額定電壓1kV (Um=1.2kV) 和 3kV (Um=3.6kV) 電力電纜熱延伸試驗檢測技術

熱延伸試驗是評估交聯聚乙烯（XLPE）、乙丙橡膠（EPR）等熱固性絕緣和護套材料在高溫和負重條件下抗永久變形能力和交聯程度的關鍵質量控制項目。該試驗對于確保電纜在長期運行溫度及短期過載溫度下保持結構穩定性和電氣性能至關重要。

1. 檢測項目：方法與原理

熱延伸試驗主要包含兩個相互關聯的測試項目：負荷下伸長率和冷卻后永久變形率。

1.1 負荷下伸長率

• 原理：將制備好的啞鈴狀或管狀試樣置于規定溫度的烘箱中，在試樣下端施加一個基于材料截面積計算的恒定負重。在高溫環境下，材料分子鏈段運動能力增強，在恒定應力下會產生蠕變伸長。測量試樣在負重下保持規定時間后的伸長量，并計算其相對于原始標距的百分比。

• 方法：

  1. 試樣制備：從成品電纜的絕緣或護套上切取啞鈴狀試片或管狀試片。對于啞鈴試片，需精確測量其狹窄處的寬度和厚度以計算截面積。對于管狀試片，需測量其平均外徑和平均內徑。

  2. 標距標記：在試樣上標記一個初始標距長度，通常為20mm或25mm。

  3. 加載與加熱：將試樣垂直懸掛于已預熱至規定溫度（如200℃±3℃）的空氣烘箱內。在試樣下端掛上計算好的重物，使試樣承受規定的機械應力（如20 N/cm²）。

  4. 測量與記錄：在試樣放入烘箱并加載開始計時，到達規定時間（通常為15分鐘）后，立即測量標距間的伸長量，并計算負荷下的伸長率。

  5. 計算公式：負荷下伸長率 (%) = (L - L?) / L? × 100%
     其中，L?為原始標距，L為加載規定時間后的標距。

1.2 冷卻后永久變形率

• 原理：在完成負荷下伸長率測試后，從烘箱中取出試樣（仍保持負重），在室溫下自然冷卻至環境溫度。隨后解除負重，讓試樣靜置恢復一段時間。測量此時標距的剩余變形量。此項目用于評估材料在解除應力后恢復其原始形狀的能力，反映了材料交聯網絡結構的完整性和彈性。

• 方法：

  1. 連續操作：此試驗緊接著負荷下伸長率試驗進行。

  2. 冷卻與卸載：完成15分鐘的負重加熱后，將帶有重物的試樣從烘箱中取出，在室溫下懸掛冷卻至室溫。然后小心地取下重物。

  3. 恢復與測量：讓卸載后的試樣靜置恢復規定時間（如通常為5分鐘或更長），然后測量終的標距長度。

  4. 計算公式：永久變形率 (%) = (L? - L?) / L? × 100%
     其中，L?為原始標距，L?為卸載并恢復后的標距。

2. 檢測范圍與應用領域

額定電壓1kV和3kV的電纜廣泛應用于中低壓配電網絡，其熱延伸試驗的需求覆蓋以下領域：

• 建筑配電：商業樓宇、住宅小區、醫院、學校的內部配電干線及支線。

• 工業應用：工廠、礦山的動力配電，以及風機、水泵等設備的連接電纜。

• 基礎設施：地鐵、鐵路、機場、港口等公共交通設施的供電系統。

• 新能源領域：光伏電站、風電場內部的匯集和輸電線路。

• 控制與輔助系統：用于電力系統、工業自動化中的控制、測量和信號傳輸電纜。

對于這些應用領域的電纜，其絕緣（如XLPE, EPR）和護套（如PVC, LSZH, HEPR）材料通常都需要進行熱延伸試驗，以驗證其在預期工作溫度（如90℃）及短路溫度下不會發生導致電氣性能劣化的過度變形。

3. 檢測標準：國內外規范

熱延伸試驗嚴格遵循、及行業標準，確保了測試結果的一致性和可比性。

• 標準：

  • IEC 60811-507: 《電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法 第507部分：機械性能試驗 聚乙烯和聚丙烯化合物專用方法 熱延伸試驗》

  • IEC 60502-1: 《額定電壓1kV(Um=1.2kV)到30kV(Um=36kV)的擠包絕緣電力電纜及附件 第1部分：額定電壓1kV(Um=1.2kV)和3kV(Um=3.6kV)的電纜》——其中引用了對絕緣和護套材料的熱延伸要求。

• 標準：

  • GB/T 2951.21: 《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》——此標準適用于EPR等彈性體。

  • GB/T 2951.12: 《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》——其中包含了對聚烯烴材料的熱延伸試驗方法，與IEC 60811-507等效。

  • GB/T 12706.1: 《額定電壓1kV(Um=1.2kV)到35kV(Um=40.5kV)擠包絕緣電力電纜及附件 第1部分：額定電壓1kV(Um=1.2kV)和3kV(Um=3.6kV)的電纜》——作為產品標準，規定了材料熱延伸性能的合格判據。

標準典型要求示例（以XLPE絕緣為例）：

• 負荷下伸長率：不大于175%

• 永久變形率：不大于15%
  試驗條件通常為200℃±3℃，15分鐘，機械應力20 N/cm²。

4. 檢測儀器：主要設備及功能

完成熱延伸試驗需要一套專用的檢測系統。

• 熱延伸試驗箱：

  • 功能：核心設備，提供穩定、均勻的高溫環境。

  • 技術要求：

    • 溫度范圍：至少能達到200℃以上，并能在試驗溫度（如200℃）下長期穩定工作。

    • 溫度均勻性：箱內各點溫度波動應控制在標準規定范圍內（如±3℃）。

    • 空氣循環：采用強制對流方式，確保箱內溫度均勻。

    • 觀察窗：便于在試驗過程中觀察試樣狀態和讀取標尺數據，通常配有刻度尺。

    • 試樣懸掛架：箱內設有用于懸掛試樣的支架。

• 砝碼與加載裝置：

  • 功能：對試樣施加精確的恒定拉力。

  • 技術要求：

    • 砝碼重量需根據試樣的截面積和標準規定的機械應力（如20 N/cm²）精確計算和配置。

    • 加載機構應確保重力垂直作用于試樣，避免偏心。

• 制樣設備：

  • 功能：制備標準規定的啞鈴狀或管狀試樣。

  • 類型：

    • 啞鈴沖片機：用于從平整的電纜切片上沖裁出標準尺寸的啞鈴試片。

    • 切片機/制樣機：用于將電纜樣品切割成可用于測量厚度或沖裁試片的薄片。

    • 測厚儀：千分尺或激光測厚儀，用于精確測量試片的厚度，以計算截面積。

• 測量工具：

  • 功能：精確測量試樣的原始標距和試驗過程中的伸長量。

  • 類型：

    • 標距劃線器：用于在試樣上精確標記初始標距。

    • 讀數顯微鏡或高清攝像頭與圖像分析系統：傳統方法是使用帶刻度的觀察窗和目視讀取?，F代設備常配備高清攝像系統和圖像分析軟件，可自動跟蹤和記錄試樣的伸長變化，提高測量精度和效率。

通過上述儀器設備的協同工作，能夠準確、可靠地完成對1kV和3kV電力電纜絕緣及護套材料的熱延伸性能評價，為電纜產品的質量控制和安全運行提供關鍵數據支撐。