標準條件下電纜交聯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

（成都產品質量檢驗研究院有限責任公司，成都 610100）

0 引言

交聯聚乙烯因其良好的耐熱性、機械性能和電氣性能被廣泛應用在電纜的絕緣材料上[1]。熱延伸試驗是在恒定載荷恒定溫度下衡量高分子材料形變量的試驗，交聯程度越大，高分子材料的三維網狀結構越穩定，分子間作用力越強，抵御外部力的能力越強，發生形變越小，因此在電線電纜檢測中熱延伸試驗是表征交聯聚乙烯絕緣材料交聯程度的重要指標[2]，其檢測數據對企業的生產工藝和配方有直接影響。由于標準規定交聯聚乙烯絕緣材料的試驗溫度范圍為（200±3）℃，樣品厚度范圍為（0.8~2.0）mm，且未明確內層取樣部位的具體位置，不同的檢測機構不同的檢測人員雖然都按照標準對電纜熱延伸性能進行檢測，但由于厚度、溫度和取樣部位的不同，會造成測試結果之間存在差異。因此，開展標準條件下交聯聚乙烯絕緣電纜產品熱延伸性能影響因素的測試研究具有十分重要的意義。

本文根據方法標準GB/T 2951.21-2008/IEC 60811-2-1:2001和產品標準GB/T 12706.2-2020，以交聯聚乙烯絕緣電纜產品為試樣，研究標準條件范圍內取樣部位、試樣厚度和試驗溫度對其熱延伸性能的影響規律。

1 試驗

1.1 試樣與儀器設備

試樣為一段型號規格YJV 8.7/15kV 1×400的交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套電力電纜（如圖1）。試驗所需儀器設備為熱延伸試驗箱和鋼直尺。

圖1 試樣結構

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電層后從絕緣內層制取啞鈴片（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上20mm標志線并測量截面積。

圖2 啞鈴片尺寸（尺寸單位為毫米）

1.2.2 懸掛試樣

將烘箱溫度設置為（200±3）℃，試件應懸掛在烘箱中，下夾頭加重物使機械應力為20N/cm2。懸掛過程應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內回升到規定溫度（200±3）℃，試件在烘箱中再保持10min后（共計15min），測量標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5min。然后從烘箱中取出試件，慢慢冷卻至室溫，再次測量標記線間的距離并計算永久伸長率[4]。

1.3 實驗方案

為研究標準條件下熱延伸測試結果的離散型和試樣熱延伸性能的變化規律，采用控制變量法在標準條件范圍內測試不同取樣部位、試樣厚度和試驗溫度對其熱延伸性能的影響，實驗方案如下：

1.3.1 取樣部位

本實驗定義絕緣內層為靠近導體屏蔽層的二分之一絕緣層BD，方法標準GB/T 2951.21-2008/IEC 60811-2-1:2001未明確規定取樣部位絕緣內層的具體位置，故本實驗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行熱延伸試驗[5]，如圖3所示。

圖3 取樣部位

1.3.2 試樣厚度

方法標準GB/T 2951.21-2008/IEC 60811-2-1:2001規定試樣的厚度范圍為（0.8~2.0）mm，故本實驗選取以C點為中心點制取的不同厚度為0.8mm、1.2mm、1.6mm和2.0mm的試樣在同一溫度下進行熱延伸試驗。

1.3.3 試驗溫度

產品標準GB/T 12706.2-2020規定，交聯聚乙烯絕緣熱延伸試驗溫度為（200±3）℃，故本實驗選取同一厚度同一取樣部位試樣在197℃、200℃、203℃溫度下進行熱延伸試驗。

2 實驗結果與分析

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聚乙烯絕緣熱延伸測試值。由表1和圖4可以看出，當厚度和試驗溫度一定時，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方式進行交聯聚乙烯絕緣的交聯，運用懸鏈式（CCV）或立式（VCV）生產設備，將混入過氧化物交聯劑和氧化劑的PE電纜放入充滿高溫惰性氣體的密封罐內加熱，此時內外層絕緣的加熱溫度不同，過氧化物交聯劑的分解程度就會不同，導致內外層的交聯度不均，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層絕緣，交聯程度大，熱延伸性能更優，載荷下伸長率更小。

圖4 不同取樣部位熱延伸值散點圖

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點為中心點制取的不同厚度為0.8mm、1.2mm、1.6mm和2.0mm的試樣在相同溫度下交聯聚乙烯絕緣熱延伸測試值。熱延伸值是反應交聯聚乙烯絕緣交聯程度的試驗指標，交聯程度不會隨厚度變化發生較大改變，如表2和圖5所示，當取樣部位和試驗溫度一定時，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圖

表2 不同試樣厚度熱延伸測試值

2.3 試驗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聚乙烯絕緣熱延伸測試值。由表3和圖6可以看出，當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。熱延伸試驗溫度為（200±3）℃，此時交聯聚乙烯絕緣材料處于橡膠態，在此溫度偏差范圍內，模量隨溫度變化很小，因此負載下的形變并不會有顯著差異[8]。

表3 不同試驗溫度下熱延伸測試值

圖6 不同試驗溫度下熱延伸值散點圖

3 結論

①在標準規定范圍內，當厚度和試驗溫度一定時，取樣部位越靠近導體，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在標準規定范圍內，當取樣部位和試驗溫度一定時，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在標準規定范圍內，當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。