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

引言
額定電壓35kV鋁合金芯擠包絕緣電力電纜廣泛應用于城市電網、工業園區及新能源發電等輸配電系統。電纜在長期運行過程中，其絕緣材料會因電、熱、機械及環境應力作用而發生老化，導致機械性能劣化，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鍵環節。

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展開，通常在經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境中持續暴露一定時間，模擬電纜在長期運行中因導體發熱導致的絕緣熱老化過程。此過程會加速聚合物鏈的氧化、交聯或降解，從而使其機械性能發生變化。

• 方法：從成品電纜上剝取絕緣薄試片，懸掛于符合標準要求的熱老化箱內。根據標準規定（如GB/T 2951.12），老化溫度通常設定為（135±2）℃，老化時間通常為7 x 24 h。老化結束后，試片應在環境溫度下靜置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。

  • 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，標線間的伸長量與原始標距的百分比。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。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重要。

  • 方法：在拉伸試件前，在其工作段內標記初始標距（例如20mm）。在拉力試驗機拉伸過程中，測量試件斷裂時標距間的終長度，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聚乙烯（XLPE）等交聯絕緣材料的交聯度。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。交聯度不足會導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，讓試片在烘箱內冷卻恢復5分鐘，再測量其永久變形。

2. 檢測范圍與應用領域
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鍵領域：

• 城市配電網：確保埋地或隧道敷設電纜在長期負荷循環下絕緣性能穩定，防止因機械性能劣化導致絕緣破損。

• 大型工業設施：評估電纜在工廠內部高溫、可能存在化學腐蝕等嚴苛環境下的長期服役可靠性。

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

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

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

3. 檢測標準與規范
檢測活動嚴格遵循國內外標準，確保結果的性和可比性。

• 標準（GB/T）：

  • GB/T 12706.4-2020：規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。

• 電工委員會標準（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系列標準：與GB/T 2951系列標準內容基本對應。

• 性能要求：以交聯聚乙烯（XLPE）絕緣為例，標準通常要求老化后（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. 檢測儀器與設備
4.1 熱老化箱

• 功能：提供可控的、均勻的高溫環境，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系統，確保箱內溫度均勻性（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。該設備應能實現恒速拉伸，配備高精度力值傳感器和位移測量系統（如光學編碼器或引伸計）。軟件系統能自動采集數據，并計算抗張強度、斷裂伸長率等結果。夾具需能有效夾持啞鈴試片而不產生滑移或過早斷裂。

4.3 熱延伸試驗裝置

• 功能：一套集成設備，通常包括：

  • 高溫烘箱：能維持（200±3）℃的恒溫環境。

  • 加載架：置于烘箱內，用于懸掛試條并施加精確的負重。

  • 標尺測量系統：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準尺寸的啞鈴狀試件。測厚儀（通常為千分尺）用于精確測量試件標距內的厚度，該數據是計算截面積和抗張強度的關鍵輸入。

結論
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。通過嚴格遵循標準化的熱老化流程，并利用精密的拉力試驗機等設備測量其抗張強度、斷裂伸長率及熱延伸等關鍵參數，可以科學地預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、質量控制和安全運行維護提供至關重要的數據支持。