標(biāo)準(zhǔn)條件下電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣熱延伸性能的影響因素研究

李培嫻 LI Pei-xian；章慶科 ZHANG Qing-ke；楊麗 YANG Li；劉亞赤 LIU Ya-chi

（成都產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院有限責(zé)任公司，成都 610100）

0 引言

交聯(lián)聚乙烯因其良好的耐熱性、機(jī)械性能和電氣性能被廣泛應(yīng)用在電纜的絕緣材料上[1]。熱延伸試驗(yàn)是在恒定載荷恒定溫度下衡量高分子材料形變量的試驗(yàn)，交聯(lián)程度越大，高分子材料的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，分子間作用力越強(qiáng)，抵御外部力的能力越強(qiáng)，發(fā)生形變越小，因此在電線電纜檢測中熱延伸試驗(yàn)是表征交聯(lián)聚乙烯絕緣材料交聯(lián)程度的重要指標(biāo)[2]，其檢測數(shù)據(jù)對企業(yè)的生產(chǎn)工藝和配方有直接影響。由于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定交聯(lián)聚乙烯絕緣材料的試驗(yàn)溫度范圍為（200±3）℃，樣品厚度范圍為（0.8~2.0）mm，且未明確內(nèi)層取樣部位的具體位置，不同的檢測機(jī)構(gòu)不同的檢測人員雖然都按照標(biāo)準(zhǔn)對電纜熱延伸性能進(jìn)行檢測，但由于厚度、溫度和取樣部位的不同，會造成測試結(jié)果之間存在差異。因此，開展標(biāo)準(zhǔn)條件下交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜產(chǎn)品熱延伸性能影響因素的測試研究具有十分重要的意義。

本文根據(jù)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2951.21-2008/IEC 60811-2-1:2001和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12706.2-2020，以交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜產(chǎn)品為試樣，研究標(biāo)準(zhǔn)條件范圍內(nèi)取樣部位、試樣厚度和試驗(yàn)溫度對其熱延伸性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣與儀器設(shè)備

試樣為一段型號規(guī)格YJV 8.7/15kV 1×400的交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套電力電纜（如圖1）。試驗(yàn)所需儀器設(shè)備為熱延伸試驗(yàn)箱和鋼直尺。

圖1 試樣結(jié)構(gòu)

1.2 測試步驟

1.2.1 制備試樣

從每一被測試樣上切取兩個樣段，除去所有凸脊和半導(dǎo)電層后從絕緣內(nèi)層制取啞鈴片（如圖2），使試片厚度不小于0.8mm不大于2.0mm。在每個啞鈴試件中部標(biāo)上20mm標(biāo)志線并測量截面積。

圖2 啞鈴片尺寸（尺寸單位為毫米）

1.2.2 懸掛試樣

將烘箱溫度設(shè)置為（200±3）℃，試件應(yīng)懸掛在烘箱中，下夾頭加重物使機(jī)械應(yīng)力為20N/cm2。懸掛過程應(yīng)盡可能快以使烘箱開門時間最短[3]。

1.2.3 測試載荷下伸長率

烘箱溫度在5min內(nèi)回升到規(guī)定溫度（200±3）℃，試件在烘箱中再保持10min后（共計15min），測量標(biāo)記線間距離并計算載荷下伸長率。

1.2.4 解除載荷冷卻測試永久伸長率

然后從試件上解除拉力（在下夾頭處把試件剪斷），并將試件留在烘箱中恢復(fù)5min。然后從烘箱中取出試件，慢慢冷卻至室溫，再次測量標(biāo)記線間的距離并計算永久伸長率[4]。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

為研究標(biāo)準(zhǔn)條件下熱延伸測試結(jié)果的離散型和試樣熱延伸性能的變化規(guī)律，采用控制變量法在標(biāo)準(zhǔn)條件范圍內(nèi)測試不同取樣部位、試樣厚度和試驗(yàn)溫度對其熱延伸性能的影響，實(shí)驗(yàn)方案如下：

1.3.1 取樣部位

本實(shí)驗(yàn)定義絕緣內(nèi)層為靠近導(dǎo)體屏蔽層的二分之一絕緣層BD，方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2951.21-2008/IEC 60811-2-1:2001未明確規(guī)定取樣部位絕緣內(nèi)層的具體位置，故本實(shí)驗(yàn)選取在不同取樣部位BC和CD同一厚度的試樣在同一溫度下進(jìn)行熱延伸試驗(yàn)[5]，如圖3所示。

圖3 取樣部位

1.3.2 試樣厚度

方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2951.21-2008/IEC 60811-2-1:2001規(guī)定試樣的厚度范圍為（0.8~2.0）mm，故本實(shí)驗(yàn)選取以C點(diǎn)為中心點(diǎn)制取的不同厚度為0.8mm、1.2mm、1.6mm和2.0mm的試樣在同一溫度下進(jìn)行熱延伸試驗(yàn)。

1.3.3 試驗(yàn)溫度

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12706.2-2020規(guī)定，交聯(lián)聚乙烯絕緣熱延伸試驗(yàn)溫度為（200±3）℃，故本實(shí)驗(yàn)選取同一厚度同一取樣部位試樣在197℃、200℃、203℃溫度下進(jìn)行熱延伸試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 取樣部位對熱延伸的影響

表1為同一厚度不同取樣部位的試樣在相同溫度下交聯(lián)聚乙烯絕緣熱延伸測試值。由表1和圖4可以看出，當(dāng)厚度和試驗(yàn)溫度一定時，BC段試樣載荷下伸長率顯著小于CD段試樣載荷下伸長率，取樣部位越靠近導(dǎo)體，熱延伸性能越差，冷卻后最大永久伸長率不隨取樣部位變化而顯著變化。由于中高壓電纜一般采用過氧化物交聯(lián)方式進(jìn)行交聯(lián)聚乙烯絕緣的交聯(lián)，運(yùn)用懸鏈?zhǔn)剑–CV）或立式（VCV）生產(chǎn)設(shè)備，將混入過氧化物交聯(lián)劑和氧化劑的PE電纜放入充滿高溫惰性氣體的密封罐內(nèi)加熱，此時內(nèi)外層絕緣的加熱溫度不同，過氧化物交聯(lián)劑的分解程度就會不同，導(dǎo)致內(nèi)外層的交聯(lián)度不均，最終反映在熱延伸載荷下伸長率不同[6]。外層絕緣加熱溫度高于內(nèi)層絕緣，交聯(lián)程度大，熱延伸性能更優(yōu)，載荷下伸長率更小。

圖4 不同取樣部位熱延伸值散點(diǎn)圖

表1 不同取樣部位熱延伸測試值

2.2 試樣厚度對熱延伸的影響

表2為以C點(diǎn)為中心點(diǎn)制取的不同厚度為0.8mm、1.2mm、1.6mm和2.0mm的試樣在相同溫度下交聯(lián)聚乙烯絕緣熱延伸測試值。熱延伸值是反應(yīng)交聯(lián)聚乙烯絕緣交聯(lián)程度的試驗(yàn)指標(biāo)，交聯(lián)程度不會隨厚度變化發(fā)生較大改變，如表2和圖5所示，當(dāng)取樣部位和試驗(yàn)溫度一定時，載荷下伸長率和冷卻后最大永久伸長率不隨厚度變化而顯著變化[7]。

圖5 不同試樣厚度熱延伸值散點(diǎn)圖

表2 不同試樣厚度熱延伸測試值

2.3 試驗(yàn)溫度對熱延伸的影響

表3為同一厚度同一取樣部位的試樣在不同溫度下交聯(lián)聚乙烯絕緣熱延伸測試值。由表3和圖6可以看出，當(dāng)厚度和取樣部位一定時，載荷下最大伸長率和冷卻后最大永久伸長率均不隨溫度變化而顯著變化。熱延伸試驗(yàn)溫度為（200±3）℃，此時交聯(lián)聚乙烯絕緣材料處于橡膠態(tài)，在此溫度偏差范圍內(nèi)，模量隨溫度變化很小，因此負(fù)載下的形變并不會有顯著差異[8]。

表3 不同試驗(yàn)溫度下熱延伸測試值

圖6 不同試驗(yàn)溫度下熱延伸值散點(diǎn)圖

3 結(jié)論

①在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，當(dāng)厚度和試驗(yàn)溫度一定時，取樣部位越靠近導(dǎo)體，熱延伸性能越差，冷卻后最大永久伸長率不隨取樣部位變化而顯著變化。

②在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，當(dāng)取樣部位和試驗(yàn)溫度一定時，載荷下伸長率和冷卻后最大永久伸長率不隨厚度變化而顯著變化。

③在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，當(dāng)厚度和取樣部位一定時，載荷下最大伸長率和冷卻后最大永久伸長率均不隨溫度變化而顯著變化。