額定電壓6kV(Um=7.2kV)至30kV(Um=36kV)電纜低溫試驗(yàn)檢測技術(shù)

一、檢測原理

電纜低溫試驗(yàn)的核心原理在于評(píng)估其聚合物材料（如絕緣XLPE、護(hù)套PVC/PE等）在嚴(yán)苛低溫環(huán)境下的物理化學(xué)性能穩(wěn)定性。其科學(xué)依據(jù)主要基于高分子物理與材料力學(xué)。

1. 材料脆化與玻璃化轉(zhuǎn)變理論：高分子聚合物在溫度降至某一臨界點(diǎn)（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以下）時(shí)，分子鏈段運(yùn)動(dòng)被凍結(jié)，材料從高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)，表現(xiàn)為硬度增加、韌性驟降、延展性消失。低溫試驗(yàn)即是模擬此條件下，電纜結(jié)構(gòu)抵抗脆性斷裂和物理損傷的能力。

2. 熱力學(xué)收縮應(yīng)力原理：不同材料（導(dǎo)體、絕緣、護(hù)套）的線性膨脹系數(shù)存在差異。當(dāng)溫度急劇下降時(shí)，各組件收縮不均，在界面處產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。低溫彎曲試驗(yàn)即是為了檢驗(yàn)在此應(yīng)力下，絕緣和護(hù)套是否開裂或與導(dǎo)體剝離。

3. 電性能穩(wěn)定性原理：低溫可能導(dǎo)致絕緣材料結(jié)晶度變化，微觀裂紋產(chǎn)生，從而潛在地影響其介電強(qiáng)度。低溫下的電壓試驗(yàn)旨在驗(yàn)證絕緣結(jié)構(gòu)在低溫應(yīng)力下的介電完整性是否受損。

二、檢測項(xiàng)目

低溫試驗(yàn)是一個(gè)系統(tǒng)性評(píng)價(jià)過程，主要分為機(jī)械性能測試和電氣性能測試兩大類。

1. 機(jī)械性能類檢測項(xiàng)目：

   • 低溫沖擊試驗(yàn)：將試樣在特定低溫下冷卻后，用規(guī)定重量的重錘沖擊，檢驗(yàn)護(hù)套及絕緣的抗沖擊脆裂性能。

   • 低溫彎曲試驗(yàn)：試樣在低溫箱中繞規(guī)定直徑的試樣棒彎曲一定角度，檢查絕緣和護(hù)套是否有可見裂紋。這是考核電纜低溫敷設(shè)性能的關(guān)鍵項(xiàng)目。

   • 低溫拉伸試驗(yàn)：適用于護(hù)套材料，測定其在低溫下的斷裂伸長率和抗張強(qiáng)度，評(píng)估其韌性保留率。

   • 低溫卷繞試驗(yàn)：將試樣在低溫下緊密纏繞在金屬棒上，觀察表面是否開裂。

2. 電氣性能類檢測項(xiàng)目：

   • 低溫下局部放電試驗(yàn)：在低溫環(huán)境下，對(duì)電纜施加規(guī)定電壓，檢測其內(nèi)部是否存在因低溫收縮產(chǎn)生氣隙等缺陷而引發(fā)的局部放電。

   • 低溫下耐壓試驗(yàn)：在低溫條件下，對(duì)電纜施加工頻或直流高壓，持續(xù)規(guī)定時(shí)間，考核其絕緣在低溫機(jī)械應(yīng)力下的耐電強(qiáng)度。

三、檢測范圍

此電壓等級(jí)電纜廣泛應(yīng)用于對(duì)低溫環(huán)境有明確要求的領(lǐng)域，檢測需覆蓋這些應(yīng)用場景的極端條件。

• 風(fēng)電行業(yè)：特別是北方風(fēng)場、海上風(fēng)電，電纜需在-40℃乃至更低的機(jī)艙、塔筒環(huán)境內(nèi)正常運(yùn)行和耐受彎曲敷設(shè)。

• 軌道交通：高鐵、地鐵車輛用電纜，以及沿線信號(hào)電纜，需滿足高寒地區(qū)（如-50℃至-40℃）的低溫運(yùn)行和安裝要求。

• 石油化工與船舶制造：海上鉆井平臺(tái)、各類船舶，尤其是極地航行船舶，其甲板電纜、控制電纜需具備優(yōu)異的耐低溫性能。

• 核電領(lǐng)域：核電站外圍及安全殼外區(qū)域用電纜，需在寒冷氣候下保持功能。

• 建筑與基礎(chǔ)設(shè)施：應(yīng)用于北方嚴(yán)寒地區(qū)的樓宇、橋梁、機(jī)場等供電網(wǎng)絡(luò)，電纜需承受冬季低溫和安裝時(shí)的冷彎。

四、檢測標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低溫試驗(yàn)的要求存在細(xì)節(jié)差異，需嚴(yán)格區(qū)分。

分析：IEC與GB標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)性要求，而EN、UL/ANSI標(biāo)準(zhǔn)則根據(jù)地域氣候和應(yīng)用場景，提出了更低溫或更嚴(yán)格的測試條件。在實(shí)際檢測中，必須依據(jù)電纜的目標(biāo)市場和應(yīng)用領(lǐng)域，選擇并執(zhí)行相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

五、檢測方法

1. 試樣制備：從成品電纜上截取規(guī)定長度的樣品，端頭進(jìn)行適當(dāng)處理以防吸潮。

2. 條件處理：

   • 冷卻：將試樣放入已預(yù)冷至規(guī)定溫度（如-15℃, -35℃等）的低溫箱中。試樣應(yīng)被完全浸沒在冷卻介質(zhì)（如空氣或乙醇/乙二醇混合液）中，并持續(xù)足夠時(shí)間（通常不少于16小時(shí)），以確保試樣整體達(dá)到溫度平衡。

   • 溫度監(jiān)控：熱電偶應(yīng)置于監(jiān)控試樣附近，確保試驗(yàn)區(qū)域溫度恒定在允差范圍內(nèi)。

3. 試驗(yàn)執(zhí)行：

   • 機(jī)械試驗(yàn)：在低溫箱內(nèi)或迅速移出后規(guī)定時(shí)間內(nèi)（如10秒內(nèi)）完成試驗(yàn)操作。例如，低溫彎曲試驗(yàn)需在箱內(nèi)將試樣沿模具勻速彎曲180°，操作需平穩(wěn)，避免外部熱源影響。

   • 電氣試驗(yàn)：對(duì)于低溫下的耐壓或局部放電試驗(yàn)，需在試樣保持于低溫環(huán)境中時(shí)，通過預(yù)先引出的高壓線施加電壓。

4. 結(jié)果檢查：試驗(yàn)后，在正常光照下用肉眼檢查絕緣和護(hù)套表面是否有任何裂紋。對(duì)于電氣試驗(yàn)，記錄是否發(fā)生擊穿或局部放電量是否超標(biāo)。

六、檢測儀器

1. 高低溫交變?cè)囼?yàn)箱：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：核心設(shè)備。需具備快速降溫能力、寬廣的溫區(qū)范圍（至少-70℃至+150℃）、箱內(nèi)溫度均勻性好（±2℃以內(nèi)）。內(nèi)膽通常為不銹鋼，耐腐蝕。應(yīng)具備觀察窗和引線孔，以便操作和電氣連接。

2. 低溫沖擊試驗(yàn)機(jī)：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：由恒低溫箱、固定夾具、沖擊重錘和釋放裝置構(gòu)成。重錘落高和重量需精確可調(diào)，以滿足不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的沖擊能量。

3. 低溫彎曲試驗(yàn)裝置：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：通常為置于低溫箱內(nèi)的專用夾具，包括固定軸（試樣棒）和彎曲機(jī)構(gòu)。試樣棒直徑根據(jù)電纜外徑和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定計(jì)算，材質(zhì)為金屬，在低溫下不變脆。

4. 低溫拉伸試驗(yàn)機(jī)：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：需配備環(huán)境箱的電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)。夾具需適用于扁平試樣，測力系統(tǒng)和位移傳感器精度高，并能適應(yīng)低溫環(huán)境。

5. 高壓試驗(yàn)設(shè)備：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：包括工頻無暈試驗(yàn)變壓器、局部放電檢測系統(tǒng)、直流高壓發(fā)生器等。這些設(shè)備需能通過高壓套管與低溫箱內(nèi)的試樣安全連接，并保證在低溫環(huán)境下自身穩(wěn)定工作。

七、結(jié)果分析

1. 機(jī)械性能結(jié)果評(píng)判：

   • 合格：試驗(yàn)后，絕緣和護(hù)套表面在任何方向上均無肉眼可見的裂紋。試樣彎曲處光滑，無發(fā)白、龜裂現(xiàn)象。

   • 不合格：出現(xiàn)任何長度的縱向或橫向裂紋、開裂、或護(hù)套與絕緣層分離。材料表面出現(xiàn)密集的微裂紋（發(fā)狀裂紋）同樣判為不合格，這表明材料已發(fā)生脆化。

2. 電氣性能結(jié)果評(píng)判：

   • 耐壓試驗(yàn)：在規(guī)定電壓和時(shí)間內(nèi)，試樣未發(fā)生擊穿或閃絡(luò)，即為通過。

   • 局部放電試驗(yàn)：測得的視在放電量低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值（如對(duì)于6/6kV至18/30kV電纜，通常要求≤5~10 pC），即為通過。

3. 深度分析：

   • 失效根因分析：若試驗(yàn)失敗，需從材料配方（增塑劑種類與含量、聚合物基體選擇）、電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、以及制造工藝（如交聯(lián)度、冷卻過程）等方面追溯原因。例如，PVC護(hù)套低溫沖擊失敗，可能與增塑劑遷移或選用不當(dāng)有關(guān)。

   • 數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析：對(duì)于研發(fā)和質(zhì)量監(jiān)控，可對(duì)比不同批次、不同配方電纜的低溫性能數(shù)據(jù)（如沖擊通過率、彎曲后伸長率變化），評(píng)估材料體系和工藝穩(wěn)定性的改進(jìn)效果。