Телекоммуникационные кабели для атомных станций

А.Воронцов, к.т.н., зам. начальника отделения ОАО "ВНИИКП"
Ю.Ларин, д.т.н., зам. главного конструктора кабелей для АЭС ОАО "ВНИИКП"
М.Шолуденко, к.т.н., зав. лабораторией ОАО "ВНИИКП"
И.Овчинникова, к.т.н., зав. лабораторией ОАО "ВНИИКП"

Надежность АЭС определяется всеми без исключения узлами, в том числе и телекоммуникационными кабелями, входящими в комплекс системы управления. В статье рассмотрена проблема создания специальных типов телекоммуникационных кабелей для атомных станций. Приведены некоторые конструкции электрических и оптических кабелей связи, рекомендованных для использования на АЭС.

Развитие атомной энергетики России происходит в рамках Федеральной программы "Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010–2015 гг. и на перспективу до 2020 г.". Программа утверждена Правительством Российской Федерации. Она предусматривает инвестиции в атомную энергетику на сумму 128,23 млрд. руб., причем 110,43 млрд. руб. инвестируется бюджетом, а свыше 18 млрд. руб. инвестируют частные компании. Программа была разработана еще в 2007 году, но ее принятию помешал кризис, охвативший российскую экономику. В 2013 году на реализацию Федеральной целевой программы предполагается выделить 17,5 млрд. руб. (15,4 млрд. руб. из федеральных средств и 2,1 млрд. руб. – из частных).

В настоящее время на десяти российских АЭС вырабатывается 16% производимой в России электроэнергии. В рамках реализации программы предусматривается не только модернизация и техническое перевооружение уже существующих энергоблоков АЭС, но и строительство 30–32 новых. Предполагается, что внедрение программы позволит увеличить долю продукции атомных станций до четверти всей электроэнергии, вырабатываемой в России. При этом значительное внимание должно быть уделено повышению надежности и экологической безопасности станций.

В связи с возможностью катастрофических последствий аварий на АЭС проблема надежности становится самой важной при разработке элементов АЭС и, в частности, кабельной техники. Качество кабеля серьезно влияет на уровень безопасности и надежности АЭС. По оценке специалистов службы пожарной безопасности России, электрические кабели и провода как причина пожара занимали в 2003 году первое место среди электротехнических изделий по количеству пожаров, размеру материального ущерба и числу погибших при пожарах людей. По этой причине постоянно ужесточаются требования к кабельной продукции по показателям пожарной безопасности.

До середины 80-х годов прошлого столетия основным требованием пожарной безопасности было нераспространение горения одиночным кабелем при испытании по стандарту МЭК 332-1 (ГОСТ 12176-76). В настоящее время Федеральными нормами пожарной безопасности НПБ 248-97 предъявляется широкий комплекс требований, включающих нераспространение горения кабелей, проложенных пучком, нормирование дымообразования и выделения хлористого водород при горении и тлении, коррозионная активность и токсичность продуктов горения, а в некоторых случаях огнестойкость. Для АЭС требования нераспространения горения для одиночного кабеля недостаточно. Но в последнее десятилетие для силовых кабелей в этой области наметился прогресс. Остальные кабельные изделия (кабели связи, в том числе и оптические, контрольные и пр.) поставлялись на станции по произвольному выбору проектировщиков системы Минатома.

При создании специальных типов телекоммуникационных кабелей для атомных станций, в том числе и оптических, можно выделить две проблемы.

Первая проблема – информационная. Проектировщики АЭС в малой степени представляют возможности кабельной промышленности и не имеют информации о новейших разработках в этой области. Анализ документов, поступающих от научно-исследовательских и проектно-конструкторских институтов Минатома, показывает, что в проектные решения закладываются телекоммуникационные кабели, не удовлетворяющие требованиям даже 4-го класса безопасности.

Для устранения этой проблемы был разработан документ "Номенклатура кабельных изделий для атомных станций". 25 декабря 2012 года введен в действие стандарт организации СТО 1.1.1.01.001.0902-2912 "Кабельные изделия для атомных электростанций. Технические требования эксплуатирующей организации", разработанный ОАО "Электрогорский научно-исследовательский центр по безопасности атомных электростанций" (ОАО "ЭНИЦ") при участии ОАО "Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности" (ОАО "ВНИИКП"). Этот документ впервые определил требования, распространяющиеся на кабельные изделия, технические задания и технические условия при проведении аттестации и при формировании технической части конкурсной документации в рамках закупочных процедур для всех действующих, строящихся и проектируемых АЭС различного типа и назначения. Этот СТО можно считать на сегодняшний день основополагающим документом для формирования концепции создания специального класса телекоммуникационных кабелей для АЭС. Он определяет общие технические требования (ОТТ), порядок разработки и освоения в производстве. Появление этого документа позволяет частично решить первую проблему и обеспечить решение главной задачи – комплексного подхода к организации поставок кабельных изделий специально для атомной промышленности. Это исключит поставку на предприятия Минатома случайной продукции.

Вторая проблема – техническая. Что могут предложить Росатому кабельные заводы, выпускающие оптические кабели связи? В ОАО "ВНИИКП" разработан проект ОТТ к телекоммуникационным кабелям связи, учитывающий режимы работы при нормальных условиях эксплуатации, нарушении теплоотвода, "малой" течи, "большой" течи, а также классы безопасности элементов АЭС. В ОТТ учтены следующие показатели:

  • срок службы выбирается из требований эксплуатации АЭС. Пока ни один из разработанных кабелей связи не рассчитан на использование в течение столь длительного времени. Необходима разработка методов ускоренных испытаний применительно к специфике АЭС;
  • огнестойкость на сегодняшний день определяется Техническим регламентом "О требованиях пожарной безопасности" (Федеральный закон No123-Ф-3 от 22 июля 2008 г.). Учитывая важность безаварийной эксплуатации АЭС, требования к кабелям связи должны быть самыми жесткими;
  • радиационная стойкость – один из самых больных вопросов волоконной оптики . Однако и он имеет решения: использование для передачи сигналов смешанного канала на основе одно- и многомодового волокон, специальных типов оптических волокон и пр.. В строго регламентированных случаях огнестойкость и радиационная стойкость могут иметь несколько уровней в зависимости от места прокладки и возможных режимов эксплуатации;
  • сейсмостойкость заслуживает самого пристального изучения. Существующие ГОСТ достаточно детально разъясняют процедуру испытаний изделий на сейсмостойкость. Расчетно-экспериментальные методы находятся в стадии апробации. В настоящее время кабельная промышленность не готова в полном объеме к поставкам коммуникационных кабелей для АЭС, которые бы строго удовлетворяли всем предъявляемым требованиям. Однако имеющиеся перспективные разработки позволяют устранить этот недостаток в кратчайшие сроки.

Одной из первых разработок в этой области являются кабели марок КУППмнг(А)-HF КУППмнг(А)-FRHF по ТУ 3561-441-00217053-2012 и КУППнг(А)-FRHF, КУППлнг(А)-FRHF по ТУ 3561-442-00217053-2012 для цепей управления и контроля. Эти кабели (рис.1) универсальны. Они могут применяться в системах связи и системах противопожарной защиты общепромышленного применения классов 2, 3 и 4 по классификации НП-001-97, в том числе для присоединения измерительных преобразователей и исполнительных механизмов к программно-техническим средствам АСУТП, для прокладки внутри основных технологических сооружений АЭС и для эксплуатации вне герметичной оболочки атомных станций.

Рис.1. Кабели для цепей управления и контроля с изоляцией и в оболочке из полимерных композиций, не содержащих галогенов, марок КУППнг(А)-HF и КУППлнг(А)-HF (ТУ 3561-411-00217053-2009)

  1. ТПЖ диаметром 0,80 мм (сечение 0,5 мм2). Число пар в кабеле – 2; 4; 8; 12; 16; 20; 32 или 40;
  2. изоляция из полимерной композиции, не содержащей галогенов;
  3. поясная изоляция, обмотка из ПЭТФ лент (намотана спирально с перекрытием);
  4. кран-обмотка из алюмополимерных лент (намотана спирально с перекрытием);
  5. контактная медная луженая проволока;
  6. болочка из полимерной композиции, не содержащей галогенов, серого цвета

Рис.2. Кабель оптический огнестойкий пожаробезопасный:

  1. оптические волокна;
  2. трубка из полимерного материала (варианты: полибутилентерфталат, полиэфирэфиркетон, кремнийорганическая резина, полиамид);
  3. центральный силовой элемент из стекло- пластика пониженной пожароопасности;
  4. обмотка из водонабухающей ленты или нити;
  5. обмотка водонабухающей лентой или нитями вокруг сердечника;
  6. арамидные упрочняющие нити;
  7. внутренняя оболочка из пожаробезопасной полимерной композиции;
  8. водоблокирующая лента;
  9. фрированная стальная броня или алюминиевая лента;
  10. ащитный шланг из пожаробезопасной полимерной композиции

 

Эти кабели предназначены для передачи сигналов с рабочим напряжением до 250 В переменного тока частотой 50 Гц или напряжением до 350 В постоянного тока до 300 мА. На токопроводящие жилы кабелей с индексом нг-HF накладывается изоляция из полимерной композиции, не содержащей галогенов. На токопроводящие жилы кабелей с индексом FRHF перед наложением изоляции накладывается термический барьер в виде обмотки из слюдосодержащей ленты. Изолированные жилы кабелей скручены в пары, которые скручиваются в элементарные пучки из четырех пар, а элементарные пучки, в свою очередь, скручиваются в сердечник. Поверх скрученного сердечника последовательно наложены: поясная изоляция, экран и оболочка из полимерной композиции, не содержащей галогенов.

Показатели коррозионной активности продуктов, выделяющихся при горении
Содержание газов галогеносодержащих кислот в пересчете на HCl, мг/г, не более 5,0
Удельная проводимость водного раствора с адсорбированными продуктами дымогазовыделения, мкСм/мм, не более 10,0
Показатель pH, не менее 4,3

 

Значения показателей коррозионной активности продуктов дымогазовыделения при горении и тлении материалов изоляции и оболочки из полимерной композиции, не содержащей галогенов, должны соответствовать указанным в таблице. Дымообразование при горении и тлении кабелей не должно приводить к снижению светопроницаемости в испытательной камере более чем на 40%. Огнестойкость кабеля марки КУПП мнг(А)-FRHF должна быть не менее 90 мин. Кабели исполнения HF имеют класс пожарной опасности П 1б.8.1.2.1 , а кабели исполнения FRHF – П 1б.4.1.2.1 по ГОСТ Р 53315-2009.

Конструкция пожаростойкого оптического кабеля, который можно применять на АЭС, приведена на рис.2. Интересны частные применения электрооптических кабелей для АЭС. Как, например, в случае плавучей АЭС решить проблему с передачей на сушу энергии, горячей и холодной воды, осуществить связь, управление и т.п.? Если для создания сухопутного кабеля связи достаточно конструктивных предложений, то для подвижных морских АЭС необходимо создавать комбинированные кабели, совмещающие в себе сразу несколько функций (рис.3). При этом надо учесть, что их прокладывают в береговой зоне, где вероятность повреждения вырастает в десятки раз. Создание таких монстров требует специфических технологий и оборудования для их производства.

Для любой проблемы есть технические решения различной степени готовности и есть специалисты, способные реализовать эти решения.

Литература:

  1. Каменский М.К., Пешков И.Б. Состояние и перспективы производства электрических кабелей с повышенными показателями пожарной безопасности. – Кабели и провода, 2003, No6 (283), с.3–8.
  2. Долгов И.И., Ларин Ю.Т. О стойкости отечественных оптических волокон к воздействию ионизирующего излучения. – Кабели и провода, 2007, No (303), с.10–18.
  3. Волоконно-оптический кабель. Патент на полезную модель No 50009 по заявке 2005109087 от 30 марта 2005 г. / Долгов И.И., Ларин Ю.Т.
  4. Корякин А.Г., Ларин Ю.Т., Холодный С.Д. Сейсмостойкость оптических кабелей. – Кабели и провода, 2011, No3 (328), с.19–23.
  5. Корякин А.Г., Ларин Ю.Т., Портнов Э.Л. Расчет сейсмостойкого оптического кабеля на прочность при воздушной прокладке в условиях воздействия сейсмических волн. – Фотон-экспресс, 2012, No2 (98), с.12–14.
  6. Корякин А.Г., Ларин Ю.Т. Разработка метода испытаний оптических кабелей на сейсмостойкость. – Кабели и провода, 2012, No5 (336), с.16–18.
  7. Корякин А.Г., Ларин Ю.Т. Разработка методики испытаний на надежность сейсмических оптических кабелей связи. – Кабели и провода, 2013, No1 (338), с.18–20.
  8. Замятин И.А., Ларин Ю.Т., Овчинникова И.А., Холодный С.Д., Шолуденко М.В. Пожаробезопасные и огнестойкие кабели связи – теория и практика. – Пожарная безопасность, 2013, с.154–156.