Sähköisten häviökertoimien mittaaminen

Häviökertoimia mittaamalla voidaan saada selville materiaalin sähköisiä ominaisuuksia.

Eristemateriaalien tavoitteena on estää sähköenergian purkautuminen ja siis pitää häviökertoimet mahdollisimman pieninä. Eristemateriaalin ikääntyessä sen

eristeominaisuudet heikentyvät ja häviökertoimilla on tapana kasvaa. Tämän vuoksi häviökertoimia mittaamalla saadaan selville tietoa kaapelien kunnosta. Sähköisen häviökertoimen mittaamiseen on olemassa erilaisia tekniikoita, tässä tutkimuksessa on käytetty pihtielektroditekniikkaa tai kaapelin päädystä tehtäviä mittauksia. Vertausta varten sähköiset häviöt on mitattu myös tekniikalla, joka käyttää johtavaa teippiä mittausten tekemiseksi. Kyseisessä tekniikassa kaapelieriste kääritään puolijohtavaan teippiin ja tinattuun kuparijohtimeen, joilla luodaan mittauselektrodi. Jännite syötetään kaapelin johtimen kautta, jonka vuoksi kaapeli on tehtävä jännitteettömäksi ja eristettävä piiristään ennen testausta. Kuvassa 12 on esitetty puolijohtavaa teippiä käyttävän mittauksen konfiguraatio. (Guerout;Cisse ja Boor 2009, 7,8,9)

Kuva 12. Konfiguraatio sähköisen häviökertoimen mittaamiseen puolijohtavan teipin avulla. (Guerout;Cisse ja Boor 2009, 7)

Kuvassa 13 on esitetty pihtielektroditekniikkaa varten tarvittavat kytkennät.

Pihtielektroditekniikassa yhdistetään elektrodi suoraan kaapelin johtimeen, jolla syötetään jännitettä. Tätä ensimmäistä johdinta kutsutaan jännitteensyöttöelektrodiksi. Osa testattavasta kaapelista laitetaan toisen, pihtielektrodin sisään, jossa mitataan kaapelieristeen läpi kulkeva virta. Kolmas elektrodi liitetään maa- ja suojaliitäntään.

Pihtielektrodin sisällä sijaitseva suojaelektrodi estää hajavirtojen syntymisen, joka voisi haitata joidenkin materiaalien mittaamista. Pihtielektroditekniikalla mitattaessa tulee kaapeli tehdä jännitteettömäksi ja irroittaa virtalähteistä. (Guerout;Cisse ja Boor 2009, 8)

Kuva 13. Kytkennät pihtielektroditekniikkamittauksia varten. (Guerout;Cisse ja Boor 2009, 8)

Kuvassa 14 on esitetty kaapelin päädystä tehtävien mittausten kytkennät. Kaapelin päädystä tehtävät mittaukset sopivat hyvin useita johtimia sisältävien kaapelien mittaamiseen, joissa on yhteinen vaippa päällä. Koska tämän tyypppisillä kaapeleilla johdinparit ovat toisiinsa kietoutuneita, molempien johtimien eristeet ovat kosketuksissa toisiinsa useasta kohtaa kaapelissa. Jännitteensyöttöelektrodi on yhdistetty suoraan yhteen johtimeen ja mittauselektrodi kyseisen parin toiseen johtimeen. Kolmas elektrodi kytketään kaapelin maajohtoon. Maajohtoa käytetään suojaelektrodina. Sähköhäviötä mitataan johdinparien eristeiden kosketuskohdista. (Guerout;Cisse ja Boor 2009, 9)

Kuva 14. Kaapelinpäätymittausten kytkennät. (Guerout;Cisse ja Boor 2009, 9)

Kuvassa 15 on esitetty mittausten tulokset, oikealla on pihtielektrodi- ja vasemmalla kaapelin päädyistä tehtyjen mittausten tulokset. Näytekappaleille on mitattu myös murtovenymän arvot tulosten vertaamista varten.

Kuva 15. Säteilytettyjen kaapelien häviökertoimien mittaustulokset. (Guerout;Cisse ja Boor 2009, 9)

Vasemman puoleisesta kuvaajasta voidaan nähdä, että pihtielektrodi sekä referenssimittaukset antavat hyvin samanlaisia tuloksia. Sähköinen häviökerroin on lisääntynyt arvosta 0,10 - 0,15 % arvoon 0,5 - 0,6 % kun näytteet on altistettu 62 Mrad:n säteilyannokselle. Voidaan siis todeta, että pihtielektrodimittausten avulla saatujen sähköisten häviökertoimien arvojen ja murtovenymän välille on mahdollista muodostaa korrelaatio. Oikean puoleisesta kuvasta voidaan nähdä, että kaapelien päädyistä tehdyillä

mittauksilla häviökerroin kasvoi 0,15 %:ta arvoon 0,55 % 66 Mrad:n säteilytyksen jälkeen.

Näiden tulosten perusteella myös kaapelien päädyistä tehtävien mittaustulosten perusteella voidaan arvioida kaapelien eristemateriaalien ikääntymistä. Tämän tekniikan etuna on erityisesti, että se antaa kuvan kaapelien eristemateriaalien yleisestä kunnosta, ei pelkästään paikallisesti kuten pihtielektroditekniikka. (Guerout;Cisse ja Boor 2009, 8,9)

6 YHTEENVETO

Koska suuri osa ydinvoimalaitokselle tärkeistä hallinta- ja suojausjärjestelmien sähkökaapeleista sijaitsee normaalia korkeammissa lämpötiloissa ja säteilykentän alaisena on tärkeää ymmärtää näiden kahden haurastumistekijän, lämmön ja säteilyn yhteisvaikutus. Samanaikaisella säteilyn ja lämmön altistuksella on erilainen vaikutus kaapelimateriaaleihin kuin eriaikaisesti toteutetulla lämpö- ja säteilyhaurastuksella. Kun vanhennetaan kaapelimateriaaleja keinotekoisesti, eikä ole mahdollista altistaa niitä samanaikaisesti näille kahdella haurastumistekijälle, saadaan paremmin yhteisvaikutuksia kuvaava haurastumisaste kaapeleille altistamalla ne ensin säteilylle ja tämän jälkeen lämmölle.

Toteutettaessa kiihdytettyä ikäännyttämistä kaapeleille, on otettava huomioon säteilytyksen annosnopeus sekä käytettävä maksimilämpötila. Käytettävälle säteilyn annosnopeudella ei ole olemassa yksiselitteistä maksimiarvoa, kuitenkin käytettäessä matalampia annosnopeuksia kaapelimateriaaleissa tapahtuu käyttöolosuhteita vastaavia reaktioita todennäköisemmin kuin korkeilla annosnopeuksilla. Maksimilämpötila eli lämpötila, jossa materiaalissa ei tietyssä ajassa tapahdu kemiallisia muutoksia, voi vaihdella huomattavasti kaapelimateriaalista riippuen. Ennen kaapeleiden ikäännyttämistä tulisi selvittää kyseisen materiaalin maksimikäyttölämpötila, jotta saadaan vertailukelpoisia tuloksia.

Ydinvoimalaitokset on suunniteltu noin kolmenkymmenen vuoden käyttöikää varten, mutta jatkolupien seurauksena käyttöiät tulevat olemaan jo yli 50 vuotta. Sähkökaapelin toimintakunto tulee tämän vuoksi varmistaa, jotta laitos pystyy toimimaan turvallisesti käyttöjaksonsa loppuun asti. Kaapeleiden kunnon tarkastamiseen ja arvioimiseen on kehitetty useita toimivia menetelmiä, joista osa on jo yleisesti käytössä

ydinvoimalaitoksilla, kun toiset ovat vasta kehitysasteella. Yleisimmin kaapelimateriaalien testaamiseen käytetty menetelmä on murtovenymämittaus, jonka käyttöä myös standardit tukevat. IEC:n standardi 544 suosittelee murtovenymämittauksissa käytettäväksi 50 % alkuperäisestä venymästä kaapelin vikaantumisrajana. Eri menetelmien soveltuvuus riippuu laitoksen iästä ja konstruktiosta sekä kaapelimateriaaleista. Maailmalla on tehty runsaasti tutkimusta näiden menetelmien soveltuvuudesta ja lisää tutkimusta ja uusia menetelmiä kehitellään koko ajan.

LÄHTEET

Allen, ym. The Nuclear Energy Plant Optimization Program-Reactor Component Aging Studies. Washington DC: US Department of Energy, 2001.

Anandakumaran, Seidl, ja Castaldo. Condition Assesment oc Cable Insulation Systems in Operating Nuclear Power Plants. Toronto: IEEE Transactions on Dielectrics and

Electrical Insulation, 1999.

Bock, ym. Management of life cycle and ageing at nuclear power plants: Improved I&C maintenance. Vienna: IAEA, 2004.

Burnay, ym. Pilot study on the management of ageing of instrumentation and control cables. Vienna: IAEA, 1995.

Faidy, Claude. ”EDF Ageing Management Program.” EDF Ageing Management Program SCAP 2010 Seminar - Tokyo. Villeurbanne: Electricité de France Engineering Division - SEPTEN, 2010.

Gazdinski, Denny, Toman, ja Butwin. Aging Management Guideline for Commercial Nuclear Power Plants - Electrical Cable and Terminations. Sandia National Laboratories, 1996.

Guerout, Cisse, ja Boor. New Non-Destructive Condition Monitoring Techniques for On-Site Assesment of Low-Voltage Cables. Brussels: Atomic Energy of Canada Limited, 2009.

IAEA. Assesment and management of ageing of major nuclear power plant components important to safety: In-containment instrumentation and control cables Volume I. Vienna:

IAEA, 2000.

International Electrotecnical commission. Long term radiation ageing in polymers. Part 3:

Procedures for in-service monitoring of low voltage cable materials. Geneva: IEC, 1993.

Keski-Rahkonen, Björkman, Farin. Derating of cables at high temperatures. Espoo: VTT Publications, 2008, 57 p.

Lee, ym. ”Development of Autonomous Cable Inspection Robot for Nuclear Power Plant.”

World Academy of Science, Engineering and Technology, 2010.

Lofaro, Grove, ja Soo. An Evaluation of Condition Monitoring Techniques for Low-Voltage Electric Cables. New York: Brookhaven National Lanoratory, 2000.

Maier, ja Stolarz. Long-term radiation effects on commercial cable-insulating materials irradiated at CERN. Geneva: CERN European Organization for Nuclear Research, 1983.

Okamoto, Schinichi, Tokuhiro Ohnishi, ja Yoshihiro Ueda. Acceleration Effects of

Simultaneous Exposure to Heat and Ionizing Radiation on Deterioration of Insulation and Jacketing Materials of Electric Wires. Osaka: University of Osaka Prefecture, 1993.

Schönbacher, ja Stolarz-Izycka. Compilation of radiation damage test data. Geneva:

CERN European organization for nuclear research, 1979.

Tavlet, Marc. ”Experience with the ageing of organic insulators at CERN.” Experience with the ageing of organic insulators at CERN. Geneva: European Organization for Nuclear Research, 2002. 24.

the-EDF-group. www.edf.com. 2010. http://www.edf.com/the-edf-group-42667.html (haettu 14.. March 2011).

V.Placek. ”Assesment of paremeters for simulation of thermal ageing of materials in nuclear power plants using dsc.” Journal of Thermal Analysis and Calorimetry Vol 80, 2005: 525-528.