تقييم الوضع الكهروميكانيكي لكابلات الطاقة النووية

ضرورة تقييم الوضع الكهروميكانيكي لكابلات الطاقة النووية

من أجل سلامة صناعة الطاقة النووية، من الضروري تنفيذ ضمان الجودة ومراقبة الجودة بنجاح. إلى جانب ذلك لضمان الأمان النووي والتشغيل طويل الأمد، كذلك يجب أن تكون جميع عناصر محطة الطاقة النووية (NPP) على درجة عالية من الموثوقية والنزاهة، ولا سيما المفاعلات النووية والهيكل الخرساني والمبادلات الحرارية وأنظمة الكابلات.

تجدر الإشارة الى وجود (442) مفاعلاً نووياً في الخدمة في جميع أنحاء العالم بسعة كهربائية إجمالية صافية تبلغ (392.335) ميغاوات وهناك (53) مفاعلاً آخر قيد الإنشاء مما سيزيد صافي السعة بمقدار (56276) ميغاوات، ومن بين المفاعلات الـ (442) يوجد حوالي (299) مفاعلات الماء المضغوط (PWR) و (65) مفاعلات الماء المغلي (BWR)، كما أنه يتطلب تشغيل كل من مفاعلات (PWR) و (BWR) آلاف الكيلومترات من الكابلات الكهربائية.

كما وتستخدم عدة أنواع الكابلات مثل كابلات منخفضة ومتوسطة الجهد (LV & MV) بنطاق الأجهزة والتحكم (I & C) والكابلات الخاصة والكابلات الخدمات العامة، كما توفر هذه الكابلات الرابط بين سلامة المصنع وأنظمة التحكم عن طريق إرسال إشارات للتحكم في المعدات ومشغلي المحطات وأنظمة السلامة العامة.

ومن خلال التشغيل العادي للمحطة، تتعرض الكابلات لضغوط متعددة مثل الضغوط الكهربائية والميكانيكية والحرارية والبيئية، حيث أن وجود هذه الضغوطات يحفز الرغبة في فهم أفضل لتدهور عزل الكابلات، وفيما يتعلق طويلة المدى العملية، واعتمد على نطاق واسع البوليمرات مثل العزل الأساسي الكابل، حيث أن الأنواع الأكثر شيوعاً هي “البولي ايثيلين” عبر ربط (XLPE) والمطاط الإيثلين البروبيلين (EPR).

وأثناء صياغة المواد البوليميرية، تتم إضافة الإضافات مثل مركبات البروم والكلور مع الأنتيمون أكسيد الحصول على تثبيط النار، وهي مطلوبة في وضع المواد المضادة للأكسدة لتأخير ظهور تدهور البوليمر بالتالي تمديد عمر البطارية، وفي الموقع قد يتم إطلاق هذه المواد المضافة من مصفوفة البوليمر بسبب التفاعلات الكيميائية، وبالتالي تهاجر من العزل عن طريق الانتشار للبيئة.

ولذلك تتسارع عملية الأكسدة، والتي يؤدي ليس فقط لتشكيل “الكربونيل” والمنتجات “الهيدروكسيل” ولكن أيضاً تغييرات في هياكل شكلية والجزيئات، وبالتالي؛ فإن الخواص الكهربائية والميكانيكية والفيزيائية والكيميائية سوف تتحلل بشكل كامل.

وفيما بعد يتم اختبار وظائف وسلامة الكابلات من خلال التأهيل، بحيث يجب أن تخضع كابلات (NPP) لعملية تأهيل للتأكد من وظيفتها المقصودة ليس فقط أثناء التشغيل العادي لمحطات الطاقة النووية ولكن أيضًا أثناء أحداث أساس التصميم (DBE)، مثل فقدان حادث المبرد (LOCA)، كذلك الاستطالة بنسبة 50٪ عند الكسر (EaB) هي معيار قبول لتقييم عزل الكابلات (NPP).

العمل التجريبي الخاص بكابل Sapecimens

تم تنفيذ العمل المقدم على عينات من كبل الطاقة غير المحمي من الفئة (1E) منخفض الجهد (600 فولت) المستخدم في محطات الطاقة النووية، حيث أن الشركة المصنعة للكابلات هي شركة (Rockbestos – RSCC) في الولايات المتحدة الأمريكية، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (1)، بحيث يشتمل الكبل على الأجزاء التالية، وهي موصل مجدول من النحاس المطلي بالقصدير من الفئة (B) بمساحة مقطع عرضي (6 AWG) وعزل أساسي لـ (XLPE).

كذلك كان قطر الكابل الكلي (0.34) بوصة، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1)، ووفقاً لإرشادات الوكالة الدولية للطاقة الذرية، كان طول العينة (0.5) متر ومن كلا جانبي العينات؛ فإنه تم نزع (1) و (3) سم من العزل الأساسي والسترة على التوالي، كما أنه تم تكييف عينات الكابلات عند (70) درجة مئوية لمدة (24) ساعة قبل بدء التلف العام لإزالة أي رطوبة داخل العينات.

أعراض التلف العام للكوابل

كما ذكر أعلاه، تعرضت عينات الكابلات إلى تقادم حراري وميكانيكي مشترك في وقت واحد، ونظراً لأن معيار (IEEE-383)، بحيث يوفر المتطلبات العامة وتقنيات التأهيل لكابلات الفئة (1E NPP)؛ فقد تم إجراء التقادم الميكانيكي وفقاً لهذا المعيار حيث يجب أن تتحمل الكابلات اختبارات التأهيل، وبموجب هذا تم لف العينات على مغزل بقطر خارجي يبلغ (15) سم وفقاً لمعيار (IEEE-383).

بعد ذلك، تم وضع مجموعة الكابلات في فرن تدوير الهواء عند درجة حرارة ثابتة تبلغ (120) درجة مئوية وفقاً للتحليل المعياري لتقنيات مراقبة الحالة لكابلات الجهد المنخفض القديمة في (NPPs) التي نشرتها الوكالة الدولية للطاقة الذرية، بحيث تم إجراء التقادم المشترك لمدة (907) ساعات حيث تم أخذ العينات من الفرن بفترات (176، 338، 507، 779) وأخيراً بعد (907) ساعات لقياس معاملات العزل الكهربائي، كما هو موضح في الشكل (2) يوضح العينات في الفرن تحت التقادم المشترك.

مطياف مجال التردد

اعتمد تحليل الاستجابة العازلة على قياس السماحية المعقدة [(ε ^ (ω))] على مدى نطاقي تردد باستخدام جهازين مختلفين، كما تُستخدم السماحية المعقدة على نطاق واسع كعلامة تقادم لتقييم تدهور العزل في الكابلات النووية، بحيث يتم التعبير عنها على النحو التالي:

حيث أن الجزء الحقيقي [ε ′ (ω)] يشير إلى الطاقة المخزنة داخل العزل بينما الجزء التخيلي [ε ′′ (ω)] يتعلق بفقدان الطاقة “تبديد”، ومن خلال استخدام محلل الاستجابة العازل التجاري من النوع (Dirana) (OMICRON) ومحلل مكون الدقة من النوع 6430A (Wayne Kerr Electronics)؛ فإنه تم استكشاف السماحية المعقدة عبر نطاق التردد من (100) ميجا هرتز إلى (1) كيلو هرتز ومن (2) كيلو هرتز إلى (500) كيلو هرتز على التوالي.

لذلك فقد استند حساب الجزأين الحقيقي والخيالي للسماحية على قياس السعة والمقاومة، وذلك كما هو في العلاقات الرياضة التالية:

حيث أن [Cm (ω)] و [Rm (ω)] هي السعة والمقاومة المقاسة عند تردد معين (f)، كما أنه يُشار إلى (C0) على أنها السعة الهندسية المرجعية وهي مرتبطة بأبعاد الكبل، ونظراً لعدم حماية الكابل، تم لف طبقة من رقائق الألومنيوم بطول (29) سم على غلاف الكابل لتوفير قطب القياس الثاني ومن ثم يتم التعبير عن السعة الهندسية من خلال:

حيث أن:

(l): طول رقائق الألومنيوم.

(0): هي سماحية الفراغ (ε0 = 8.854188 ∗ 10−12F / م).

(R2 ، R1): هما نصف قطر العزل الخارجي والداخلي.

ولتحليل التردد الكهربائي المنخفض (100 ميغا هرتز إلى 1 كيلو هرتز)؛ فإنه تم اختيار التكوين العام لنوع اختبار العزل الكهربائي، وذلك كما هو في الشكل التالي (3) بجهد إثارة جيبي يبلغ (100 Vpeak) متصل بـ “خرج” غلاف الكابل وتم توصيل كابل الاستشعار الحالي بموصل الكابل “CH1″، ومن أجل الحصول على نتائج دقيقة والقضاء على تيارات التسرب السطحي، تم توصيل نقطتي حماية عند طرفي غلاف الكابل عبر شرائط نحاسية كما هو موضح في الشكل التالي (4).

التحليل الطيفي للمجال الزمني

إحدى تقنيات تشخيص المجال الزمني هي قياس الجهد المرتجع (RV)، والذي تم تقديمه بواسطة (Endre Németh) في عام 1960م، حيث الفكرة الأساسية وراء هذه التقنية هي التحقيق في عمليات الاستقطاب البطيء التي لها وقت ثابت أكثر من (1) ثانية، ومن هذه التقنية تم تقديم طريقتين، وهما قياس الجهد المرتجع (RVM) وطريقة استجابة الجهد (VR).

في الآونة الأخيرة، حظيت هاتان التقنيتان باهتمام الباحثين لأنهما أدوات غير مدمرة، والتي يمكن استخدامها لتقييم حالة أنظمة العزل المختلفة، كما يتم تطبيق تقنية (VR) بنجاح لمراقبة حالة كابلات (NPP) المعزولة (PVC)، بحيث ركز هذا الطرح على النسخة المتقدمة من طريقة الواقع الافتراضي والتي تسمى استجابة الجهد الموسع (EVR).