摘要：核级电缆是指核电站特殊环境下使用的电缆,种类繁多,包括测量电缆、通信电缆、仪表电缆、防火电缆等,其承载着核电站运行过程中对设备的供电、信号的传输等多重任务,对核电站的安全稳定运行具有重要作用。由于核级电缆需要长期暴露于热、辐射、电、化学等各类老化环境中,相对于
核级电缆是指核电站特殊环境下使用的电缆,种类繁多,包括测量电缆、通信电缆、仪表电缆、防火电缆等,其承载着核电站运行过程中对设备的供电、信号的传输等多重任务,对核电站的安全稳定运行具有重要作用。由于核级电缆需要长期暴露于热、辐射、电、化学等各类老化环境中,相对于普通电缆,核级电缆具有更高的性能要求,同时在其服役过程中,必须确保各项指标正常,以实现核电厂在安全状态下正常运行。因此,对核用电缆的性能监测手段提出了更高的要求。如何有效对核电特殊环境下使用的电缆进行老化评估及寿命预测,对于消除核电厂安全隐患、降低运行成本具有重要意义。
美国核管理委员会在1970年颁发了联邦法规10CFR50,规定了生产和应用设施的执照发放标准,其中10CFR 50.49《核电厂安全重要电气设备环境鉴定》要求必须对安装在严酷环境中的安全级（1E级）电气设备进行鉴定。法国在1980年成立了法国核岛设计和建造规程协会,不久后出台了《核岛电气设备设计和建造规则》。我国学者较早开始关注核级电缆老化评估及寿命预测领域的研究,例如徐应麟[1]报道了罗卡/希尔伯和耐电压试验的相关内容和要求。日本、韩国也较早开始了相关研究,例如Kim[2]评价了电缆护套间歇加热和连续加热的老化性能。王剑星等[3]对热电偶电缆在弯曲加工过程中的断裂原因进行了分析。此后的技术发展过程中,检测电缆老化状态的方向逐渐演化为无损检测和有损检测两个技术分支,根据检测性能指标又可区分为热老化、辐射老化、化学老化、电老化、机械应力老化等多个研究方向。主要检测手段为仪器辅助检测,近年来又发展出模型预期、生命周期管理等依赖于计算机技术的新方向。例如陈捷吉等[4]报道了一个核电厂核级电缆的智能诊断与健康管理平台,整理了电缆全生命周期管理所需的信息。SOMMERVOGEL等[5]提出了一种新的方法来模拟在监测电缆的整个生命周期中可能遇到的几种类型故障,更准确地评估电缆的健康状况。可以预期在未来一个时期,随着计算机和人工智能技术的发展,核电电缆老化评估及寿命预测将会出现新的发展趋势。
笔者以涉及核级电缆老化评估以及寿命预测领域世界范围内的专利申请数据作为分析样本,从专利申请的年度分布、区域分布、主要申请人、核心专利技术等方面对核级电缆老化评估以及寿命预测领域的技术发展状况进行了分析,并指出现阶段还存在的问题,从而对相关企业的发展提出建议。
以核级电缆老化评估以及寿命预测领域的专利申请为研究对象,检索数据的范围为2024年9月13日前已公开的世界范围内的全部申请专利。在CNTXT和ENTXTC数据库中检索、去重,得到128件申请专利。由于文章撰写的时间限制以及专利申请日到专利公开日之间18个月的时限,缺少2023—2024年的部分未公开专利数据,因此2023—2024年专利的统计数量少于实际公开的数量。下面对核级电缆老化评估、寿命预测技术专利申请状况进行分析。
核级电缆老化评估及寿命预测专利申请量年度分布如图1所示,从历年申请量上看,核级电缆老化评估及寿命预测领域的技术发展大致经历以下3个阶段。
图 1 核级电缆老化评估及寿命预测专利申请量年度分布
核级电缆老化评估及寿命预测领域的研究工作起步于20世纪末,而我国这一时期在该领域的研究尚处于空白阶段。日本日立公司（HITACHI LTD）、韩国电力公司（KOREA ELECTRIC POWER CORP）先后展开了关于电缆劣化控制的研究,其中韩国电力公司首次报道了一种以非破坏性的方法诊断核电站中使用电缆老化状态的便携式电缆老化诊断装置,实现了该领域零的突破。
在这一阶段,韩国电力公司率先在以往研究的基础上,更进一步研发了一种在按压电缆表面之前使用固定电缆的夹具预先按压电缆表面,提高按压测试精度,用于检查电缆老化的便携式设备。我国在该领域的研究大致起步于2007年,上海交通大学率先报道了一种电力技术领域的电力电缆绝缘状态监测与寿命管理系统,其也可以应用于工业和企业,特别是对重要负荷供电电缆的状态监测与寿命管理。重庆大学在2009年报道了一种聚合物电力电缆绝缘加速老化的试验方法及装置,其主要研究对象是核电站千伏电力电缆中常用的交联聚乙烯（XLPE）电缆。此后,在2010—2012年间,我国每年均保持着不超过3件的申请量。国外申请人在2012年有两件专利申请,分别是日本日立电缆公司（HITACHI CABLE）报道的一种用于评估核电厂电缆绝缘涂层材料寿命的方法,以及挪威的WIRESCAN AS公司报道的一种用于监测电缆状况的方法和系统。在2013—2015年,我国在这一领域的专利申请量出现了小幅度增长,2015年的年度专利申请量已经稳定增长到了9件,而国外仅在2013年出现了一件专利申请。这一阶段为此后我国在该领域研究的快速发展打下了一定基础。
2016—2020年,我国在核级电缆老化评估及寿命预测领域的研究工作进入了高速发展阶段。从2016年的年度申请量5件增长到了2020年的年度申请量22件。特别是中广核、国家电网等龙头企业也投入到了该领域的研究工作中。例如,中广核报道了一种绝缘电缆材料多功能老化测试装置,其可以模拟一定温度、湿度和气流影响的试验条件,实现多因子耦合,可根据试验需要任意组合湿度、温度以及气流3个因素,实现一机多用。在这一阶段,高校、企业的联合研究也促使一批新技术的产生,实现了高校研究成果的转化运用,例如国网上海市电力公司与西安交通大学共同报道了一种用于评估XLPE电缆绝缘老化状态的介电分析方法,该方法简单易行,具有一定的工程应用前景。一些研究院所率先将人工智能技术应用于该领域,例如,中国科学院长春应用化学研究所应用介电频谱和超声波测量无损检测手段建立了人工神经网络模型,用于预测EPR（欧洲先进压水堆）核能电缆的剩余使用寿命,是较早的将AI技术与核电电缆寿命预测相结合的研究工作。在2020—2022年,该领域的国内专利申请量有所下降,这可能与全球范围内的疫情相关,在一定程度上制约了研究工作的进展,国外研究者在此期间也仅在2021、2022年各有一件专利申请,而此后的2023—2024年,专利公开数据尚不完整,未能准确反映年度申请量。
专利技术的来源能够反映出一个国家或地区在相关领域的创新活跃程度。在核级电缆老化评估及寿命预测领域,贡献专利技术数量最多的国家是中国,有94%的专利申请来源于中国的申请人,共计120项,这与现实中国企业的市场主导地位相符。其余各国总计8项,其中第2位是韩国,占比为4%,其中大部分申请来自于韩国电力公司、LS电缆公司。第3位的日本、第4位的挪威分别有2件和1件申请,占比均为1%左右。来自于中、日、韩3国的申请量已经达到了全球总申请量的99%,而其余国家占据全球申请量的1%,可见核级电缆老化评估及寿命预测的专利技术主要集中在东亚地区。欧洲仅有挪威占据全球总申请量的1%。虽然国外专利申请量有限,但韩国的电力公司、日本的日立公司在该领域的研究工作在全球范围内开展最早,其所具有的研究基础不容小觑。
核级电缆老化评估及寿命预测技术领域国内外专利申请人类型分布如图2所示。由图2可知：企业申请量占68％,学校、个人和科研单位分别占17％,7%,6%,机关团体占2%。可见,在核级电缆老化评估及寿命预测领域,企业对该技术的研究占到了绝对的多数,这从侧面显示出核级电缆老化评估与寿命预测技术在工业应用中的巨大需求量和经济利益。虽然高校的申请量在该领域只占17%,远小于企业的申请量,但高校对该技术的发展具有很大的推动力,并且有相当一部分为高校与企业的联合申请,近年来国家政策关注于专利的转化运用,而校企联合则是专利转化运用的有效途径。我国最早从事核级电缆老化评估及寿命预测的研究单位包括上海交通大学、西安交通大学、华中科技大学、复旦大学、中国科学院长春应用化学研究所等,其中,西安交通大学和国网上海市电力公司、中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心之间开展了紧密的产学研合作,合作方式包括共同进行技术研发、共同申请专利等模式。除上述合作模式外,一些企业还通过成立专门的技术研究中心来实现自主技术创新,如国家电网公司专门设立了国网山东省电力公司经济技术研究院,国家电网公司还与上海电力学院、华北电力大学等高校开展广泛合作。
图 2 核级电缆老化评估及寿命预测技术领域国内外专利申请人类型分布
核级电缆老化评估及寿命预测领域专利申请量主要申请人分布如图3所示。由图3可知：专利申请量排名前9位的申请人全部为中国国内企业和高校,其中上海南洋藤仓电缆有限公司为中日合资企业。在排名前9位的申请人当中,国家电网公司以占前9位申请人专利总申请量的47%位居首位,这反映了近20年来在核级电缆老化评估及寿命预测领域,我国企业科研人员的研发能力已取得了长足进步。南方电网公司和中广核公司分别以18件、16件申请位于第2,3位,以上3家国企的申请量总计达到82件,可以看出我国企业在这一领域的研究工作在世界范围内处于领先地位。在前9位排名的申请人当中,有两所高校入围,即西安交通大学和华中科技大学,申请量分别为5件和3件,其总量虽然不多,但其持有的专利中有效专利占比较高,这反映了高校专利技术性较强的特点。并列第5位的申请人中,除华中科技大学外,三普药业、中国华能、上海南洋藤仓电缆、中国中车均为国内企业,其中三普药业虽然主营生物医药,但其业务范围也涉及电缆行业,其在2010年后,将核心业务调整为电缆和医药的生产与销售,其所拥有的3项专利申请均是与远东智慧、中国核工等公司的合作申请,可以推断其自身在电缆相关的研发工作中并非占据主导地位。
图 3 核级电缆老化评估及寿命预测领域专利申请量主要申请人分布
核级电缆老化评估及寿命预测领域国内外专利有效性占比如图4所示。由图4可知：在总共128件专利申请中,我国国内有效专利的数量达到56件,占比43.8%,在审专利申请的数量为13件,占比10.2%,已失效专利数量为51件,占比39.8%。国外有效专利的数量为4件,占比3.1%,在审专利申请的数量为1件,占比0.8%,已失效专利数量为3件,占比2.3%。其中,在审专利在不久之后有可能成为有效专利。从以上数据可以看出,在核级电缆老化评估及寿命预测领域,国内外有效专利占比较高,同时还存在一定数量的、可能成为有效专利的在审案件,表明该领域仍处于技术增长和活跃的时期。
图 4 核级电缆老化评估及寿命预测领域国内外专利有效性占比
核级电缆老化评估及寿命预测领域国内外专利法律状态分布如图5所示。由图5可知：在总共128件专利申请中,我国国内授权专利的数量达到56件,占比43.8%,驳回专利申请的数量为30件,占比23.4%,处于实审的专利申请数量为13件,占比10.2%,撤回专利申请数量为12件,占比9.4%,其余为未交年费失效专利6件、期限届满2件、放弃专利1件。国外专利申请中,授权专利的数量为4件,占比3.1%,期限届满专利数量为2件,公开和撤回专利申请数量均为1件。从以上数据可以看出,在核级电缆老化评估及寿命预测领域,国内外的授权专利占比较高。
图 5 核级电缆老化评估及寿命预测领域国内外专利法律状态分布
核级电缆老化评估及寿命预测领域各分支技术的分布情况如图6所示。由图6可知：排名第1的技术领域为测试介电强度、击穿电压,共有39件；排名第2的技术领域为测试电缆、传输线或网络中的故障,共有13件；排名第3的技术领域为电性能的测试装置、电故障的探测装置,共有12件,以上3者均属于测量电变量、测量磁变量技术领域下面的具体小类,以上3个技术领域的申请量占据全球总申请量的50%,可见在这一领域主要通过测量电、磁方面的变化特征评估电缆老化特征,并进行寿命预测。排名第4的技术领域为测试材料的耐气候、耐腐蚀、耐光照性能,共有10件申请,排名第7位的技术领域为用机械应力测试固体材料的强度特性,以上两者均属于借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料的范畴,不难得知,通过测定电缆的相关物化性能对电缆老化特性和寿命预期进行评估也是常用的技术手段。排名第5的技术领域为计算机辅助设计,共有4件申请,排名第6的技术领域为资源、工作流程、人员或项目管理,排名第8的技术领域为设计优化、验证或模拟,这3个领域均属于电数字数据处理、计算机辅助管理的技术分支,这3个技术领域虽然目前申请量不高,但随着人工智能技术的高速发展,通过计算机建立电缆老化模型,进而进行寿命预测必然会成为下一个阶段的研究热点。除了以上技术领域外,其余技术领域的申请量均少于3件,主要分布于借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料的其他具体技术分支。从以上技术领域分布来看,核级电缆老化评估及寿命预测技术主要通过对电缆相关材料在一定场景下的电磁、物化性能进行表征,得到材料在相关应用场景下的性能变化特征,从而对其使用服役状态进行判断,进而评估其预期寿命。应用计算机相关的管理手段是通过建立模型,进行实际场景的模拟以及参数特征的不断学习。实现AI（人工智能）辅助的电缆老化评估及寿命预测已经成为重要的发展方向。
图 6 核级电缆老化评估及寿命预测领域各分支技术的分布情况
核级电缆老化评估及寿命预测技术领域全球申请量的技术领域时间分布如图7所示。在图7中,气泡面积表示当年申请量的多少。由图7可知：在技术起步阶段（1996—2005年）,排名前8位的技术领域中尚没有出现专利申请,电缆老化评估及寿命预测仅通过比较简易的测试方法实现。例如,韩国电力公司在1999年提交的公开号为KR200168151Y1的专利申请公开了一种便携式电缆老化诊断装置,其主要是通过电机、夹具、传感器等设备进行组合,尚不涉及对电缆相关材料电磁、物化性能方面的全面测试。可以说这一时期尚未对核级电缆老化评估及寿命预测的主流技术领域展开研究工作。
图 7 核级电缆老化评估及寿命预测技术领域全球申请量的技术领域时间分布
在技术稳定发展阶段（2006—2015年）,各领域呈现了不同的发展变化趋势,排名第1~5位和第7位的技术领域均未出现连续的申请,仅在个别年份出现申请,而排名第6,8位的技术领域,即资源、工作流程、人员或项目管理,以及设计优化、验证或模拟在这一时期尚未出现专利申请,这与计算机相关人工智能技术的发展节点相一致。在排名前8位的技术领域中,最早出现申请量的是测试电缆、传输线或网络中的故障这一领域,其次为电性能的测试装置、电故障的探测装置,以及用机械应力测试固体材料的强度特性,而排名第1的技术领域（测试介电强度、击穿电压）在2010年才出现了个别申请,而与计算机相关的计算机辅助设计在这一阶段的最后一年（2015年）才出现了专利申请。以上结果与力学、电学、光学测试装置的发展密切相关,而计算机辅助检测方法也在这一时期出现了萌芽。
在技术高速发展阶段（2016年至今）,排名前4位的技术领域呈现出了较为连续的申请趋势,例如排名第1的技术领域在每一年均有一定的专利申请量,并在2019年达到了年度申请量最大值11件。这表明近年来对于电缆老化评估及寿命预测的主流技术即是通过电性能方面的测试获得评估结果,而排名第7位的技术领域（用机械应力测试固体材料的强度特性）在这一阶段申请量为零,表明通过机械应力对电缆强度等特征进行表征,从而对老化相关性能进行评估的技术已经被主流研究人员所淘汰。排名第5,6,8位的技术领域均是与计算机辅助、人工智能辅助、模拟相关,是近年来的新兴技术,可以预期这些领域的申请量在未来还可能会增加。
通过对申请日期、被引证频次、同族专利情况以及技术内容的综合考虑,找到了技术发展各个时期代表性的专利技术,通过对技术内容的总结归纳,得到了核级电缆老化评估及寿命预测发展路线图（见图8）。
图 8 核级电缆老化评估及寿命预测领域技术发展路线
20世纪末,韩国电气公司率先开发了一种便携式电缆老化试验机,所述装置以非破坏性的方法对核电站中使用的电缆进行老化试验,相应的专利申请号为KR200168151Y1,该公司于2006年在以往研发的基础上,再次推出一种用于检查电缆老化的便携式装置,其改进点主要在于其中的夹具,对应的专利申请号为KR1020080024891A,在这一阶段,尚未出现电缆老化评估及寿命预测的主流技术。我国国内的研究报道始于2007年左右,上海交通大学率先报道了一种电力电缆绝缘状态监测与寿命管理系统,该系统通过数据采集模块采集电缆绝缘监测数据,结合试验数据、环境信息等,对电缆的绝缘和剩余寿命进行判断,相应专利申请号为CN101149416A。2012年重庆大学报道了一种基于核磁共振的交联聚乙烯电缆老化程度评估方法,通过核磁共振分析仪测试比较交联聚乙烯电缆在不同老化程度下的分子结构,实现了从微观角度对绝缘材料老化性能的检测,相应专利申请号为CN102998323A。同期国外公司也出现了一些相关报道,挪威Wirescan As公司报道了一种用于监视电缆状况的方法和系统,包括向电缆的第一端施加宽带信号波,通过信号分析对故障进行识别,相应的专利申请号为NO20121245。2013年江苏核电有限公司报道了一种反应堆安全壳内电缆老化管理平台,为反应堆安全壳内电缆延寿、安全评审、技术改造等提供了依据,相应专利申请号为CN203133945U。2014年国核电站运行服务技术有限公司公开了一种多因子耦合电缆老化试验系统,能够满足湿-热-辐照多因子耦合试验条件,相应专利申请号为CN103983563A。2015年,核动力运行研究所报道了一种用于电缆整体老化寿命评估的频域测试分析系统及方法,可以实现对现场服役电缆的在役检查和寿命评估,相应专利申请号为CN106855605A。至此,通过各类老化试验分析仪器进行监测,从而对电缆寿命进行评估预测已成为了主流技术。2019年,苏州热工研究院有限公司报道了一种适用于M310核电机组安全壳内K1类电缆寿命再评估的方法,该方法主要通过监测数据、环境参数评估的方式对电缆寿命进行预测,相应专利申请号为CN110322105A。复旦大学报道了一种定量评价核级电缆老化程度的综合方法,通过对核级电缆聚合物材料老化前后性能的综合分析,建立了宏观性能、微观特征、老化时间三者间的定量关系,相应的专利申请号为CN110455698A。2020年,江苏能电科技有限公司公开了一种电缆老化检测方法,通过漏电检测设备获取预设时间段对应的漏电流序列,根据故障检测结果确定电缆老化的检测结果,相应专利申请号为CN111426909A。2021年,中广核等公司报道了一种核电厂环境鉴定设备可延续使用的评估方法,其主要通过制定环境鉴定设备清单进行评估,相应的专利申请号为CN112668199A。2024年,华能海南昌江核电有限公司报道了一种核电厂1E级电缆鉴定寿命优化方法及系统,通过定期监测最恶劣环境下的实际温度和辐照剂量率,修正鉴定试验中所假设的设计温度和累积辐照剂量,消除不必要的保守假设,从而优化电缆的鉴定寿命,相应的专利申请号为CN118069970A。可以看出,近年来,在仪器检测的基础上,通过计算机辅助的管理平台,对电缆老化评估手段进行优化已逐渐成为研究热点。
（1）由于国内市场对核级电缆老化评估及寿命预测需求,近20年国内企业、高校在该领域的研发热情显著高于起步较早的日本、韩国等企业。
（2）申请人主要为研发经费充足、人才储备充分的国家电网、南方电网、中广核等大型国企,而国内大学、科研院所申请数量较少,整体而言,国内外有效专利在整体中占比较高,反映了该领域仍处于技术活跃期。
（3）通过物理、化学相关性能表征老化性能、进行寿命预测是专利申请数量最高的技术领域,但计算机相关、人工智能技术已经开始向核级电缆老化评估及寿命预测领域渗透。
来源：杭州有一路看一路
