额定电压35kV(Um=40.5kV)铝合金芯挤包绝缘电力电缆老化后绝缘的机械性能检测

额定电压35kV (Um=40.5kV) 铝合金芯挤包绝缘电力电缆老化后绝缘机械性能检测技术

引言
额定电压35kV铝合金芯挤包绝缘电力电缆广泛应用于城市电网、工业园区及新能源发电等输配电系统。电缆在长期运行过程中，其绝缘材料会因电、热、机械及环境应力作用而发生老化，导致机械性能劣化，进而影响电缆的使用寿命与运行安全。因此，对电缆绝缘，特别是经过模拟长期老化的绝缘样品进行机械性能检测，是评估其材料耐久性与可靠性的关键环节。

1. 检测项目：方法与原理
老化后绝缘机械性能检测主要围绕抗张强度和断裂伸长率两大核心指标展开，通常在经过热老化试验后进行。

1.1 热老化试验

• 原理：通过将绝缘试片置于高于其额定工作温度的环境中持续暴露一定时间，模拟电缆在长期运行中因导体发热导致的绝缘热老化过程。此过程会加速聚合物链的氧化、交联或降解，从而使其机械性能发生变化。

• 方法：从成品电缆上剥取绝缘薄试片，悬挂于符合标准要求的热老化箱内。根据标准规定（如GB/T 2951.12），老化温度通常设定为（135±2）℃，老化时间通常为7 x 24 h。老化结束后，试片应在环境温度下静置16h以上，再进行机械性能测试。

1.2 机械性能测试

• 1.2.1 抗张强度测试

  • 原理：抗张强度是指试样在拉伸试验过程中，拉断时所承受的大拉伸应力。它反映了材料抵抗拉伸破坏的能力。老化后的抗张强度变化率是衡量材料耐热老化能力的重要参数。

  • 方法：将老化后的绝缘试片冲裁或切割成哑铃状试件（如1型或2型哑铃片）。在拉力试验机上，以恒定的夹头分离速度（通常为250 mm/min ± 50 mm/min）拉伸试件直至断裂。记录过程中的大拉力值，并通过试件原始截面积计算抗张强度。

• 1.2.2 断裂伸长率测试

  • 原理：断裂伸长率是指试样在拉断时，标线间的伸长量与原始标距的百分比。它表征了材料在断裂前的塑性变形能力，是材料韧性的重要指标。老化后断裂伸长率的保留率对于评估电缆在安装、运行中承受弯曲、挤压等形变的能力至关重要。

  • 方法：在拉伸试件前，在其工作段内标记初始标距（例如20mm）。在拉力试验机拉伸过程中，测量试件断裂时标距间的终长度，计算断裂伸长率。

1.3 热延伸试验

• 原理：该试验主要用于评估交联聚乙烯（XLPE）等交联绝缘材料的交联度。在特定温度和载荷下，测量试样的伸长率及冷却后的永久变形。交联度不足会导致热延伸率过大和永久变形过高，表明材料耐热变形能力差。

• 方法：制备特定尺寸的试条，在（200±3）℃的烘箱中，承受20N/cm²的负重，15分钟后测量其伸长率（热延伸率）。移除负重后，让试片在烘箱内冷却恢复5分钟，再测量其永久变形。

2. 检测范围与应用领域
对35kV铝合金芯电缆老化后绝缘机械性能的检测需求覆盖以下关键领域：

• 城市配电网：确保埋地或隧道敷设电缆在长期负荷循环下绝缘性能稳定，防止因机械性能劣化导致绝缘破损。

• 大型工业设施：评估电缆在工厂内部高温、可能存在化学腐蚀等严苛环境下的长期服役可靠性。

• 可再生能源电站：如风电场和光伏电站，检测电缆在频繁温度变化、振动等动态应力下绝缘的老化耐受性。

• 轨道交通供电系统：验证用于地铁、铁路等牵引供电的电缆，其绝缘在振动、热累积等复合应力下的机械寿命。

• 新产品开发与型式试验：电缆制造商和材料供应商用于验证新配方、新工艺生产的绝缘材料是否符合长期使用寿命要求。

3. 检测标准与规范
检测活动严格遵循国内外标准，确保结果的性和可比性。

• 标准（GB/T）：

  • GB/T 12706.4-2020：规定了挤包绝缘电力电缆附件的试验要求，其引用的机械性能试验方法见GB/T 2951系列。

  • GB/T 2951.11-2008/IEC 60811-1-1:2001：电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法 第11部分：通用试验方法—厚度和外形尺寸测量—机械性能试验。

  • GB/T 2951.12-2008/IEC 60811-1-2:1985：电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法 第12部分：通用试验方法—热老化试验方法。

  • GB/T 2951.21-2008/IEC 60811-2-1:2001：电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法 第21部分：弹性体混合料专用试验方法—耐臭氧试验—热延伸试验—浸矿物油试验。

• 电工委员会标准（IEC）：

  • IEC 60502-2:2014：额定电压1kV(Um=1.2kV)到30kV(Um=36kV)的挤包绝缘电力电缆及其附件 第2部分：额定电压6kV(Um=7.2kV)到30kV(Um=36kV)的电缆。其对电缆的型式试验要求包含了绝缘机械性能测试。

  • IEC 60811系列标准：与GB/T 2951系列标准内容基本对应。

• 性能要求：以交联聚乙烯（XLPE）绝缘为例，标准通常要求老化后（135℃, 168h）的抗张强度变化率绝对值不超过±25%，断裂伸长率变化率绝对值不超过±25%，且老化后断裂伸长率小值应不低于175%。热延伸试验要求：载荷下伸长率≤175%，冷却后永久变形≤15%。

4. 检测仪器与设备
4.1 热老化箱

• 功能：提供可控的、均匀的高温环境，用于加速电缆绝缘材料的热老化过程。必须具备强制空气循环系统，确保箱内温度均匀性（温差通常≤±2℃），并具备超温保护功能。

4.2 电子拉力试验机

• 功能：用于进行抗张强度与断裂伸长率的测量。该设备应能实现恒速拉伸，配备高精度力值传感器和位移测量系统（如光学编码器或引伸计）。软件系统能自动采集数据，并计算抗张强度、断裂伸长率等结果。夹具需能有效夹持哑铃试片而不产生滑移或过早断裂。

4.3 热延伸试验装置

• 功能：一套集成设备，通常包括：

  • 高温烘箱：能维持（200±3）℃的恒温环境。

  • 加载架：置于烘箱内，用于悬挂试条并施加精确的负重。

  • 标尺测量系统：用于精确测量试条在加载前、加载后及冷却后的长度变化。

4.4 哑铃刀（冲片机）与测厚仪

• 功能：哑铃刀用于从绝缘薄片上精确冲裁出标准尺寸的哑铃状试件。测厚仪（通常为千分尺）用于精确测量试件标距内的厚度，该数据是计算截面积和抗张强度的关键输入。

结论
对额定电压35kV铝合金芯挤包绝缘电力电缆进行老化后绝缘机械性能的检测，是综合评价其长期运行可靠性的核心手段。通过严格遵循标准化的热老化流程，并利用精密的拉力试验机等设备测量其抗张强度、断裂伸长率及热延伸等关键参数，可以科学地预测电缆绝缘材料在长期服役条件下的性能演变趋势，为电缆的选型、质量控制和安全运行维护提供至关重要的数据支持。