額定電壓450/750V及以下交聯(lián)聚烯烴絕緣電線和電纜熱延伸試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)

一、 檢測(cè)原理

熱延伸試驗(yàn)是評(píng)估交聯(lián)聚烯烴絕緣材料在熱和機(jī)械應(yīng)力共同作用下，其交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗永久變形能力的關(guān)鍵試驗(yàn)。其科學(xué)依據(jù)與技術(shù)原理如下：

1. 交聯(lián)度與彈性行為：電線電纜的絕緣和護(hù)套材料經(jīng)過(guò)交聯(lián)處理后，線性高分子鏈之間通過(guò)化學(xué)鍵（如C-C鍵）或物理結(jié)點(diǎn)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)使材料從熱塑性轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁绦裕◤椥泽w），顯著提高了其耐熱性、耐蠕變性和機(jī)械強(qiáng)度。在規(guī)定的溫度和載荷下，一個(gè)充分交聯(lián)的材料應(yīng)表現(xiàn)出典型的彈性行為：即在外力作用下產(chǎn)生可控的形變（負(fù)荷下伸長(zhǎng)率），撤除外力后能大部分回復(fù)（永久變形?。?。

2. 試驗(yàn)原理：熱延伸試驗(yàn)?zāi)M了電纜在長(zhǎng)期運(yùn)行因發(fā)熱和機(jī)械應(yīng)力（如自重、敷設(shè)張力）導(dǎo)致的形變累積風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)時(shí)將啞鈴狀或管狀試樣置于規(guī)定溫度的烘箱中，在其下端施加一個(gè)基于材料標(biāo)稱截面計(jì)算的恒定重力載荷。試樣在熱和力的共同作用下產(chǎn)生伸長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間后，測(cè)量其伸長(zhǎng)量（負(fù)荷下的伸長(zhǎng)率），然后撤去載荷，讓試樣在烘箱內(nèi)或室溫下恢復(fù)一段時(shí)間，再次測(cè)量其殘余伸長(zhǎng)量（永久伸長(zhǎng)率）。

3. 微觀機(jī)理：負(fù)荷下的伸長(zhǎng)率主要反映了材料交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的完善程度和分子鏈的柔順性。交聯(lián)度不足，分子鏈間滑移容易，導(dǎo)致伸長(zhǎng)率過(guò)大。永久伸長(zhǎng)率則直接表征了交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)抵抗不可逆形變的能力。永久變形過(guò)大，意味著交聯(lián)點(diǎn)密度不足，或存在分子鏈斷裂、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞，預(yù)示著材料在長(zhǎng)期使用中可能因蠕變而導(dǎo)致絕緣變薄、龜裂或失去彈性。

二、 檢測(cè)項(xiàng)目

熱延伸試驗(yàn)本身是一個(gè)獨(dú)立的檢測(cè)項(xiàng)目，但它是評(píng)估交聯(lián)聚烯烴絕緣和護(hù)套材料綜合性能的核心項(xiàng)目之一，通常歸屬于“非電性能試驗(yàn)”中的“熱性能與機(jī)械性能”范疇。圍繞交聯(lián)材料的驗(yàn)證，主要關(guān)聯(lián)項(xiàng)目包括：

1. 熱延伸試驗(yàn)：

   • 負(fù)荷下的伸長(zhǎng)率：在規(guī)定溫度和載荷下，試樣在持續(xù)時(shí)間內(nèi)達(dá)到的大伸長(zhǎng)率。

   • 永久伸長(zhǎng)率：撤除載荷并經(jīng)過(guò)冷卻恢復(fù)后，試樣的殘余伸長(zhǎng)率。

2. 前置與關(guān)聯(lián)項(xiàng)目：

   • 交聯(lián)度測(cè)定（可選）：通過(guò)化學(xué)溶劑萃取法（如二甲苯）測(cè)定凝膠含量，直接量化交聯(lián)程度，與熱延伸結(jié)果相互印證。

   • 老化前拉力試驗(yàn)：測(cè)定材料的抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，為熱延伸試驗(yàn)的載荷計(jì)算提供截面依據(jù)，并評(píng)估基礎(chǔ)機(jī)械性能。

   • 熱老化試驗(yàn)：將試樣置于高溫下長(zhǎng)時(shí)間暴露后，再進(jìn)行熱延伸等試驗(yàn)，評(píng)估材料長(zhǎng)期耐熱性能的穩(wěn)定性。

三、 檢測(cè)范圍

額定電壓450/750V及以下的交聯(lián)聚烯烴（主要是交聯(lián)聚乙烯XLPE和交聯(lián)聚烯烴XLPO）絕緣電線電纜廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域，熱延伸試驗(yàn)是這些產(chǎn)品質(zhì)量控制與安全認(rèn)證的必檢項(xiàng)：

1. 建筑布線：用于建筑物內(nèi)固定敷設(shè)的450/750V聚氯乙烯護(hù)套電纜、阻燃電纜、無(wú)鹵低煙電纜等，確保其在長(zhǎng)期通電發(fā)熱環(huán)境下絕緣形狀穩(wěn)定。

2. 電器內(nèi)部配線：家用電器、儀器儀表等設(shè)備內(nèi)部的連接線，要求絕緣在密閉空間和升溫條件下不發(fā)生過(guò)度的永久變形。

3. 控制與信號(hào)傳輸：控制電纜、計(jì)算機(jī)電纜等，防止絕緣因熱蠕變導(dǎo)致電氣性能劣化。

4. 車輛與船舶：船用電纜、機(jī)車車輛電纜等，需耐受振動(dòng)、高溫及溫差變化，對(duì)絕緣的彈性恢復(fù)能力要求苛刻。

5. 新能源領(lǐng)域：光伏電纜、充電樁電纜等，工作環(huán)境苛刻，常伴有溫度循環(huán)和機(jī)械應(yīng)力，熱延伸性能直接關(guān)系使用壽命和安全。

6. 特種應(yīng)用：阻燃、耐火、無(wú)鹵低煙電纜，在保證特殊功能的同時(shí)，其交聯(lián)絕緣層必須通過(guò)熱延伸試驗(yàn)驗(yàn)證其熱機(jī)械穩(wěn)定性。

四、 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱延伸試驗(yàn)的要求在核心原理上一致，但在具體參數(shù)上存在差異。

對(duì)比分析：

• 一致性：IEC、EN和GB/T標(biāo)準(zhǔn)在核心參數(shù)（溫度、載荷、時(shí)間、評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)）上高度統(tǒng)一，體現(xiàn)了接軌。

• 差異性：UL標(biāo)準(zhǔn)更側(cè)重于根據(jù)材料的具體類型和溫度等級(jí)來(lái)規(guī)定試驗(yàn)溫度，而非固定為200℃或250℃。在永久伸長(zhǎng)率的評(píng)判上，某些UL產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)可能放寬至25%。

• 關(guān)鍵點(diǎn)：試驗(yàn)溫度的選擇至關(guān)重要，必須嚴(yán)格按照對(duì)應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的絕緣材料類型來(lái)確定。

五、 檢測(cè)方法

1. 試樣制備：

   • 啞鈴試片：從絕緣薄片上沖切而成，標(biāo)距為20mm。需精確測(cè)量其窄處的寬度和厚度，計(jì)算截面積。

   • 管狀試樣：適用于小截面絕緣線芯，從電纜上小心截取一段，去除導(dǎo)體，制成一定長(zhǎng)度的絕緣管。需測(cè)量平均外徑和平均內(nèi)徑以計(jì)算截面積。

2. 操作要點(diǎn)：

   • 載荷計(jì)算：根據(jù)測(cè)得的試樣截面積，精確計(jì)算并配置砝碼，使試樣承受的應(yīng)力為20 N/cm²。計(jì)算公式：F = S × 20 (N)，其中S為截面積(cm²)。

   • 標(biāo)記標(biāo)距：在試樣上精確標(biāo)記出標(biāo)距線（通常為20mm）。

   • 裝樣：將試樣上端固定在烘箱內(nèi)的支架上，下端懸掛計(jì)算好的砝碼。確保試樣垂直，不與箱壁或其他試樣接觸。

   • 加熱與計(jì)時(shí)：關(guān)閉烘箱門，待溫度迅速回升并穩(wěn)定在規(guī)定溫度（如250±3℃）時(shí)開始計(jì)時(shí)，持續(xù)15分鐘。

   • 測(cè)量與記錄：在15分鐘結(jié)束時(shí)，立即測(cè)量標(biāo)距線間的伸長(zhǎng)量，計(jì)算負(fù)荷下的伸長(zhǎng)率。

   • 恢復(fù)：迅速而輕緩地撤去砝碼（防止震動(dòng)引起額外形變），讓試樣在烘箱內(nèi)或取出在室溫下冷卻恢復(fù)5分鐘（按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定）。

   • 終測(cè)量：恢復(fù)結(jié)束后，再次測(cè)量標(biāo)距線間的殘余伸長(zhǎng)量，計(jì)算永久伸長(zhǎng)率。

六、 檢測(cè)儀器

熱延伸試驗(yàn)裝置主要由以下幾部分組成：

1. 高溫鼓風(fēng)干燥箱：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：工作溫度范圍需覆蓋室溫至300℃以上；具有良好的溫度均勻性（如±3℃以內(nèi)）和控溫精度；具備強(qiáng)制空氣循環(huán)（鼓風(fēng)）系統(tǒng)，以確保箱內(nèi)溫度快速均勻；內(nèi)部容積需能滿足多個(gè)試樣同時(shí)測(cè)試的需求。

2. 試樣懸掛與加載裝置：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：位于烘箱內(nèi)部，包括剛性支架和夾具。夾具應(yīng)耐高溫、防腐蝕，并能牢固夾持試樣而不使其損傷。加載機(jī)構(gòu)應(yīng)能平穩(wěn)懸掛砝碼。

3. 砝碼組：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：一套經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的、不同質(zhì)量的砝碼，用于精確配平到計(jì)算所需的載荷。

4. 測(cè)量工具：

   • 技術(shù)特點(diǎn)：精度不低于0.5%的測(cè)厚儀或千分尺，用于測(cè)量試樣尺寸。精度不低于0.5%的卡尺或讀數(shù)顯微鏡，用于測(cè)量標(biāo)距伸長(zhǎng)量，尤其在高溫下測(cè)量時(shí)，可能需要通過(guò)烘箱觀察窗使用帶刻度的放大鏡或視頻引伸計(jì)。

七、 結(jié)果分析

1. 計(jì)算方法：

   • 負(fù)荷下伸長(zhǎng)率 (%) = [(L1 - L0) / L0] ×

   • 永久伸長(zhǎng)率 (%) = [(L2 - L0) / L0] ×

   • 其中：L0為原始標(biāo)距，L1為載荷下15分鐘時(shí)的標(biāo)距，L2為撤載恢復(fù)后的標(biāo)距。

2. 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 合格：同時(shí)滿足“負(fù)荷下伸長(zhǎng)率 ≤ 175%”和“永久伸長(zhǎng)率 ≤ 15%”（或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的其他值，如25%）。這表明材料交聯(lián)充分，具有優(yōu)良的彈性恢復(fù)能力。

   • 不合格：

     • 負(fù)荷下伸長(zhǎng)率超標(biāo)：表明材料交聯(lián)度可能不足，分子鏈網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度不夠，在熱和力作用下過(guò)于柔軟，易產(chǎn)生過(guò)大形變。

     • 永久伸長(zhǎng)率超標(biāo)：這是更嚴(yán)重的失效。表明交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)存在缺陷，或發(fā)生了分子鏈降解，導(dǎo)致不可逆的塑性形變。這種材料在長(zhǎng)期使用中會(huì)因蠕變而失效。

3. 深度分析：

   • 若負(fù)荷伸長(zhǎng)率和永久伸長(zhǎng)率均接近但未超過(guò)上限，提示材料處于臨界交聯(lián)狀態(tài)，生產(chǎn)工藝（如交聯(lián)溫度、時(shí)間、劑量）需優(yōu)化。

   • 若僅永久伸長(zhǎng)率輕微超標(biāo)，而負(fù)荷伸長(zhǎng)率合格，可能暗示交聯(lián)不均勻或存在局部弱點(diǎn)。

   • 熱延伸試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)與老化試驗(yàn)后的結(jié)果結(jié)合分析。若老化后熱延伸性能急劇變差，表明材料的熱穩(wěn)定性不佳，交聯(lián)結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期熱作用下易遭破壞。