核級電纜是指核電站特殊環境下使用的電纜,種類繁多,包括測量電纜、通信電纜、儀表電纜、防火電纜等,其承載著核電站運行過程中對設備的供電、信號的傳輸等多重任務,對核電站的安全穩定運行具有重要作用。由于核級電纜需要長期暴露于熱、輻射、電、化學等各類老化環境中,相對于普通電纜,核級電纜具有更高的性能要求,同時在其服役過程中,必須確保各項指標正常,以實現核電廠在安全狀態下正常運行。因此,對核用電纜的性能監測手段提出了更高的要求。如何有效對核電特殊環境下使用的電纜進行老化評估及壽命預測,對于消除核電廠安全隱患、降低運行成本具有重要意義。 

美國核管理委員會在1970年頒發了聯邦法規10CFR50,規定了生產和應用設施的執照發放標準,其中10CFR 50.49《核電廠安全重要電氣設備環境鑒定》要求必須對安裝在嚴酷環境中的安全級（1E級）電氣設備進行鑒定。法國在1980年成立了法國核島設計和建造規程協會,不久后出臺了《核島電氣設備設計和建造規則》。我國學者較早開始關注核級電纜老化評估及壽命預測領域的研究,例如徐應麟[1]報道了羅卡/希爾伯和耐電壓試驗的相關內容和要求。日本、韓國也較早開始了相關研究,例如Kim[2]評價了電纜護套間歇加熱和連續加熱的老化性能。王劍星等[3]對熱電偶電纜在彎曲加工過程中的斷裂原因進行了分析。此后的技術發展過程中,檢測電纜老化狀態的方向逐漸演化為無損檢測和有損檢測兩個技術分支,根據檢測性能指標又可區分為熱老化、輻射老化、化學老化、電老化、機械應力老化等多個研究方向。主要檢測手段為儀器輔助檢測,近年來又發展出模型預期、生命周期管理等依賴于計算機技術的新方向。例如陳捷吉等[4]報道了一個核電廠核級電纜的智能診斷與健康管理平臺,整理了電纜全生命周期管理所需的信息。SOMMERVOGEL等[5]提出了一種新的方法來模擬在監測電纜的整個生命周期中可能遇到的幾種類型故障,更準確地評估電纜的健康狀況。可以預期在未來一個時期,隨著計算機和人工智能技術的發展,核電電纜老化評估及壽命預測將會出現新的發展趨勢。 

筆者以涉及核級電纜老化評估以及壽命預測領域世界范圍內的專利申請數據作為分析樣本,從專利申請的年度分布、區域分布、主要申請人、核心專利技術等方面對核級電纜老化評估以及壽命預測領域的技術發展狀況進行了分析,并指出現階段還存在的問題,從而對相關企業的發展提出建議。 

1.   核級電纜老化評估技術的專利申請狀況

以核級電纜老化評估以及壽命預測領域的專利申請為研究對象,檢索數據的范圍為2024年9月13日前已公開的世界范圍內的全部申請專利。在CNTXT和ENTXTC數據庫中檢索、去重,得到128件申請專利。由于文章撰寫的時間限制以及專利申請日到專利公開日之間18個月的時限,缺少2023—2024年的部分未公開專利數據,因此2023—2024年專利的統計數量少于實際公開的數量。下面對核級電纜老化評估、壽命預測技術專利申請狀況進行分析。 

1.1   專利申請的年度申請數量分布狀況

核級電纜老化評估及壽命預測專利申請量年度分布如圖1所示,從歷年申請量上看,核級電纜老化評估及壽命預測領域的技術發展大致經歷以下3個階段。 

圖  1  核級電纜老化評估及壽命預測專利申請量年度分布

1.1.1   技術起步階段（1996—2005年）

核級電纜老化評估及壽命預測領域的研究工作起步于20世紀末,而我國這一時期在該領域的研究尚處于空白階段。日本日立公司（HITACHI LTD）、韓國電力公司（KOREA ELECTRIC POWER CORP）先后展開了關于電纜劣化控制的研究,其中韓國電力公司首次報道了一種以非破壞性的方法診斷核電站中使用電纜老化狀態的便攜式電纜老化診斷裝置,實現了該領域零的突破。 

1.1.2   技術穩定發展階段（2006—2015年）

在這一階段,韓國電力公司率先在以往研究的基礎上,更進一步研發了一種在按壓電纜表面之前使用固定電纜的夾具預先按壓電纜表面,提高按壓測試精度,用于檢查電纜老化的便攜式設備。我國在該領域的研究大致起步于2007年,上海交通大學率先報道了一種電力技術領域的電力電纜絕緣狀態監測與壽命管理系統,其也可以應用于工業和企業,特別是對重要負荷供電電纜的狀態監測與壽命管理。重慶大學在2009年報道了一種聚合物電力電纜絕緣加速老化的試驗方法及裝置,其主要研究對象是核電站千伏電力電纜中常用的交聯聚乙烯（XLPE）電纜。此后,在2010—2012年間,我國每年均保持著不超過3件的申請量。國外申請人在2012年有兩件專利申請,分別是日本日立電纜公司（HITACHI CABLE）報道的一種用于評估核電廠電纜絕緣涂層材料壽命的方法,以及挪威的WIRESCAN AS公司報道的一種用于監測電纜狀況的方法和系統。在2013—2015年,我國在這一領域的專利申請量出現了小幅度增長,2015年的年度專利申請量已經穩定增長到了9件,而國外僅在2013年出現了一件專利申請。這一階段為此后我國在該領域研究的快速發展打下了一定基礎。 

1.1.3   技術高速發展階段（2016年至今）

2016—2020年,我國在核級電纜老化評估及壽命預測領域的研究工作進入了高速發展階段。從2016年的年度申請量5件增長到了2020年的年度申請量22件。特別是中廣核、國家電網等龍頭企業也投入到了該領域的研究工作中。例如,中廣核報道了一種絕緣電纜材料多功能老化測試裝置,其可以模擬一定溫度、濕度和氣流影響的試驗條件,實現多因子耦合,可根據試驗需要任意組合濕度、溫度以及氣流3個因素,實現一機多用。在這一階段,高校、企業的聯合研究也促使一批新技術的產生,實現了高校研究成果的轉化運用,例如國網上海市電力公司與西安交通大學共同報道了一種用于評估XLPE電纜絕緣老化狀態的介電分析方法,該方法簡單易行,具有一定的工程應用前景。一些研究院所率先將人工智能技術應用于該領域,例如,中國科學院長春應用化學研究所應用介電頻譜和超聲波測量無損檢測手段建立了人工神經網絡模型,用于預測EPR（歐洲先進壓水堆）核能電纜的剩余使用壽命,是較早的將AI技術與核電電纜壽命預測相結合的研究工作。在2020—2022年,該領域的國內專利申請量有所下降,這可能與全球范圍內的疫情相關,在一定程度上制約了研究工作的進展,國外研究者在此期間也僅在2021、2022年各有一件專利申請,而此后的2023—2024年,專利公開數據尚不完整,未能準確反映年度申請量。 

1.2   專利申請的技術原創國家/地區分布狀況

專利技術的來源能夠反映出一個國家或地區在相關領域的創新活躍程度。在核級電纜老化評估及壽命預測領域,貢獻專利技術數量最多的國家是中國,有94%的專利申請來源于中國的申請人,共計120項,這與現實中國企業的市場主導地位相符。其余各國總計8項,其中第2位是韓國,占比為4%,其中大部分申請來自于韓國電力公司、LS電纜公司。第3位的日本、第4位的挪威分別有2件和1件申請,占比均為1%左右。來自于中、日、韓3國的申請量已經達到了全球總申請量的99%,而其余國家占據全球申請量的1%,可見核級電纜老化評估及壽命預測的專利技術主要集中在東亞地區。歐洲僅有挪威占據全球總申請量的1%。雖然國外專利申請量有限,但韓國的電力公司、日本的日立公司在該領域的研究工作在全球范圍內開展最早,其所具有的研究基礎不容小覷。 

1.3   申請人類型分布

核級電纜老化評估及壽命預測技術領域國內外專利申請人類型分布如圖2所示。由圖2可知：企業申請量占68％,學校、個人和科研單位分別占17％,7%,6%,機關團體占2%。可見,在核級電纜老化評估及壽命預測領域,企業對該技術的研究占到了絕對的多數,這從側面顯示出核級電纜老化評估與壽命預測技術在工業應用中的巨大需求量和經濟利益。雖然高校的申請量在該領域只占17%,遠小于企業的申請量,但高校對該技術的發展具有很大的推動力,并且有相當一部分為高校與企業的聯合申請,近年來國家政策關注于專利的轉化運用,而校企聯合則是專利轉化運用的有效途徑。我國最早從事核級電纜老化評估及壽命預測的研究單位包括上海交通大學、西安交通大學、華中科技大學、復旦大學、中國科學院長春應用化學研究所等,其中,西安交通大學和國網上海市電力公司、中國南方電網有限責任公司電網技術研究中心之間開展了緊密的產學研合作,合作方式包括共同進行技術研發、共同申請專利等模式。除上述合作模式外,一些企業還通過成立專門的技術研究中心來實現自主技術創新,如國家電網公司專門設立了國網山東省電力公司經濟技術研究院,國家電網公司還與上海電力學院、華北電力大學等高校開展廣泛合作。 

圖  2  核級電纜老化評估及壽命預測技術領域國內外專利申請人類型分布

1.4   主要申請人分析

核級電纜老化評估及壽命預測領域專利申請量主要申請人分布如圖3所示。由圖3可知：專利申請量排名前9位的申請人全部為中國國內企業和高校,其中上海南洋藤倉電纜有限公司為中日合資企業。在排名前9位的申請人當中,國家電網公司以占前9位申請人專利總申請量的47%位居首位,這反映了近20年來在核級電纜老化評估及壽命預測領域,我國企業科研人員的研發能力已取得了長足進步。南方電網公司和中廣核公司分別以18件、16件申請位于第2,3位,以上3家國企的申請量總計達到82件,可以看出我國企業在這一領域的研究工作在世界范圍內處于領先地位。在前9位排名的申請人當中,有兩所高校入圍,即西安交通大學和華中科技大學,申請量分別為5件和3件,其總量雖然不多,但其持有的專利中有效專利占比較高,這反映了高校專利技術性較強的特點。并列第5位的申請人中,除華中科技大學外,三普藥業、中國華能、上海南洋藤倉電纜、中國中車均為國內企業,其中三普藥業雖然主營生物醫藥,但其業務范圍也涉及電纜行業,其在2010年后,將核心業務調整為電纜和醫藥的生產與銷售,其所擁有的3項專利申請均是與遠東智慧、中國核工等公司的合作申請,可以推斷其自身在電纜相關的研發工作中并非占據主導地位。 

圖  3  核級電纜老化評估及壽命預測領域專利申請量主要申請人分布

1.5   專利有效性和法律狀態分析

核級電纜老化評估及壽命預測領域國內外專利有效性占比如圖4所示。由圖4可知：在總共128件專利申請中,我國國內有效專利的數量達到56件,占比43.8%,在審專利申請的數量為13件,占比10.2%,已失效專利數量為51件,占比39.8%。國外有效專利的數量為4件,占比3.1%,在審專利申請的數量為1件,占比0.8%,已失效專利數量為3件,占比2.3%。其中,在審專利在不久之后有可能成為有效專利。從以上數據可以看出,在核級電纜老化評估及壽命預測領域,國內外有效專利占比較高,同時還存在一定數量的、可能成為有效專利的在審案件,表明該領域仍處于技術增長和活躍的時期。 

圖  4  核級電纜老化評估及壽命預測領域國內外專利有效性占比

核級電纜老化評估及壽命預測領域國內外專利法律狀態分布如圖5所示。由圖5可知：在總共128件專利申請中,我國國內授權專利的數量達到56件,占比43.8%,駁回專利申請的數量為30件,占比23.4%,處于實審的專利申請數量為13件,占比10.2%,撤回專利申請數量為12件,占比9.4%,其余為未交年費失效專利6件、期限屆滿2件、放棄專利1件。國外專利申請中,授權專利的數量為4件,占比3.1%,期限屆滿專利數量為2件,公開和撤回專利申請數量均為1件。從以上數據可以看出,在核級電纜老化評估及壽命預測領域,國內外的授權專利占比較高。 

圖  5  核級電纜老化評估及壽命預測領域國內外專利法律狀態分布

1.6   技術構成分析

核級電纜老化評估及壽命預測領域各分支技術的分布情況如圖6所示。由圖6可知：排名第1的技術領域為測試介電強度、擊穿電壓,共有39件；排名第2的技術領域為測試電纜、傳輸線或網絡中的故障,共有13件；排名第3的技術領域為電性能的測試裝置、電故障的探測裝置,共有12件,以上3者均屬于測量電變量、測量磁變量技術領域下面的具體小類,以上3個技術領域的申請量占據全球總申請量的50%,可見在這一領域主要通過測量電、磁方面的變化特征評估電纜老化特征,并進行壽命預測。排名第4的技術領域為測試材料的耐氣候、耐腐蝕、耐光照性能,共有10件申請,排名第7位的技術領域為用機械應力測試固體材料的強度特性,以上兩者均屬于借助于測定材料的化學或物理性質來測試或分析材料的范疇,不難得知,通過測定電纜的相關物化性能對電纜老化特性和壽命預期進行評估也是常用的技術手段。排名第5的技術領域為計算機輔助設計,共有4件申請,排名第6的技術領域為資源、工作流程、人員或項目管理,排名第8的技術領域為設計優化、驗證或模擬,這3個領域均屬于電數字數據處理、計算機輔助管理的技術分支,這3個技術領域雖然目前申請量不高,但隨著人工智能技術的高速發展,通過計算機建立電纜老化模型,進而進行壽命預測必然會成為下一個階段的研究熱點。除了以上技術領域外,其余技術領域的申請量均少于3件,主要分布于借助于測定材料的化學或物理性質來測試或分析材料的其他具體技術分支。從以上技術領域分布來看,核級電纜老化評估及壽命預測技術主要通過對電纜相關材料在一定場景下的電磁、物化性能進行表征,得到材料在相關應用場景下的性能變化特征,從而對其使用服役狀態進行判斷,進而評估其預期壽命。應用計算機相關的管理手段是通過建立模型,進行實際場景的模擬以及參數特征的不斷學習。實現AI（人工智能）輔助的電纜老化評估及壽命預測已經成為重要的發展方向。 

圖  6  核級電纜老化評估及壽命預測領域各分支技術的分布情況

核級電纜老化評估及壽命預測技術領域全球申請量的技術領域時間分布如圖7所示。在圖7中,氣泡面積表示當年申請量的多少。由圖7可知：在技術起步階段（1996—2005年）,排名前8位的技術領域中尚沒有出現專利申請,電纜老化評估及壽命預測僅通過比較簡易的測試方法實現。例如,韓國電力公司在1999年提交的公開號為KR200168151Y1的專利申請公開了一種便攜式電纜老化診斷裝置,其主要是通過電機、夾具、傳感器等設備進行組合,尚不涉及對電纜相關材料電磁、物化性能方面的全面測試。可以說這一時期尚未對核級電纜老化評估及壽命預測的主流技術領域展開研究工作。 

圖  7  核級電纜老化評估及壽命預測技術領域全球申請量的技術領域時間分布

在技術穩定發展階段（2006—2015年）,各領域呈現了不同的發展變化趨勢,排名第1~5位和第7位的技術領域均未出現連續的申請,僅在個別年份出現申請,而排名第6,8位的技術領域,即資源、工作流程、人員或項目管理,以及設計優化、驗證或模擬在這一時期尚未出現專利申請,這與計算機相關人工智能技術的發展節點相一致。在排名前8位的技術領域中,最早出現申請量的是測試電纜、傳輸線或網絡中的故障這一領域,其次為電性能的測試裝置、電故障的探測裝置,以及用機械應力測試固體材料的強度特性,而排名第1的技術領域（測試介電強度、擊穿電壓）在2010年才出現了個別申請,而與計算機相關的計算機輔助設計在這一階段的最后一年（2015年）才出現了專利申請。以上結果與力學、電學、光學測試裝置的發展密切相關,而計算機輔助檢測方法也在這一時期出現了萌芽。 

在技術高速發展階段（2016年至今）,排名前4位的技術領域呈現出了較為連續的申請趨勢,例如排名第1的技術領域在每一年均有一定的專利申請量,并在2019年達到了年度申請量最大值11件。這表明近年來對于電纜老化評估及壽命預測的主流技術即是通過電性能方面的測試獲得評估結果,而排名第7位的技術領域（用機械應力測試固體材料的強度特性）在這一階段申請量為零,表明通過機械應力對電纜強度等特征進行表征,從而對老化相關性能進行評估的技術已經被主流研究人員所淘汰。排名第5,6,8位的技術領域均是與計算機輔助、人工智能輔助、模擬相關,是近年來的新興技術,可以預期這些領域的申請量在未來還可能會增加。 

1.7   技術發展路線以及重點專利

通過對申請日期、被引證頻次、同族專利情況以及技術內容的綜合考慮,找到了技術發展各個時期代表性的專利技術,通過對技術內容的總結歸納,得到了核級電纜老化評估及壽命預測發展路線圖（見圖8）。 

圖  8  核級電纜老化評估及壽命預測領域技術發展路線

20世紀末,韓國電氣公司率先開發了一種便攜式電纜老化試驗機,所述裝置以非破壞性的方法對核電站中使用的電纜進行老化試驗,相應的專利申請號為KR200168151Y1,該公司于2006年在以往研發的基礎上,再次推出一種用于檢查電纜老化的便攜式裝置,其改進點主要在于其中的夾具,對應的專利申請號為KR1020080024891A,在這一階段,尚未出現電纜老化評估及壽命預測的主流技術。我國國內的研究報道始于2007年左右,上海交通大學率先報道了一種電力電纜絕緣狀態監測與壽命管理系統,該系統通過數據采集模塊采集電纜絕緣監測數據,結合試驗數據、環境信息等,對電纜的絕緣和剩余壽命進行判斷,相應專利申請號為CN101149416A。2012年重慶大學報道了一種基于核磁共振的交聯聚乙烯電纜老化程度評估方法,通過核磁共振分析儀測試比較交聯聚乙烯電纜在不同老化程度下的分子結構,實現了從微觀角度對絕緣材料老化性能的檢測,相應專利申請號為CN102998323A。同期國外公司也出現了一些相關報道,挪威Wirescan As公司報道了一種用于監視電纜狀況的方法和系統,包括向電纜的第一端施加寬帶信號波,通過信號分析對故障進行識別,相應的專利申請號為NO20121245。2013年江蘇核電有限公司報道了一種反應堆安全殼內電纜老化管理平臺,為反應堆安全殼內電纜延壽、安全評審、技術改造等提供了依據,相應專利申請號為CN203133945U。2014年國核電站運行服務技術有限公司公開了一種多因子耦合電纜老化試驗系統,能夠滿足濕-熱-輻照多因子耦合試驗條件,相應專利申請號為CN103983563A。2015年,核動力運行研究所報道了一種用于電纜整體老化壽命評估的頻域測試分析系統及方法,可以實現對現場服役電纜的在役檢查和壽命評估,相應專利申請號為CN106855605A。至此,通過各類老化試驗分析儀器進行監測,從而對電纜壽命進行評估預測已成為了主流技術。2019年,蘇州熱工研究院有限公司報道了一種適用于M310核電機組安全殼內K1類電纜壽命再評估的方法,該方法主要通過監測數據、環境參數評估的方式對電纜壽命進行預測,相應專利申請號為CN110322105A。復旦大學報道了一種定量評價核級電纜老化程度的綜合方法,通過對核級電纜聚合物材料老化前后性能的綜合分析,建立了宏觀性能、微觀特征、老化時間三者間的定量關系,相應的專利申請號為CN110455698A。2020年,江蘇能電科技有限公司公開了一種電纜老化檢測方法,通過漏電檢測設備獲取預設時間段對應的漏電流序列,根據故障檢測結果確定電纜老化的檢測結果,相應專利申請號為CN111426909A。2021年,中廣核等公司報道了一種核電廠環境鑒定設備可延續使用的評估方法,其主要通過制定環境鑒定設備清單進行評估,相應的專利申請號為CN112668199A。2024年,華能海南昌江核電有限公司報道了一種核電廠1E級電纜鑒定壽命優化方法及系統,通過定期監測最惡劣環境下的實際溫度和輻照劑量率,修正鑒定試驗中所假設的設計溫度和累積輻照劑量,消除不必要的保守假設,從而優化電纜的鑒定壽命,相應的專利申請號為CN118069970A。可以看出,近年來,在儀器檢測的基礎上,通過計算機輔助的管理平臺,對電纜老化評估手段進行優化已逐漸成為研究熱點。 

2.   結語

（1）由于國內市場對核級電纜老化評估及壽命預測需求,近20年國內企業、高校在該領域的研發熱情顯著高于起步較早的日本、韓國等企業。 

（2）申請人主要為研發經費充足、人才儲備充分的國家電網、南方電網、中廣核等大型國企,而國內大學、科研院所申請數量較少,整體而言,國內外有效專利在整體中占比較高,反映了該領域仍處于技術活躍期。 

（3）通過物理、化學相關性能表征老化性能、進行壽命預測是專利申請數量最高的技術領域,但計算機相關、人工智能技術已經開始向核級電纜老化評估及壽命預測領域滲透。

文章來源——材料與測試網