将高于玻璃和导体线芯14的收缩程度，从而会对冷却状态下的玻璃体产生一个径向压缩力，最后完全冷却后形成密封玻璃13。上述方法的实现原理为，填充好氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质8后对氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质8进行除水处理，然后利用软化操作使得玻璃粉或玻璃粉预制件封闭在矿物绝缘组件护套9的前端和后端，然后利用不同物质的冷却收缩能力不同，从而使得矿物绝缘组件护套9收缩挤压密封玻璃13，从而实现对密封玻璃13进行挤压密封处理。实施例三如图1、图2、图3所示。对矿物绝缘组件应用到核工程、LNG容器等压力边界中，从而形成具备矿物绝缘组件的安全装置，具备矿物绝缘组件的安全装置的实现方式存在2种。第一种具备矿物绝缘组件的安全装置，该安全装置包括至少1个实施例1的矿物绝缘组件2，贯穿安全壳预埋套管的筒体组件3、焊接法兰4和接线箱1。焊接法兰4与筒体组件3焊接，并最终与安全壳预埋套管6焊接实现该装置与安全壳等压力边界的密封。所有矿物绝缘组件2均贯穿筒体组件3，筒体组件3的安全壳内侧和安全壳外侧均设置有接线箱1，矿物绝缘组件2延伸到接线箱内，接线箱通过螺栓连接到筒体组件的端板10上。矿物绝缘组件2起到电气连接的作用，安全壳5、安全壳预埋套管6和筒体组件3组成安全壳的压力边界。矿物绝缘组件2贯穿整个筒体组件3，并安装在端板10上。端板10与矿物绝缘组件2之间设置有密封组件11和密封压紧螺母12，密封压紧螺母12旋转时，挤压密封组件11，密封组件11挤压端板10和矿物绝缘组件2从而密封矿物绝缘组件2与端板10之间的间隙。该装置在安装完成后即可实现对安全壳5内外的密封，保证了安全壳5压力边界的完整性。在筒体组件3上位于安全壳5的外侧装有压力监测组件7，通过压力监测组件7可对该装置本体的内部气压实施监测，也可通过该装置向筒体内部实施充、放气操作；该装置的内侧和外侧，分别设置有接线箱1，接线箱1可通过焊接或者螺栓连接到筒体组件3上，反应堆内、外部的电缆可在接线箱1内与导体组件线芯10进行连接，从而实现安全壳内外可靠的电气连接。实施例四如图1、图2、图3所示。第二种具备矿物绝缘组件的安全装置，在核工程、LNG低温容器等压力边界的现场安装空间受限时，可采用单法兰双金属卡套方式实现密封及固定。包括至少1个实施例1的矿物绝缘组件2，还包括连接法兰16，矿物绝缘组件2通过前端卡套17、压紧卡套18和压紧螺母19实现矿物绝缘组件2在连接法兰16上的固定和双道密封；连接法兰16通过螺栓或焊接的方式固定在安全壳上。具体实现方式如下：如图3所示，将矿物绝缘组件2穿过连接法兰16上的贯穿孔；然后装入前端卡套17，使其锥面和连接法兰16上的锥面端部相贴合，接着装入压紧卡套18，在压紧卡套18装配完成后拧入压紧螺母19，通过压紧螺母19产生的压紧力使前端卡套17与连接法兰16以及矿物绝缘组件2之间相互挤压，使前端卡套17发生变形从而保证连接法兰16、前端卡套17和矿物绝缘组件2之间的密封性能；然后通过压紧螺母19的持续压紧作用使得前端卡套17和压紧卡套18以及矿物绝缘组件2之间相互挤压从而最终保证在连接法兰16和矿物绝缘组件2之间形成一个密闭的气腔。由于连接法兰16上开设的供矿物绝缘组件2贯穿的通孔是连通的，在连接法兰16上安装压力表15，从通过压力表15上的引压管充入惰性气体至密闭气腔中，并通过压力表15对连接法兰16内部的气体压力和密封性能进行监测。本发明的目的是开发矿物绝缘组件及制备方法和具备矿物绝缘组件的安全装置。该装置结构合理、性能可靠、工艺成熟可行、检修维护方便，并拥有良好的耐高温、低温、高压、耐辐照老化、耐热老化、耐火、气密以及抗震等特殊要求，在压力边界内极限运行环境条件下，仍然能够保证良好的机械完整性和电气完整性。该装置能够满足电缆贯穿压力边界的功能要求。具体的，本发明专利的实现途径为：包括矿物绝缘组件、筒体组件、用于与安全壳预埋套管连接的焊接法兰、压力监测组件和接线箱等组成。其中，所说的矿物绝缘组件包括导体线芯，导体线芯包括用于动力、仪控、通讯等应用的各种规格的实心铜导体线芯或实心合金线芯；导体线芯外套不锈钢护套，即导体线芯外套有矿物绝缘组件护套9，在矿物绝缘组件护套9与导体线芯之间填充密实的氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质，在矿物绝缘组件护套9两端预留一段空间，并采用玻璃封接工艺进行端部密封。具体的方法是：先将玻璃粉或玻璃粉预制件填充预留一段空间其中，待中部起绝缘作用的氧化镁或\和二氧化硅绝缘介质加热排潮处理后，将两端玻璃封接部位加热至适当温度，使玻璃软化并填满矿物绝缘组件护套和导体线芯之间的空间。在冷却过程中，玻璃会在其设定点进行凝固。进一步冷却时，外部矿物绝缘组件护套的收缩程度（由于其热膨胀系数更大）将高于玻璃和导体的收缩程度，从而会对玻璃体产生一个径向压缩力。这样，即使在高温、低温或高气压及热循坏条件下，矿物绝缘组件也能获得极高的电气性能和密封性能。矿物绝缘组件安装在筒体组件上并贯穿整个筒体，在筒体组件的两端采用金属卡套实现密封，焊接法兰焊接在筒体组件上，并在安全壳等压力边界的内侧与预埋套管焊接安装，在不适合现场焊接的位置，亦可采用法兰结构压紧金属C形圈或金属O形圈的方式安装，保证安全壳的密封性能和压力边界的完整性，压力监测组件对贯穿装置的内部气压实施监测。在现场安装空间受限的位置，矿物绝缘组件贯穿压力边界装置亦可采用单法兰双金属卡套方式实现密封及固定。如上所述，则能很好的实现本发明。