電纜老化后絕緣機(jī)械性能檢測(cè)

一、檢測(cè)原理

電纜絕緣材料在長(zhǎng)期運(yùn)行中，受電、熱、機(jī)械、環(huán)境等多因素作用，其高分子聚合物分子鏈會(huì)發(fā)生斷裂、交聯(lián)、氧化等化學(xué)變化，導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)劣化，宏觀上表現(xiàn)為機(jī)械性能（如抗張強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率）下降。檢測(cè)的核心原理在于通過(guò)模擬或直接測(cè)量老化后絕緣材料的力學(xué)響應(yīng)，量化其劣化程度，評(píng)估其剩余壽命和運(yùn)行可靠性。

• 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系原理： 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣施加單向遞增的拉力，記錄其應(yīng)力與應(yīng)變曲線(xiàn)。材料在屈服點(diǎn)前的彈性變形主要反映分子鏈的鍵長(zhǎng)與鍵角變化，屈服點(diǎn)后的塑性變形則反映了分子鏈的滑移與重排。老化導(dǎo)致分子鏈斷裂，使材料變脆，斷裂伸長(zhǎng)率顯著降低；若發(fā)生交聯(lián)，則可能使材料變硬，抗張強(qiáng)度變化但斷裂伸長(zhǎng)率下降。

• 撕裂傳播原理： 測(cè)量預(yù)制切口試樣在受力下撕裂擴(kuò)展所需的力，評(píng)估材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，直接關(guān)聯(lián)到電纜在彎曲、擠壓等機(jī)械應(yīng)力下的抗損傷性能。

• 硬度壓痕原理： 通過(guò)測(cè)量規(guī)定條件下特定壓頭對(duì)材料表面的壓入深度或保持的壓痕直徑，反映材料表面的局部抵抗能力，間接表征材料整體的彈性模量和交聯(lián)/降解狀態(tài)。

二、檢測(cè)項(xiàng)目

1. 基本機(jī)械性能測(cè)試：

   • 抗張強(qiáng)度： 試樣在拉伸斷裂前承受的大標(biāo)稱(chēng)應(yīng)力。是評(píng)價(jià)絕緣材料機(jī)械完整性的關(guān)鍵指標(biāo)。

   • 斷裂伸長(zhǎng)率： 試樣斷裂時(shí)標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距的百分比。直接反映材料的韌性和塑性變形能力，對(duì)老化極為敏感。

   • 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)： 全面反映材料從彈性變形、屈服、塑性變形直至斷裂的全過(guò)程力學(xué)行為。

2. 抗撕裂性能測(cè)試：

   • 撕裂強(qiáng)度： 主要針對(duì)聚烯烴類(lèi)絕緣料，評(píng)估其抵抗尖銳物體刺傷或切割導(dǎo)致撕裂的能力。

3. 硬度測(cè)試：

   • 邵氏硬度： 使用邵氏硬度計(jì)測(cè)量，快速、無(wú)損地評(píng)估材料軟硬變化，輔助判斷老化類(lèi)型（如變軟為降解主導(dǎo)，變硬為交聯(lián)主導(dǎo)）。

4. 熱延伸試驗(yàn)：

   • 雖屬熱-機(jī)械性能，但與交聯(lián)度緊密相關(guān)。測(cè)量試樣在特定溫度和負(fù)荷下的伸長(zhǎng)率及冷卻后的永久變形，用以判斷交聯(lián)聚乙烯（XLPE）等材料的交聯(lián)質(zhì)量，老化可能導(dǎo)致熱延伸不合格。

5. 老化后性能保留率：

   • 將試樣經(jīng)過(guò)人工加速老化（如熱老化、氧老化）后，測(cè)量其機(jī)械性能，計(jì)算相對(duì)于未老化試樣的性能保留率（通常要求抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率保留率均不低于一定值）。

三、檢測(cè)范圍

本檢測(cè)適用于額定電壓6kV(Um=7.2kV)至30kV(Um=36kV)的各類(lèi)電力電纜在運(yùn)行一定年限后、經(jīng)歷故障后或進(jìn)行壽命評(píng)估時(shí)的絕緣狀態(tài)診斷。

• 電力行業(yè)： 城市電網(wǎng)、發(fā)電廠（廠用電）、變電站內(nèi)中壓電力電纜，特別是運(yùn)行環(huán)境惡劣（如高溫、潮濕、化學(xué)腐蝕）或負(fù)荷波動(dòng)頻繁的電纜。

• 工業(yè)領(lǐng)域： 石化、鋼鐵、礦山、船舶等企業(yè)內(nèi)部的動(dòng)力和控制系統(tǒng)電纜，關(guān)注其耐熱、耐油、耐化學(xué)介質(zhì)老化后的機(jī)械性能。

• 軌道交通： 地鐵、高鐵等牽引供電系統(tǒng)和車(chē)載電纜，評(píng)估其耐振動(dòng)疲勞、熱循環(huán)老化后的機(jī)械完整性。

• 建筑工程： 大型商業(yè)綜合體、醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵設(shè)施的主干供電電纜，保障其防火安全及長(zhǎng)期可靠性。

• 新能源領(lǐng)域： 風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站集電線(xiàn)路電纜，尤其關(guān)注其耐溫變、耐紫外輻射、耐扭曲老化后的性能。

四、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)：

• GB/T 12706.2-2020 / GB/T 12706.3-2020： 對(duì)應(yīng)擠包絕緣電力電纜的試驗(yàn)要求，規(guī)定了交貨狀態(tài)下絕緣機(jī)械性能（抗張強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率）的合格值。老化后試驗(yàn)通常參考其附錄中的熱老化方法及性能保留率要求。

• GB/T 2951.11-2008 / GB/T 2951.12-2008： 電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料的通用試驗(yàn)方法，詳細(xì)規(guī)定了機(jī)械性能（包括老化前和老化后）的試樣制備、試驗(yàn)步驟和結(jié)果處理。

• DL/T 1570-2016： 6kV~35kV電纜老化評(píng)價(jià)方法，提供了更為系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)取樣、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和狀態(tài)評(píng)估指導(dǎo)，對(duì)老化后的機(jī)械性能有明確評(píng)判。

標(biāo)準(zhǔn)：

• IEC 60502-2:2014： 與GB/T 12706系列對(duì)標(biāo)，對(duì)擠出絕緣電纜的試驗(yàn)要求基本一致。

• IEC 60811-501:2012 / IEC 60811-502:2012： 與GB/T 2951.11/12系列對(duì)標(biāo)，為絕緣和護(hù)套材料的通用試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)。

• IEEE 1407-2007： 指導(dǎo)中壓擠包絕緣電纜已安裝后的可靠性評(píng)估，包含基于機(jī)械性能測(cè)試的剩余壽命評(píng)估方法。

對(duì)比分析：
國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在核心檢測(cè)項(xiàng)目（抗張強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率）和方法上高度統(tǒng)一。IEC標(biāo)準(zhǔn)體系是通用的基礎(chǔ)。GB標(biāo)準(zhǔn)在等效采用IEC標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，結(jié)合國(guó)內(nèi)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在部分性能指標(biāo)（如熱延伸要求）上可能更為嚴(yán)格。DL/T 1570等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)則更具針對(duì)性，為電纜老化狀態(tài)的在役評(píng)估提供了更具體的操作框架和判據(jù)。

五、檢測(cè)方法

1. 取樣： 從電纜樣品上小心剝離絕緣層，避免損傷。用啞鈴刀或沖片機(jī)在絕緣片材上裁切標(biāo)準(zhǔn)啞鈴狀試樣（類(lèi)型取決于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定）。

2. 狀態(tài)調(diào)節(jié)： 試樣在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境（如23±2°C, 50±5%濕度）下放置規(guī)定時(shí)間，以消除前期加工和存儲(chǔ)應(yīng)力的影響。

3. 尺寸測(cè)量： 使用厚度計(jì)和光學(xué)測(cè)量?jī)x精確測(cè)量試樣標(biāo)線(xiàn)內(nèi)的寬度和厚度，計(jì)算截面積。

4. 裝夾與測(cè)試：

   • 將試樣對(duì)稱(chēng)地夾持在拉力試驗(yàn)機(jī)的上下夾具中。

   • 設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)：拉伸速度（通常為250±50 mm/min，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)）、標(biāo)距、預(yù)張力等。

   • 啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，連續(xù)均勻地施加拉力，直至試樣斷裂。自動(dòng)記錄系統(tǒng)同步繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。

5. 數(shù)據(jù)讀?。?/span> 從曲線(xiàn)或數(shù)據(jù)中直接讀取大拉力（計(jì)算抗張強(qiáng)度）、斷裂時(shí)的伸長(zhǎng)量（計(jì)算斷裂伸長(zhǎng)率）。

6. （若需）老化處理： 將一組試樣置于空氣循環(huán)老化箱中，在高于電纜長(zhǎng)期允許運(yùn)行溫度但低于材料變形溫度的條件下（如135°C for XLPE）持續(xù)一定時(shí)間（如7天），然后取出冷卻至室溫，再進(jìn)行上述機(jī)械性能測(cè)試。

操作要點(diǎn)：

• 試樣制備是關(guān)鍵，邊緣應(yīng)光滑無(wú)缺口。

• 確保試樣軸線(xiàn)與拉力方向一致，防止偏心受力。

• 拉伸速度必須嚴(yán)格控制，因其直接影響測(cè)試結(jié)果。

• 老化試驗(yàn)的溫度和時(shí)間需精確控制，確保老化程度可比。

六、檢測(cè)儀器

1. 電子拉力試驗(yàn)機(jī)：

   • 技術(shù)特點(diǎn)： 采用伺服電機(jī)或變頻系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，力值測(cè)量通常采用高精度負(fù)荷傳感器，位移測(cè)量采用光電編碼器。具備寬范圍的力值量程和速度控制。配備夾具（如氣動(dòng)平口夾具）以防止試樣打滑或夾傷。集成數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，能自動(dòng)計(jì)算并輸出各項(xiàng)機(jī)械性能參數(shù)和曲線(xiàn)。

2. 啞鈴制樣機(jī)/沖片機(jī)：

   • 技術(shù)特點(diǎn)： 提供穩(wěn)定壓力和鋒利刀口，確保制備的試樣尺寸精確、邊緣整齊，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3. 熱老化試驗(yàn)箱：

   • 技術(shù)特點(diǎn)： 強(qiáng)制空氣循環(huán)，確保箱內(nèi)溫度均勻性（通常要求±2°C以?xún)?nèi)）。具備超溫保護(hù)和安全聯(lián)鎖裝置。溫度控制精確，可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

4. 厚度計(jì)/測(cè)厚儀：

   • 技術(shù)特點(diǎn)： 接觸式或非接觸式，分辨率至少達(dá)到0.01mm，測(cè)量壓力符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，保證厚度測(cè)量準(zhǔn)確性。

5. 硬度計(jì)：

   • 技術(shù)特點(diǎn)： （如邵氏A型或D型）便攜式，壓頭形狀和彈簧力符合標(biāo)準(zhǔn)，用于快速現(xiàn)場(chǎng)篩查。

七、結(jié)果分析

1. 數(shù)據(jù)分析方法：

   • 絕對(duì)值比較法： 將測(cè)得的抗張強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率絕對(duì)值與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 12706）中規(guī)定的交貨狀態(tài)小值進(jìn)行比較。若低于標(biāo)準(zhǔn)值，表明絕緣已嚴(yán)重劣化。

   • 保留率計(jì)算法： 計(jì)算老化后試樣的抗張強(qiáng)度保留率和斷裂伸長(zhǎng)率保留率。公式：（老化后性能平均值 / 老化前性能平均值）× 。此方法更能反映材料耐老化能力。

   • 趨勢(shì)分析法： 對(duì)同一線(xiàn)路不同時(shí)期或不同位置的電纜取樣測(cè)試，觀察機(jī)械性能隨時(shí)間或空間的變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)剩余壽命。

   • 曲線(xiàn)形態(tài)分析： 觀察應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)形狀。老化后曲線(xiàn)可能變得陡峭（模量增加，脆性增加），屈服點(diǎn)消失，斷裂能（曲線(xiàn)下面積）顯著減小。

2. 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 合格/不合格判據(jù)： 依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。例如，對(duì)于老化后試驗(yàn)，常見(jiàn)要求為：抗張強(qiáng)度保留率 ≥ 85%（或某一特定值，如對(duì)于熱老化），斷裂伸長(zhǎng)率保留率 ≥ 80%（或某一特定值）。同時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率的絕對(duì)值不應(yīng)低于某一門(mén)檻（如對(duì)于XLPE，有時(shí)要求老化后斷裂伸長(zhǎng)率不低于）。

   • 狀態(tài)分級(jí)判據(jù)（參考DL/T 1570等）：

     • 良好狀態(tài)： 機(jī)械性能保留率高，接近新纜水平，可繼續(xù)安全運(yùn)行。

     • 注意狀態(tài)： 機(jī)械性能有明顯下降，但仍高于標(biāo)準(zhǔn)要求的臨界值，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

     • 異常狀態(tài)： 機(jī)械性能已低于標(biāo)準(zhǔn)要求，或斷裂伸長(zhǎng)率嚴(yán)重下降（表明嚴(yán)重脆化），絕緣韌性喪失，存在較高運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，建議計(jì)劃更換。

     • 嚴(yán)重狀態(tài)： 機(jī)械性能極度劣化，試樣極易斷裂，電纜應(yīng)立即退出運(yùn)行。

   • 綜合評(píng)判： 機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果需與電氣性能測(cè)試（如介損、局部放電）、理化分析（如傅里葉變換紅外光譜FTIR、差示掃描量熱DSC）等結(jié)果相結(jié)合，進(jìn)行綜合診斷，才能對(duì)電纜絕緣的老化狀態(tài)做出更全面、準(zhǔn)確的評(píng)估。