Результат интеллектуальной деятельности: ГЕРМЕТИЧНЫЙ КАБЕЛЬНЫЙ ВВОД СКВОЗЬ НАРУЖНУЮ И ВНУТРЕННЮЮ СТЕНЫ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Изобретение относится к области электротехники, а именно к герметичным вводам электрических цепей в герметичную зону многослойной защитной оболочки атомных электростанций, и может быть использовано в проходках сквозь наружную и внутреннюю стены, которые подвержены относительному взаимному смещению вследствие сейсмического явления или теплового расширения стен и проходки.

Известен герметичный электрический ввод сквозь железобетонную стену защитной оболочки атомной электростанции, содержащий обечайку с расположенными в ней биологической защитой и электрическими проводниками (см. Авторское свидетельство СССР №1551142 от 14.04.1988 г., МПК: Н01В 17/26).

Данный герметичный ввод предназначен только для ввода электрических проводников в защитную оболочку атомной электростанции, имеющей одну железобетонную стену. Поскольку для повышения уровня безопасности работы атомных электростанций защитные оболочки стали выполнять многослойными, как минимум из двух стен, то возникла необходимость создать электрические герметичные вводы, которые могут быть пропущены сквозь две расположенные с зазором железобетонные наружную и внутреннюю стены.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является герметичный кабельный ввод сквозь наружную и внутреннюю стены защитной оболочки атомной электростанции, содержащий расположенный во внутренней стене закладной патрубок с жестко закрепленным внутри входным участком кабеля и соосно патрубку установленную в наружной стене трубу с сильфоном на наружном торце, в которых на опорных элементах с зазором относительно внутренней поверхности трубы свободно расположен выходной участок кабеля. (См. патент США №4107456 кл. G21C 13/02, публикация 08.15.1978).

Электрический кабельный проводник, проходящий сквозь как внутреннюю герметичную стену защитной оболочки, так и наружную силовую стену защитной оболочки, неподвижно закреплен входным участком во внутренней герметичной стене посредством закладного патрубка и находится в скользящем или роликовом соединении выходным участком к наружной силовой стене защитной оболочки. Узел соединения выходного участка электрического проводника в наружной силовой стене включает в себя средства для компенсирования относительного движения между собой электрического проводника и наружной стены. Средства для компенсирования выполнены в виде роликов или в виде их подобия и должны обеспечивать герметичное сцепление проводника с наружной стеной, несмотря на возможные любые перемещения электрического проводника в стене либо на относительные перемещения между собой обеих стен, либо стен и проводника. Движение стен относительно друг друга или относительно проводника может возникнуть во время сейсмического явления либо вследствие разницы температур наружной и внутренней стен или стен и проводника, либо разновеликого усилия натяжения тросов или их ослабления. Электрическая гермопроходка, выполненная согласно описываемому изобретению, призвана прежде всего решать задачи, связанные с достаточно быстрым и интенсивным относительным движением наружной и внутренней стен, возникающим в результате сейсмического явления. Кроме этого гермопроходка по замыслу изобретения должна решать проблемы, связанные с достаточно медленным видом относительного движения между стенами и проводником, вызванного тепловым расширением стен и проводника. Относительные перемещения между стенами либо между стенами и проводником могут сводиться к ортогональным перемещениям, проводника в трубе с сильфоном. Движение в горизонтальном направлении, обеспечивается относительным движением проводника в отношении наружной стены. Растягивающая нагрузка проводника или какой-либо части гермопроходки вследствие горизонтального движения, таким образом, сводится к небольшому количеству силы, необходимому для преодоления трения в скользящем или роликовом уплотнении, которое обеспечивает средство для компенсирования. Движение в направлении, перпендикулярном проводнику, например, в вертикальном направлении, обеспечивается скольжением или прокатыванием проводника в отношении наружной стены и небольшим поворотным моментом. Момент поворота выходного участка проводника распределяется по длине проводника, располагающегося в межоболочечном пространстве, что приводит к изгибу проводника. Данная конструкция средств компенсирования предназначена только для проводников, имеющих возможность изгибаться на участке пролета между наружной и внутренней стенками защитной оболочки в момент их смещения. При использовании более жесткого проводника повышенного диаметра, который не сможет изогнуться на участке пролета между наружной и внутренней стенами защитной оболочки в момент их смещения одна относительно другой, будет наблюдаться момент поворота выходного участка проводника в средстве для компенсирования и произойдет защемление опорных элементов выходного участка проводника в трубе и, как следствие, повреждение изоляционной оплетки.

Задачей данного изобретения является повышение надежности работы герметичного кабельного ввода при использовании трудноизгибаемых высоковольтных электрических проводников.

Поставленная задача достигается тем, что в известном герметичном кабельном вводе сквозь наружную и внутреннюю стены защитной оболочки атомной электростанции, содержащем расположенный во внутренней стене закладной патрубок с жестко закрепленным внутри входным участком кабеля и соосно патрубку установленную в наружной стене трубу с сильфоном на наружном торце, в которых на опорных элементах с зазором относительно внутренней поверхности трубы свободно расположен выходной участок кабеля, новым является то, что он снабжен вторым аналогичным сильфоном, симметрично установленным на противоположном торце трубы у внутренней поверхности наружной стены, при этом свободные концы обоих сильфонов выполнены конусообразными, а опорными элементами для выходного участка кабеля являются внутренние поверхности конусообразных концов сильфонов.

Кроме этого в пространстве между внутренней и наружной стенами защитной оболочки кабель может быть расположен внутри двух защитных трубок, одна из которых консольно закреплена на внутренней поверхности внутренней стены, а другая концентрично второму сильфону консольно закреплена на внутренней поверхности наружной стены, при этом свободные концы трубок соединены между собой при помощи цилиндрообразного сильфона.

Кроме этого зазор между поверхностью кабеля и внутренней поверхностью трубы может быть не менее величины, равной максимальному ортогональному термосейсмическому перемещению в одной плоскости внутренней стены относительно наружной и изменению коаксиальности кабеля в трубе.

Кроме этого конусообразные концы сильфонов могут быть расположены в трубе и направлены навстречу один другому.

Кроме этого на гофрах сильфона может быть установлена витая коническая пружина сжатия.

Кроме этого кабель в трубе может быть подвешен на пружинах.

Снабжение вторым аналогичным сильфоном, симметрично установленным на противоположном торце трубы у внутренней поверхности наружной стены, обеспечивает одновременно поддерживание кабеля в трубе и дополнительную герметизацию кабельного ввода.

Выполнение свободных концов обоих сильфонов конусообразными предназначено для создания опорных элементов под выходной участок кабеля.

Выполнение опорных элементов для фиксации выходного участка кабеля внутри кольцевой поверхности конусообразных концов сильфонов обеспечивает надежный охват кабеля как при вертикальных, так и при горизонтальных перемещениях кабеля или наружной стены или совместно кабеля и наружной стены.

Расположение кабеля внутри защитных трубок, соединенных между собой цилиндрообразным сильфоном, обеспечивает предохранение кабеля от перепада температур, возникающих как при кратковременных отключениях тока, так и от случайного попадания на него воды, создает кабелю постоянный температурный режим и соответственно сохраняет его от дополнительных термических осевых перемещений.

Расположение кабеля в трубе с определенным заданным зазором рассчитывается исходя из максимальных перемещений кабеля, наружной и внутренней стен, кабеля и стен при сейсмических и температурных воздействиях на защитную оболочку.

Направление навстречу один другому конусообразных концов сильфонов с расположением их в трубе повышает надежность работы сильфонов, поскольку они защищены от случайных повреждений.

Усиление гофр конусообразных сильфонов витой конической пружиной сжатия позволяет повысить нагрузку на опорные внутренние поверхности конусообразных концов сильфонов.

Подвеска кабеля в трубе на пружинах обеспечивает сохранение заданного зазора и перераспределение части нагрузок, приходящихся на опорные внутренние поверхности конусообразных концов сильфонов.

Ниже приводится описание одного из многочисленных вариантов выполнения герметичного кабельного ввода через наружную и внутреннюю стены защитной оболочки атомной электростанции, каждый из вариантов которых подчинен единому изобретательскому замыслу, отображенному в нижеприведенной формуле изобретения.

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 представлен общий вид герметичного кабельного ввода, расположенного в наружной и внутренней стене защитной оболочки атомной электростанции;

на фиг.2 показан подвижный узел проходки со средствами для компенсирования относительного движения между кабелем и наружной стеной;

на фиг.3 показано расположение конусообразных сильфонов в трубе и раскрепление кабеля на пружинах.

Герметичный кабельный ввод сквозь наружную и внутреннюю стены защитной оболочки атомной электростанции состоит из закрепленного во внутренней железобетонной стене 1 первого неподвижного относительно кабеля 2 узла проходки, состоящего из закладного патрубка 3. Внутренняя стена 1 выполнена герметичной куполообразной формы, имеет толщину в среднем около 1,2 метра и предназначена для обеспечения удерживания избыточного внутреннего давления в случае возникновения аварии внутри контаймента защитной оболочки. Торцы 4 и 5 патрубка 3 несколько выступают за плоскость наружной 6 и внутренней 7 поверхности внутренней стены 1. На торце 4 патрубка 3 со стороны внутренней поверхности 7 стены 1 смонтирован контрфланец 8, обеспечивающий жесткое и герметичное соединение патрубка 3 в стене 1. В торце 4 патрубка 3 смонтирован штуцер 9, сообщенный с полостью 10 патрубка 3. Соосно патрубку 3 в противоположной наружной силовой железобетонной стене 11 тоже куполообразной формы выполнено отверстие 12, на стенках 13 которого герметично смонтирована обечайка 14, в которой установлен второй узел проходки, но уже подвижный относительно кабеля 2, включающий в себя средства для компенсирования относительного движения между кабелем 2 и наружной стеной 11. Куполообразная наружная стена 11 имеет толщину в среднем 0,6 метра и рассчитывается на восприятие больших ударных нагрузок извне, например падение самолета. Под силовым куполом наружной стены 11 заключена внутренняя герметичная куполообразная железобетонная стена 1, под защитой которой расположен атомный реактор. Обечайка 14 закреплена в стене 11 посредством наружного 15 и внутреннего 16 колец, укрепленных соответственно на наружной поверхности 17 стены 11 и на внутренней поверхности 18 стены 11. В обечайке 14 расположено средство для компенсирования относительного движения между кабелем 2 и наружной стеной 11. Средство для компенсирования относительного движения состоит из вставленной в обечайку 14 трубы 19, которая своими выпускными торцами 20 и 21 закреплена в обечайке 14 посредством наружного 22 и внутреннего 23 фланцев, закрепленных соответственно к наружному 15 и внутреннему 16 кольцам. На торцах 20 и 21 трубы 19 смонтированы конусообразные сильфоны 24 и 25. Оба сильфона 24 и 25 изготовлены из термоусаживаемого негорючего материала и насажены широкой частью на торцы 20 и 21 трубы 19. Насадку осуществляют методом нагревания промышленным феном, с помощью которого происходит герметичное припаивание внутренней широкой поверхности 26 и 27 сильфонов 24 и 25 к наружной торцевой поверхности 20 и 21 трубы 19. Внутренняя опорная кольцеобразная поверхность 28 и 29 узкой части свободно расположенных концов 30 31 конусообразных сильфонов 24 и 25 предназначена для герметичного охватывания кабеля 2 и его опирания. Для этого внутри полости 32 и 33 сильфонов 24 и 25 для усиления на гофрах 34 и 35 установлены витые конические пружины 36 и 37 сжатия.

В межоболочечном пространстве 38 между внутренней 1 и наружной 11 стенами защитной оболочки соосно закладному патрубку 3 и трубе 19 расположены две защитные трубки 39 и 40, одна из которых 40 консольно закреплена на внутренней поверхности 7 внутренней стены 1 посредством контрфланца 8, а другая 39 концентрично второму сильфону 25 консольно закреплена на внутренней поверхности 18 наружной стены 11 посредством внутреннего фланца 23, при этом свободные концы 41 и 42 защитных трубок 39 и 40 соединены между собой при помощи цилиндрообразного сильфона 43. Для облегчения монтажа защитные трубки 39 и 40 могут быть выполнены составными из верхней и нижней частей, в нижней из которых могут быть выполнены щели для отвода лишнего тепла от нагретого кабеля 2.

В данной конструкции электрического ввода могут использоваться 10 кВ жесткие кабели 2. Кабель 2 расположен в проходке следующим образом, входной участок 44 кабеля 2 герметично закреплен внутри закладного патрубка 3 внутренней стены 1, а в полость 10 закачан газообразный азот 45, при этом выходной участок 46 кабеля 2 свободно расположен в трубе 19 наружной стены 11 посредством сильфонов 24 и 25. Выходной участок 46 кабеля 2 расположен в трубе 19 с кольцевым зазором 47, образованным между оплеткой 48 по наружной поверхности кабеля 2 и внутренней поверхностью 49 трубы 19, который определяется из расчета не менее величины, равной максимальному ортогональному термосейсмическому перемещению в одной плоскости внутренней стены 1 относительно наружной стены 11 и изменению коаксиальности кабеля 2 в трубе 19. Величина этого зазора 47 поддерживается при помощи внутренних опорных кольцеобразных поверхностей 28 и 29, образованных на узких концах 30 и 31 двух конусообразных сильфонов 24 и 25. Выходной участок 46 кабеля 2 закреплен в опорных кольцеобразных поверхностях 28 и 29 сильфонов 24 и 25 методом нагревания промышленным феном, с помощью которого происходит охват и герметичное припаивание внутренней опорной кольцеобразной поверхности 28 и 29 сильфонов 24 и 25 к оплетке 48 кабеля 2. Опорные кольцеобразные поверхности 28 и 29 служат для центрирования кабеля 2 в трубе 19 и предназначены в случае отклонения выходного участка 46 кабеля 2 от оси входного участка 44 кабеля 2 удерживать выходной участок 46 кабеля 2 от контакта его оплетки 48 с внутренней поверхностью 49 трубы 19. Поскольку в нормальном рабочем состоянии, когда включено электрооборудование, температура жилы кабеля 2 достигает порядка 95°C, а при токах короткого замыкания температура на жиле кабеля 2 может повыситься до 300°C, то температурные перепады при отключении тока и остывании кабеля 2 до 20°C, естественно, приведут к осевой деформации кабеля 2, а именно к его изменению длины при максимально высокой температуре до 13 мм. Поэтому в пространстве 38 пролета кабеля 2 между внутренней 1 и наружной 11 стенами защитной оболочки, длина пролета достигает двух метров, кабель 2 расположен внутри двух защитных трубок 39 и 40 и цилиндрообразного сильфона 43, образующих воздушную тепловую аккумулирующую зону 50. Внутренние габариты полостей трубок 39 и 40 и сильфона 43 выполнены из расчета создания вокруг кабеля 2 воздушной прослойки, обеспечивающей, с одной стороны, отвод тепла, а с другой стороны, сглаживание температурных перепадов в моменты электрических включений или отключений кабеля 2. С помощью такого термостата сокращаются лишние осевые деформации кабеля 2 и, соответственно, исключается дополнительная работа средства для компенсирования относительного движения между кабелем 2 и наружной стеной 11 и повышается надежность работы сильфона за счет предотвращения появления трещин в гофрах 34 и 35 сильфонов 24 и 25. Защитные трубки 39 и 40 и сильфон 43 предохраняют кабель 2 также и от нежелательного охлаждения в случае попадания на него конденсата, который может осесть при отключении вентиляционной системы или капель воды из системы аварийного запаса, которая расположена в межоболочечном пространстве 38 и т.д. Жесткость кабеля 2 на участке пролета в пространстве 38 еще дополнительно увеличивается за счет необходимости установки в защитной трубке 40 монтажной муфты 51.

Для предохранения узких свободных концов 30 и 31 конусообразных сильфонов 24 и 25 от повреждений как вариант они могут быть расположены в трубе 19 и направлены навстречу один другому. В зависимости от материала кабеля 2, если он менее жесткий, то для сохранения кольцевого зазора 47 между оплеткой 48 кабеля 2 и внутренней поверхностью 49 трубы 19 кабель 2 в трубе 19 подвешен на пружинах 52.

Для обеспечения контроля герметичного состояния электрического ввода на наружном фланце 22 смонтирован манометр 53, который сообщен со штуцером 9 капиллярной трубкой 54. Капиллярная трубка 54 расположена в пространстве 55, образованном между обечайкой 14 и трубой 19, и в пространстве 56, образованном между кабелем 2 и внутренними стенками 57, 58 и 59 соответственно защитных трубок 39 и 40 и цилиндрического сильфона 43.

Герметичный кабельный ввод сквозь наружную 11 и внутреннюю 1 стены защитной оболочки атомной электростанции работает следующим образом. При прохождении электрического тока по кабелю 2 силовые токи нагревают его металлические жилы, температура кабеля 2 может достигать до 95°C и кабель 2 вследствие термического напряжения начинает удлиняться. В нормальных условиях, когда патрубок 3 первого неподвижного относительно кабеля 2 узла проходки находится соосно трубе 19 второму подвижному относительно кабелю 2 узла проходки. Это термическое напряжение, вызванное расширением участка кабеля 2, распределенного по длине перекрывающего межоболочечное пространство 38 в сторону наружной стены 11, достаточно для преодоления усилия сжатия гофр 35 в сильфоне 25 и преодоления усилия растягивания гофр 34 в сильфоне 24. Сжатие и растягивание гофр 35 и 34 сильфонов 25 и 24 средства для компенсирования относительного движения между кабелем 2 и наружной стеной 11 зависит от перепада температуры, возникающей при подаче и отключении электрического тока в кабеле 2. При прекращении подачи электрического тока от кабеля 2 последний начинает остывать и его длина приходит в исходное состояние, в этом случае гофры 35 сильфона 25 расширяются, а гофры 34 сильфона 24 сжимаются. Кроме этого пролетная часть кабеля 2, находящаяся в межоболочечном пространстве 38 между стенами 1 и 11, может подвергаться температурным воздействиям, зависящим от технологических трубопроводов, располагаемых в межобололчечном пространстве 38, влажности воздуха, скоростей изменений вентиляционных потоков и т.д. Поскольку пролетная часть кабеля 2 заключена в воздушной тепловой аккумулирующей зоне 50, образованной защитными трубками 39, 40 и сильфоном 43 и работает как термостат, то средства для компенсации относительного движения между кабелем 2 и наружной стеной 11 работают в щадящем режиме, и гофры 34 и 35 будут менее изнашиваться.

Вместе с тем, может возникнуть ситуация, когда отдельно стоящие наружная 11 и внутренняя 1 стены корпуса защитной оболочки начнут перемещаться. Перемещение стен 1 и 11 или их участков может быть независимо одна относительно другой. Например, в случаях: когда перемещения происходят под воздействием сейсмического явления. При работе полярного крана в момент прохождения его опор над первым неподвижным узлом проходки. При изменении температур стен 1 и 11 либо стен 1 и 11 и кабеля 2. При ослаблении натяжения напрягаемых тросов во внутренней стене 1 и т.д. Такое перемещение нарушает соосное расположение на одной прямой патрубка 3 и трубы 19. Поскольку кабель 2 достаточно жесткий, патрубок 3 или труба 19 с расположенным внутри выходным участком 46 кабеля 2 начинает перемещать поперек относительно оси выходного участка 46 кабеля 2, изменяя кольцевой зазор 47 между своей внутренней поверхностью 49 и оплеткой 48 кабеля 2. Гофры 34 и 35 сильфонов 24 и 25 начинают изгибаться, делая возможным неограниченное перемещение трубы 19 компенсатора относительно неподвижности выходного участка 46 кабеля 2, реагируя на любые перемещения между стенами 1 и 11 либо стендами 1 и 11 и кабелем 2, сохраняя уплотняющую целостность по всей толщине наружной стены 11. Цилиндрообразный сильфон 43 в этом случае также будет изгибаться, сжиматься и растягиваться в зависимости от перемещения защитных трубок 39 и 40, не нарушая целостность первоначальной ориентации кабеля 2.

Технико-экономический эффект состоит в том, что повышается надежность работы атомной электростанции путем сохранения уплотняющей целостности кабельного ввода на всем протяжении срока службы атомной электростанции при минимальном обслуживании.