額定電壓35kV (Um=40.5kV) 鋁合金芯擠包絕緣電力電纜老化后絕緣機械性能檢測技術(shù)

引言
額定電壓35kV鋁合金芯擠包絕緣電力電纜廣泛應(yīng)用于城市電網(wǎng)、工業(yè)園區(qū)及新能源發(fā)電等輸配電系統(tǒng)。電纜在長期運行過程中，其絕緣材料會因電、熱、機械及環(huán)境應(yīng)力作用而發(fā)生老化，導(dǎo)致機械性能劣化，進而影響電纜的使用壽命與運行安全。因此，對電纜絕緣，特別是經(jīng)過模擬長期老化的絕緣樣品進行機械性能檢測，是評估其材料耐久性與可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1. 檢測項目：方法與原理
老化后絕緣機械性能檢測主要圍繞抗張強度和斷裂伸長率兩大核心指標(biāo)展開，通常在經(jīng)過熱老化試驗后進行。

1.1 熱老化試驗

• 原理：通過將絕緣試片置于高于其額定工作溫度的環(huán)境中持續(xù)暴露一定時間，模擬電纜在長期運行中因?qū)w發(fā)熱導(dǎo)致的絕緣熱老化過程。此過程會加速聚合物鏈的氧化、交聯(lián)或降解，從而使其機械性能發(fā)生變化。

• 方法：從成品電纜上剝?nèi)〗^緣薄試片，懸掛于符合標(biāo)準(zhǔn)要求的熱老化箱內(nèi)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（如GB/T 2951.12），老化溫度通常設(shè)定為（135±2）℃，老化時間通常為7 x 24 h。老化結(jié)束后，試片應(yīng)在環(huán)境溫度下靜置16h以上，再進行機械性能測試。

1.2 機械性能測試

• 1.2.1 抗張強度測試

  • 原理：抗張強度是指試樣在拉伸試驗過程中，拉斷時所承受的大拉伸應(yīng)力。它反映了材料抵抗拉伸破壞的能力。老化后的抗張強度變化率是衡量材料耐熱老化能力的重要參數(shù)。

  • 方法：將老化后的絕緣試片沖裁或切割成啞鈴狀試件（如1型或2型啞鈴片）。在拉力試驗機上，以恒定的夾頭分離速度（通常為250 mm/min ± 50 mm/min）拉伸試件直至斷裂。記錄過程中的大拉力值，并通過試件原始截面積計算抗張強度。

• 1.2.2 斷裂伸長率測試

  • 原理：斷裂伸長率是指試樣在拉斷時，標(biāo)線間的伸長量與原始標(biāo)距的百分比。它表征了材料在斷裂前的塑性變形能力，是材料韌性的重要指標(biāo)。老化后斷裂伸長率的保留率對于評估電纜在安裝、運行中承受彎曲、擠壓等形變的能力至關(guān)重要。

  • 方法：在拉伸試件前，在其工作段內(nèi)標(biāo)記初始標(biāo)距（例如20mm）。在拉力試驗機拉伸過程中，測量試件斷裂時標(biāo)距間的終長度，計算斷裂伸長率。

1.3 熱延伸試驗

• 原理：該試驗主要用于評估交聯(lián)聚乙烯（XLPE）等交聯(lián)絕緣材料的交聯(lián)度。在特定溫度和載荷下，測量試樣的伸長率及冷卻后的永久變形。交聯(lián)度不足會導(dǎo)致熱延伸率過大和永久變形過高，表明材料耐熱變形能力差。

• 方法：制備特定尺寸的試條，在（200±3）℃的烘箱中，承受20N/cm²的負重，15分鐘后測量其伸長率（熱延伸率）。移除負重后，讓試片在烘箱內(nèi)冷卻恢復(fù)5分鐘，再測量其永久變形。

2. 檢測范圍與應(yīng)用領(lǐng)域
對35kV鋁合金芯電纜老化后絕緣機械性能的檢測需求覆蓋以下關(guān)鍵領(lǐng)域：

• 城市配電網(wǎng)：確保埋地或隧道敷設(shè)電纜在長期負荷循環(huán)下絕緣性能穩(wěn)定，防止因機械性能劣化導(dǎo)致絕緣破損。

• 大型工業(yè)設(shè)施：評估電纜在工廠內(nèi)部高溫、可能存在化學(xué)腐蝕等嚴(yán)苛環(huán)境下的長期服役可靠性。

• 可再生能源電站：如風(fēng)電場和光伏電站，檢測電纜在頻繁溫度變化、振動等動態(tài)應(yīng)力下絕緣的老化耐受性。

• 軌道交通供電系統(tǒng)：驗證用于地鐵、鐵路等牽引供電的電纜，其絕緣在振動、熱累積等復(fù)合應(yīng)力下的機械壽命。

• 新產(chǎn)品開發(fā)與型式試驗：電纜制造商和材料供應(yīng)商用于驗證新配方、新工藝生產(chǎn)的絕緣材料是否符合長期使用壽命要求。

3. 檢測標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范
檢測活動嚴(yán)格遵循國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，確保結(jié)果的性和可比性。

• 標(biāo)準(zhǔn)（GB/T）：

  • GB/T 12706.4-2020：規(guī)定了擠包絕緣電力電纜附件的試驗要求，其引用的機械性能試驗方法見GB/T 2951系列。

  • GB/T 2951.11-2008/IEC 60811-1-1:2001：電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法 第11部分：通用試驗方法—厚度和外形尺寸測量—機械性能試驗。

  • GB/T 2951.12-2008/IEC 60811-1-2:1985：電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法 第12部分：通用試驗方法—熱老化試驗方法。

  • GB/T 2951.21-2008/IEC 60811-2-1:2001：電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法 第21部分：彈性體混合料專用試驗方法—耐臭氧試驗—熱延伸試驗—浸礦物油試驗。

• 電工委員會標(biāo)準(zhǔn)（IEC）：

  • IEC 60502-2:2014：額定電壓1kV(Um=1.2kV)到30kV(Um=36kV)的擠包絕緣電力電纜及其附件 第2部分：額定電壓6kV(Um=7.2kV)到30kV(Um=36kV)的電纜。其對電纜的型式試驗要求包含了絕緣機械性能測試。

  • IEC 60811系列標(biāo)準(zhǔn)：與GB/T 2951系列標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容基本對應(yīng)。

• 性能要求：以交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣為例，標(biāo)準(zhǔn)通常要求老化后（135℃, 168h）的抗張強度變化率絕對值不超過±25%，斷裂伸長率變化率絕對值不超過±25%，且老化后斷裂伸長率小值應(yīng)不低于175%。熱延伸試驗要求：載荷下伸長率≤175%，冷卻后永久變形≤15%。

4. 檢測儀器與設(shè)備
4.1 熱老化箱

• 功能：提供可控的、均勻的高溫環(huán)境，用于加速電纜絕緣材料的熱老化過程。必須具備強制空氣循環(huán)系統(tǒng)，確保箱內(nèi)溫度均勻性（溫差通常≤±2℃），并具備超溫保護功能。

4.2 電子拉力試驗機

• 功能：用于進行抗張強度與斷裂伸長率的測量。該設(shè)備應(yīng)能實現(xiàn)恒速拉伸，配備高精度力值傳感器和位移測量系統(tǒng)（如光學(xué)編碼器或引伸計）。軟件系統(tǒng)能自動采集數(shù)據(jù)，并計算抗張強度、斷裂伸長率等結(jié)果。夾具需能有效夾持啞鈴試片而不產(chǎn)生滑移或過早斷裂。

4.3 熱延伸試驗裝置

• 功能：一套集成設(shè)備，通常包括：

  • 高溫烘箱：能維持（200±3）℃的恒溫環(huán)境。

  • 加載架：置于烘箱內(nèi)，用于懸掛試條并施加精確的負重。

  • 標(biāo)尺測量系統(tǒng)：用于精確測量試條在加載前、加載后及冷卻后的長度變化。

4.4 啞鈴刀（沖片機）與測厚儀

• 功能：啞鈴刀用于從絕緣薄片上精確沖裁出標(biāo)準(zhǔn)尺寸的啞鈴狀試件。測厚儀（通常為千分尺）用于精確測量試件標(biāo)距內(nèi)的厚度，該數(shù)據(jù)是計算截面積和抗張強度的關(guān)鍵輸入。

結(jié)論
對額定電壓35kV鋁合金芯擠包絕緣電力電纜進行老化后絕緣機械性能的檢測，是綜合評價其長期運行可靠性的核心手段。通過嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)化的熱老化流程，并利用精密的拉力試驗機等設(shè)備測量其抗張強度、斷裂伸長率及熱延伸等關(guān)鍵參數(shù)，可以科學(xué)地預(yù)測電纜絕緣材料在長期服役條件下的性能演變趨勢，為電纜的選型、質(zhì)量控制和安全運行維護提供至關(guān)重要的數(shù)據(jù)支持。