额定电压450/750V及以下交联聚烯烃绝缘电线和电缆老化后绝缘的机械性能检测

额定电压450/750V及以下交联聚烯烃绝缘电线和电缆老化后绝缘机械性能检测技术研究

交联聚烯烃绝缘材料因其优异的电气性能、耐热性及机械强度，广泛应用于额定电压450/750V及以下的电线电缆产品中。然而，材料在长期使用过程中受热、氧、光等环境因素作用会发生老化，导致其机械性能劣化，直接影响电缆的使用安全与寿命。因此，系统化检测老化后绝缘的机械性能是评估产品可靠性、保障输电安全的关键环节。

1. 检测项目：方法及原理

老化后绝缘机械性能检测的核心在于模拟长期使用条件，评估材料在应力作用下的耐受能力。主要检测项目包括老化后抗张强度与断裂伸长率的测定，以及相关的热老化试验。

• 1.1 热老化试验

  • 原理：将绝缘试样置于规定温度、通风条件和时间的空气烘箱中，加速材料的老化过程。此过程模拟长期热效应，使聚合物分子链发生氧化、断链或交联，导致机械性能变化。

  • 方法：根据产品标准要求，将制备好的哑铃片或管状试样悬挂在老化箱内，确保空气自由循环。老化条件（温度、时间）需严格按标准规定执行。老化结束后，试样在标准环境条件下调节至少16小时，再进行机械性能测试。

• 1.2 抗张强度与断裂伸长率测定

  • 原理：抗张强度是试样在拉伸至断裂过程中承受的最大应力，反映材料的韧性强度；断裂伸长率是试样断裂时标距长度的增量与原始标距的百分比，反映材料的柔韧性和延展性。老化后这些指标的变化率直接表征材料的耐热老化能力。

  • 方法：

    • 制样：从老化前、后的绝缘层上分别制备至少5个哑铃试片（或管状试样）。

    • 测试：使用拉力试验机，将试样夹持在规定间距的夹具中。以恒定的速度（通常为250±50 mm/min）进行拉伸，直至试样断裂。试验过程中自动记录最大拉力和断裂时的伸长量。

    • 计算：

      • 抗张强度 = 最大拉力 / 试样原始截面积（MPa）。

      • 断裂伸长率 = （断裂时标距 - 原始标距）/ 原始标距 × 100%。

      • 老化变化率：计算老化后性能值相对于老化前性能值的百分比变化，是评判合格与否的关键。

• 1.3 热延伸试验（针对交联聚乙烯XLPE等材料）

  • 原理：评估交联材料在热和负荷作用下的塑性变形和永久变形，直接反映材料的交联度。交联度不足会导致热延伸率过大及冷却后永久变形过大。

  • 方法：将带有标距的试样悬挂在预热至规定温度（如200±3°C）的烘箱中，下端施加规定重量（通常为20 N/cm²）。15分钟后，测量标记间的伸长率（热延伸率）。移除负荷，使试样在烘箱内恢复5分钟，冷却后测量永久变形。

2. 检测范围：应用领域与检测需求

该检测适用于所有使用交联聚烯烃（如交联聚乙烯XLPE、交联聚烯烃XLPO）作为绝缘材料的450/750V及以下电线电缆，主要应用领域及检测需求包括：

• 建筑布线：用于固定敷设的聚氯乙烯护套电缆（如BV线）、阻燃电缆等。需重点关注长期运行（如70°C、90°C）下绝缘的耐热老化性能，确保数十年使用寿命内的机械完整性。

• 电器内部配线：家用电器、仪器仪表内部的连接线。需适应可能存在的局部高温环境，检测其在短时或长期热暴露后的机械性能保持率。

• 控制与信号电缆：用于控制系统、信号传输的电缆。老化后机械性能的稳定性直接影响信号传输的可靠性，尤其是需要频繁移动或弯曲的场合。

• 车辆及船舶用线缆：环境温度波动大，可能接触油污、臭氧。检测需包含热老化，有时还需结合特殊环境（如耐油、耐臭氧）老化后的机械性能测试。

• 新能源领域：如光伏电缆、充电桩电缆。除了常规热老化，还需关注经过长期户外紫外线、湿热等气候老化后绝缘机械性能的衰减情况。

3. 检测标准：国内外规范

检测工作严格遵循国内外权威标准，确保结果的可比性与公信力。

• 国际标准：

  • IEC 60811系列：电工绝缘和护套材料通用试验方法。其中IEC 60811-501详细规定了机械性能试验方法，IEC 60811-502规定了热老化试验方法。

  • IEC 60227系列、IEC 60245系列：针对额定电压450/750V及以下的聚氯乙烯和橡胶绝缘电缆，其中包含对绝缘机械性能的要求，其试验方法多引用IEC 60811。

• 中国国家标准（GB/T）：

  • GB/T 2951.11-2008 / GB/T 2951.12-2008：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；第12部分：通用试验方法—热老化试验方法。这两个标准等同采用IEC 60811相应部分，是国内检测的核心依据。

  • GB/T 5023系列、GB/T 5013系列：额定电压450/750V及以下聚氯乙烯/橡胶绝缘电缆标准，其中明确规定了绝缘老化前后的抗张强度与断裂伸长率的指标要求及试验方法。

• 判定准则：通常要求老化后（如135°C、7天或根据产品标准规定）的抗张强度变化率不超过±25%，断裂伸长率变化率不超过±25%，且老化后断裂伸长率最小值不应低于规定值（如100%）。热延伸试验要求负载下伸长率≤175%，冷却后永久变形≤25%。

4. 检测仪器：主要设备及功能

一套完整的检测体系依赖于高精度的专用仪器。

• 4.1 热老化试验箱

  • 功能：提供均匀、稳定、可控的高温环境，并确保箱内空气强制循环更新，以加速材料老化进程。

  • 关键要求：温度控制精度高（通常±1°C至±3°C），温度均匀性好，配有连续鼓风装置和试样旋转架（可选），具有超温保护功能。

• 4.2 电子拉力试验机

  • 功能：用于测量绝缘材料的抗张强度、断裂伸长率及热延伸试验中的伸长量。

  • 关键要求：具有宽广、可调的试验速度范围（如1-500 mm/min）；高精度力值传感器和位移测量系统；配备适用于哑铃片、管状试样的专用夹具；软件能自动计算并输出强度、伸长率、变化率等结果。

• 4.3 测厚仪

  • 功能：精确测量哑铃试片狭窄平行部分的厚度或绝缘层平均厚度，用于计算截面积，是计算抗张强度的基础。

  • 关键要求：分辨率至少达到0.01 mm，测量压力符合标准规定（如GB/T 2951.11），有点接触式和扇形面接触式等多种测头以适应不同试样。

• 4.4 哑铃试片裁刀（冲片机）

  • 功能：从绝缘片或管状绝缘上冲裁出标准尺寸的哑铃状试样。

  • 关键要求：刀刃锋利，尺寸严格符合标准（如GB/T 528中1型或2型哑铃刀），确保试样边缘光滑无缺陷，避免测试时产生应力集中。

• 4.5 热延伸试验装置

  • 功能：通常作为拉力试验机或独立装置的附件，包括可放入老化箱的砝码、试样架和测量标尺。

  • 关键要求：砝码重量精确，标尺便于在高温环境下读数，或配备高温可视窗及外部测量系统。

通过以上系统的检测项目、严格的标准依据和精密的仪器配置，可以对额定电压450/750V及以下交联聚烯烃绝缘电线电缆的老化后机械性能进行全面、准确的评估，为产品质量控制、寿命预测及安全应用提供不可或缺的技术支撑。