Герметичный кабельный ввод сквозь контейнмент атомной электростанции
SEALED CABLE ENTRY THROUGH THE CONTAINMENT OF A NUCLEAR POWER PLANT

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для обеспечения герметичного пропуска токоведущих жил кабелей, жгутов в электрических коммуникациях, (в том числе) а именно при создании герметичных модульных вводов электрических цепей в герметичную зону (контейнмент) атомных станций.
Из уровня техники известны герметичные кабельные вводы различных производителей, которые различаются конструкцией токоведущих модулей, а именно материалами и, как следствие, технологиями герметизации и изоляции токоведущих жил.
В частности, АО «Элокс-Пром» и АО «ПЗЭМИ» применяют при изготовлении токоведущего модуля технологию французской фирмы «Окситроль», суть которой заключается в том, что токоведущие жилы внутри модуля пропускаются через полимерные изоляторы и герметизируются методом радиального обжатия в нержавеющей трубе.
Данный способ изготовления достаточно технологичен, так как позволяет в результате одной операции (обжатия металлической трубы) реализовать сразу две функции проходки - герметичность и электроизоляцию. Однако в этом случае надежность и долговечность герметичного кабельного ввода будет определяться свойствами примененного полимера, которые деградируют под действием радиационного излучения - образование радиационных дефектов сопровождается ухудшением механических характеристик полимера (потерей пластичности, вспучиванием, охрупчиванием, растрескиванием и др.). Поскольку кабельные вводы рассчитаны на длительный срок службы (не менее 60 лет), радиационные дефекты, накапливаясь, неизбежно приведут к разрушению материала. Работа в условиях повышенной температуры ускоряет этот процесс. Кроме того, рассматриваемые устройства обладают достаточно низкой огнестойкостью, так как температура плавления, например, полисульфона (материал применяется в герметичных кабельных вводах производства АО «Элокс-Пром») составляет 190°С. Для обеспечения требуемой огнестойкости такой конструкции требуется дополнительная тепловая защита, создание которой приведет к увеличению цены изделия и снижению его надежности.
В герметичных кабельных вводах производства фирмы SCHOTT AG и АО «Красная звезда» применяется технология «металлостеклянного спая». Суть данной технологии заключается в том, что предварительно изготовленный стекляннометаллический модуль припаивается (приваривается) и к токонесущему проводнику, и к фланцу токоведущего модуля. В качестве герметизирующего и электроизоляционного материала в данном случае используется стекло. Технология изготовления герметичных кабельных модулей такой конструкции является более сложной, поскольку необходимо предпринимать особые меры, обеспечивающие хорошую адгезию стекла к металлу и позволяющие согласовать металлические и стеклянные части конструкции металлостеклянного модуля по коэффициенту теплового расширения. Как правило, это достигается использованием в качестве материала проводника специального сплава, например, ковара.
Преимуществом «стеклянных» кабельных вводов по сравнению с «полимерными» является их высокая радиационная и огнестойкость (изолятор не горит и не разлагается под действием высоких температур), а также стойкость к воздействию дезактивирующих веществ.
Основным их недостатком является их хрупкость, низкая стойкость к механическим нагрузкам и термоударам. Кроме того, данная технология имеет ограниченное применение при производстве измерительных герметичных проходок. Это связано с тем, что специальные сплавы, используемые для изготовления токоведущих жил гермопроходок отличаются по своим удельным электрическим характеристикам от меди, из которой изготавливаются подводящие кабели. Это приводит к возникновению паразитных термо ЭДС, существенно затрудняющих, а в ряде случаев делающих невозможным корректное измерение параметров слаботочных (единицы мкА) сигналов.
Известен герметичный ввод электрических цепей в герметичную зону двойного контейнмента атомных электростанций, который содержит расположенный во внутренней стене закладной патрубок с жестко закрепленным внутри входным участком кабеля. Соосно патрубку установлено в наружной стене средство для компенсирования относительного движения между кабелем и наружной стенкой. Средство для компенсирования имеет трубу с сильфоном на наружном торце и вторым аналогичным сильфоном, симметрично установленным на противоположном торце трубы у внутренней поверхности наружной стены. Свободные концы обоих сильфонов выполнены конусообразными, внутренние поверхности которых являются опорными элементами для выходного участка кабеля, который свободно расположен в трубе с зазором относительно внутренней поверхности трубы (патент RU 2557669, 27.07.2015).
Данный герметичный ввод применяется только для высокого напряжения, в то время как на атомных электростанциях доля герметичных кабельных вводов высокого напряжения составляет около 10% и приблизительно 90% приходится на герметичные кабельные вводы среднего и низкого напряжения.
Наиболее близким аналогом является герметичный электрический кабельный ввод сквозь контейнмент атомного реактора, установленный в закладной трубе, герметично приваренному к металлической облицовке оболочки атомного реактора посредством фланцев. Кабель имеет один или несколько модулей, уплотненных в корпусе модуля кольцом, выполненным из графитового материала, например, графлекса, и расположенным на поверхности корпуса модуля во фланце, а изоляторы из термостойкого материала размещены в зоне расположения отверстия для штуцера с манометром. (патент RU 171488 U1 02.06.2017).
5
6
Недостатком данного технического решения является низкая надежность и срок службы герметичного кабельного ввода, вследствие применения в данной конструкции в качестве герметизирующего материала полисульфона - полимерного материала, обладающего низкой радиационной и термической стойкостью (1,2×10 Гр при необходимой 1,2×10 Гр на срок службы 60 лет), кроме того применение термоизолирующей прослойки из слюдяной изоляции между токоведущей жилой и полисульфоном, существенно снижает надежность герметизации токоведущей жилы, так как слюда не является ни упругим ни пластичным материалом, а следовательно герметизация возможна только при условии разрушения и выдавливания слюды из зоны деформации.
Техническая проблема заявленного изобретения заключается в повышении надежности, увеличении срока службы герметичного кабельного ввода.
Технический результат заключается в повышении огнестойкости, сейсмостойкости, радиационной стойкости и долговечности герметичного кабельного ввода.
Указанный технический результат достигается в герметичном кабельном вводе сквозь контейнмент атомной электростанции состоящем из металлического корпуса цилиндрической формы на торцах которого установлены фланцы герметично приваренные к металлической облицовке контейнмента АЭС, при этом указанные фланцы содержат отверстия для введения по меньшей мере одного модуля для герметичного кабельного ввода, содержащего полый цилиндрический корпус, с по меньшей мере одним токоведущим кабелем, отличающийся тем, что в токоведущем модуле дополнительно выполнены внешние и внутренние проходные изоляторы из полимерного стекла, керамики или стеклотекстолита, а по меньшей мере один токоведущий кабель пропущен сквозь отверстия в указанных внешних и внутренних проходных изоляторах, причем по меньшей мере в одном внешнем и внутреннем проходных изоляторах, соосно отверстиям, выполнены проточки, в которые установлены упругие уплотнительные элементы для герметизации изоляторов и расположенного внутри него, по меньшей мере одного, токоведущего кабеля, при этом зазоры между по меньшей мере одним токоведущим кабелем и по меньшей мере одним изолятором, а также между по меньшей мере одним изолятором и стенками корпуса токоведущего модуля загерметизированы посредством одновременного осевого обжатия упругих уплотнительных элементов.
Дополнительной особенностью является то, что проточки изолятора модуля для герметичного кабельного ввода выполнены конусообразной или цилиндрической формы.
Дополнительной особенностью является то, что в изоляторе токоведущего кабеля выполнены выступы для обжатия упругих уплотнительных элементов.
Дополнительной особенностью является то, что упругие уплотнительные элементы для герметизации токоведущего кабеля выполнены в центральной части изолятора.
Дополнительной особенностью является то, что упругие уплотнительные элементы для герметизации изолятора выполнены его в торцевых частях.
Дополнительной особенностью является то, что упругие уплотнительные элементы выполнены из резины, полимеров, терморасширенного графита.
Дополнительной особенностью является то, что корпус модуля для герметичного кабельного ввода выполнен в виде сварной металлической конструкции, состоящей из трубы и двух торцевых фланцев.
Дополнительной особенностью является то, что внешние и внутренние изоляторы и уплотнительные элементы образуют конструкцию узла уплотнения, выполненную с возможностью обеспечения ограничения степени обжатий упругих уплотняющих элементов.
Дополнительной особенностью является то, что конструкция узла уплотнения обеспечивает обжатие упругих уплотняющих элементов в закрытом пространстве.
Дополнительной особенностью является то, что конструкция узла уплотнения, выполнена с возможностью обеспечения перекрытия пространства обжатия упругих элементов до начала их деформации.
Дополнительной особенностью является то, что степень ограничения величины обжатия упругих элементов устанавливается в соответствии с упругими свойствами материала и из расчета изменения первоначального объема упругого элемента, а также места его установки.
Заявленное изобретение поясняется на графических материалах, где:
На фиг. 1 - продольный разрез кабельного ввода электрического герметичного
На фиг. 2 - устройство узла герметизации токоведущих кабелей.
Заявленный герметичный кабельный ввод сквозь контейнмент атомной электростанции состоит из прочного металлического корпуса, изготовленного, как правило в виде трубы, заваренной с обеих концов фланцами. Во фланцах выполнены сквозные отверстия для введения модулей для герметичного кабельного ввода, представляющих собой металлическую трубу, внутри которой пропущены токоведущие кабели (один или несколько). Токоведущие кабели герметизируются с обеих сторон трубы и изолируются по всей длине трубы.
Модули для герметичного кабельного ввода устанавливаются в отверстия корпуса герметичного кабельного ввода и герметизируются в обоих фланцах.
На корпусе герметичного кабельного ввода также установлены штуцер и манометр для контроля герметичности. Таким образом обеспечивается два барьера герметичности, контроль герметичности (за счет избыточного давления), достаточная прочность и необходимая изоляция токоведущих жил.
Сущность изобретения заключается в том, чтобы для герметизации токоведущих кабелей (одного или нескольких) внутри металлического корпуса модуля для герметичного кабельного ввода применить упругие уплотнительные элементы и проходные изоляторы, предварительно изготовленные таким образом, чтобы в одном изоляторе соосно отверстиям для токоведущих кабелей были выполнены проточки (цилиндрической или конической формы) для установки в них уплотнительных элементов, а во втором проточном изоляторе выступы для обжатия уплотнительных элементов. С обеих сторон корпуса модуля для герметичного кабельного ввода зазоры, как между токоведущим кабелем и проточным изолятором, так и между проточным изолятором и стенкой корпуса токоведущего модуля герметизируются методом обжатия терморасширенного графита. В данной конструкции хрупкий элемент (изолятор) упруго (через слой терморасширенного графита) зажат между металлическим элементом токоведущего модуля (стенкой трубы) и токоведущим проводом. Упругость герметизирующего материала призвана компенсировать возникающие в конструкции токоведущего модуля деформации и, тем самым, обеспечить его герметичность.
Применение данного конструктивного выполнения изобретения позволяет решать задачи по изоляции токоведущего кабеля и ее герметизации раздельно, то есть для решения задачи по изоляции проводника использовать наиболее походящие для конкретных условий применения изоляторы (полимеры, стеклотекстолит, стекло, керамику и др.), а для герметизации уплотнители с наиболее приемлемыми характеристиками (резины, полимеры, терморасширенный графит и др.), что существенно расширяет возможности как по применению материалов, используемых в качестве изолятора и уплотнителя, так и выбора конструктивных решений при создании герметичных кабельных вводов. Для обеспечения высокого уровня огнестойкости, радиационной стойкости и сейсмостойкости одновременно, например, при создании герметичных кабельных проходок для АЭС в качестве изолятора используют высокопрочную алюмосиликатную керамику или полимерное стекло, а в качестве уплотнителя терморасширенный графит, резину, полимеры.
Пример осуществления изобретения заключается в следующем. Герметичный кабельный ввод сквозь контейнмент атомной электростанции 1 содержащий металлический корпус герметичного кабельного ввода 2 сквозь защитную оболочку атомного реактора 3 и приваренный к металлической облицовке контейнмента 4 через фланцы 5, имеет штуцер 6 для контроля качества приварки давлением, снабжен биологической защитой 7, одним или более модулями для герметичного кабельного ввода 8, представляющими собой сварную металлическую конструкцию, состоящий из цилиндрического пустотелого корпуса и двух торцевых фланцев, с керамическими или стеклянными проходными изоляторами 9 и 10, с токоведущими кабелями 11, с упругими кольцевыми уплотнителями, для герметизации проходных изоляторов 12, установленными в их торцевых частях, и с упругими кольцевыми уплотнителями для герметизации токоведущих кабелей выполненными в центральной части токоведущего модуля 13, с обжимной гайкой 14, с биологической защитой от проникновения ионизирующего излучения вдоль модуля 15. Проходные изоляторы 9 и 10, упругие уплотнители 12 и 13, токоведущие кабели 11 и винт 14 образуют узел герметизации модуля, выполненную с возможностью обеспечения ограничения степени обжатий упругих уплотняющих элементов в закрытом пространстве, во внутреннем объеме модуля. Степень ограничения величины обжатия упругих элементов устанавливается в соответствии с упругими свойствами материала, из которого выполнены уплотнители и из расчета изменения первоначального объема упругого элемента, а также места его установки.
Для осуществления герметизации токоведущих кабелей 11 необходимо установить внутри корпуса упругие уплотнители 12 и 13, проходные изоляторы 9 и 10 с отверстиями для токоведущих кабелей, винт 16 с гайкой, пропустив токоведущие кабели через отверстия. Герметизация токоведущих кабелей относительно проходных изоляторов производится деформацией упругих уплотнителей 12 и 13, предварительно установленных в проточки проходного изолятора 10 при помощи винта 16 с гайкой.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет устранить главные недостатки существующих конструкций герметичных кабельных вводов:
для технологии с применением полимерных изоляторов - низкую радиационную стойкость и огнестойкость, отсутствие упругой составляющей в узле герметизации;
для технологии с применением металлостеклянных и металлокерамических спаев - хрупкость и необходимость применения специальных сплавов в качестве токоведущего кабеля.
Надежность герметичности модуля для герметичного кабельного ввода с применением данного изобретения обеспечивается за счет упругой составляющей уплотнителей, размещенных между хрупкими элементами - керамическими или стеклянными изоляторами.
Дополнительным преимуществом предложенной конструкции является ее улучшенная ремонтопригодность - при необходимости может быть заменен не только модуля для герметичного кабельного ввода в составе герметичного кабельного ввода, но и отдельный токоведущий кабель в составе модуля для герметичного кабельного ввода.