額定電壓1kV(Um=1.2kV)和3kV(Um=3.6kV)電力電纜低溫試驗檢測技術(shù)

一、檢測原理
低溫試驗旨在評估電纜及其組成材料在預(yù)定低溫環(huán)境下的物理與電氣性能，其核心科學(xué)依據(jù)是高分子材料的玻璃化轉(zhuǎn)變及低溫脆性。當(dāng)環(huán)境溫度低于聚合物（如聚氯乙烯、聚乙烯、交聯(lián)聚乙烯、乙丙橡膠等）的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，分子鏈段運動被凍結(jié)，材料從高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)，表現(xiàn)為硬度增加、柔韌性下降、延展性喪失。在此狀態(tài)下，材料內(nèi)部微觀缺陷易發(fā)展為宏觀裂紋，導(dǎo)致絕緣和護套在機械應(yīng)力（如彎曲、沖擊、拉伸）下發(fā)生脆性斷裂。電氣性能方面，低溫可能引起絕緣和半導(dǎo)體屏蔽層收縮，產(chǎn)生氣隙或與導(dǎo)體剝離，導(dǎo)致局部放電起始電壓降低或電場分布畸變。低溫試驗通過模擬嚴(yán)寒氣候或特殊低溫工況，驗證電纜在貯存、運輸、敷設(shè)及運行初期承受低溫條件的能力，確保其結(jié)構(gòu)完整性和功能可靠性。

二、檢測項目
低溫試驗檢測項目系統(tǒng)分為以下幾類：

1. 低溫彎曲試驗：考核絕緣和護套在低溫下抵抗彎曲開裂的能力。將試樣在特定低溫下放置規(guī)定時間后，繞規(guī)定直徑的試驗棒彎曲，檢查表面是否開裂。

2. 低溫拉伸試驗：評估電纜護套及絕緣材料在低溫下的延展性能。測定試樣在低溫環(huán)境中拉伸至斷裂時的伸長率，與常溫下的伸長率進行比較，判斷其韌性保持率。

3. 低溫沖擊試驗：檢驗電纜外護套在低溫下承受動態(tài)沖擊載荷的能力。將試樣在低溫下調(diào)節(jié)后，用特定重量的落錘沖擊，觀察試樣是否產(chǎn)生裂紋。

4. 低溫卷繞試驗：主要用于評估小截面電纜絕緣線芯的低溫性能。將導(dǎo)體在低溫下緊密卷繞在規(guī)定直徑的試棒上，檢查絕緣層是否開裂。

5. 冷沖擊試驗（熱收縮試驗的低溫關(guān)聯(lián)項目）：對于有熱收縮要求的電纜（如采用交聯(lián)聚烯烴材料），有時需驗證其在低溫驟變下的穩(wěn)定性。

6. 低溫下局部放電試驗：在低溫環(huán)境下，對電纜施加電壓并測量其局部放電量，評估低溫對電纜絕緣中電場分布的影響及潛在放電風(fēng)險。

7. 低溫條件下的電容和介質(zhì)損耗因數(shù)測量：研究低溫對電纜絕緣材料介電性能的影響。

三、檢測范圍
低溫試驗覆蓋的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，主要依據(jù)電纜可能遭遇的低環(huán)境溫度或運行工況設(shè)定試驗條件：

• 電力行業(yè)：用于嚴(yán)寒地區(qū)（如高海拔、高緯度）的配電網(wǎng)絡(luò)、變電站內(nèi)的連接電纜、風(fēng)力發(fā)電機組塔筒內(nèi)及機艙中的電纜（常需承受-40℃乃至更低的極端低溫）。

• 軌道交通：高鐵、地鐵、機車車輛用電纜，特別是車頂高壓電纜、車廂間連接電纜，需滿足-50℃至-40℃的低溫運行與敷設(shè)要求。

• 石油化工與海洋工程：海上鉆井平臺、FPSO、液化天然氣（LNG）模塊及極地科考站等場所，電纜需在-60℃至-30℃的嚴(yán)酷低溫下保持功能。

• 航空航天：機艙內(nèi)部布線、航電系統(tǒng)連接線，試驗溫度可低至-65℃。

• 軍工裝備：用于寒區(qū)或高空作戰(zhàn)的武器裝備配套電纜。

• 工業(yè)自動化：寒冷地區(qū)露天布置的自動化設(shè)備、機器人管線包用電纜。

四、檢測標(biāo)準(zhǔn)
國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對低溫試驗的要求存在差異，主要體現(xiàn)在試驗溫度、保持時間、試驗方法及評判準(zhǔn)則上。

• 標(biāo)準(zhǔn)

  • IEC 60502-1：適用于額定電壓1kV(Um=1.2kV)至30kV的擠包絕緣電纜。規(guī)定了電纜段和絕緣芯線的低溫彎曲試驗和低溫拉伸試驗，試驗溫度通常為-15℃。

  • IEC 60754（針對材料）：對電纜材料燃燒時釋出氣體的試驗方法中包含低溫性能的考量。

  • EN 50396：用于1kV及以下無鎧裝電力電纜的試驗方法，包含了低溫彎曲試驗。

  • UL 44（美國）：對于橡膠絕緣電纜，規(guī)定了詳細的低溫彎曲試驗。

• 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

  • GB/T 12706.1（等效采用IEC 60502-1）：對1kV至3kV電纜的低溫試驗要求與IEC基本一致，但可能根據(jù)中國地理氣候特點，在某些特定產(chǎn)品規(guī)范中提出更嚴(yán)苛的溫度要求。

  • GB/T 2951.14：電纜絕緣和護套材料通用試驗方法，第14部分詳細規(guī)定了低溫試驗方法，包括拉伸、彎曲、沖擊等。

  • GB/T 19666：阻燃和耐火電纜通則，其中對部分類別電纜的低溫性能有附加要求。

  • 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：如JB/T、TB/T（機械、鐵道行業(yè)）等，針對特定應(yīng)用領(lǐng)域（如軌道交通）的電纜，常規(guī)定更低的試驗溫度（如-40℃或-50℃）和更嚴(yán)格的評判標(biāo)準(zhǔn)。

• 對比分析

  • 嚴(yán)格程度：一般而言，針對特定應(yīng)用領(lǐng)域（如軌道交通、船舶、軍工）的專用電纜標(biāo)準(zhǔn)，其低溫試驗要求比通用標(biāo)準(zhǔn)（如IEC 60502-1, GB/T 12706.1）更為嚴(yán)格，試驗溫度更低，考核項目更多。

  • 試驗參數(shù)：不同標(biāo)準(zhǔn)對試驗溫度、試樣調(diào)節(jié)時間、彎曲/拉伸速度、試驗棒直徑等具體參數(shù)的規(guī)定存在差異。例如，軌道交通標(biāo)準(zhǔn)常要求-40℃低溫沖擊，而通用電力電纜標(biāo)準(zhǔn)可能僅要求-15℃低溫彎曲。

  • 協(xié)調(diào)性：國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)正逐步與標(biāo)準(zhǔn)（IEC）接軌，但在涉及安全、特定產(chǎn)業(yè)需求的領(lǐng)域，保留了更具針對性的技術(shù)要求。

五、檢測方法

1. 試樣制備：從成品電纜上截取規(guī)定長度的樣品，必要時制備成標(biāo)準(zhǔn)啞鈴片或管狀試樣。

2. 預(yù)處理：將試樣置于規(guī)定溫度的低溫箱中，確保試樣充分達到溫度平衡。調(diào)節(jié)時間取決于電纜結(jié)構(gòu)、材料厚度及低溫箱性能，通常為數(shù)小時。

3. 試驗執(zhí)行：

   • 彎曲試驗：在低溫箱內(nèi)或迅速取出后規(guī)定時間內(nèi)，將試樣繞規(guī)定直徑的試驗棒彎曲180度。試驗棒直徑與電纜標(biāo)稱直徑成倍數(shù)關(guān)系。

   • 拉伸試驗：在低溫環(huán)境中，使用萬能材料試驗機以規(guī)定速度拉伸試樣至斷裂，記錄斷裂伸長率。

   • 沖擊試驗：將試樣置于低溫沖擊試驗機的砧座上，使用預(yù)冷的落錘在規(guī)定高度自由落下沖擊試樣。

4. 操作要點：

   • 溫度控制：低溫箱溫度均勻性、穩(wěn)定性至關(guān)重要，需定期校準(zhǔn)。

   • 時間控制：從低溫箱取出到完成試驗的操作時間應(yīng)盡可能短，防止試樣回溫。

   • 轉(zhuǎn)移裝置：對于不能在低溫箱內(nèi)進行的試驗，需使用預(yù)冷的轉(zhuǎn)移夾具或通道，大限度減少熱量交換。

   • 目視檢查：試驗后立即用正常視力或放大鏡（規(guī)定倍數(shù)）檢查試樣表面有無裂紋。彎曲試驗后有時需進行電壓試驗以驗證絕緣完整性。

六、檢測儀器

1. 高低溫交變試驗箱：核心設(shè)備，需提供穩(wěn)定的低溫環(huán)境（可達-70℃或更低），具備良好的溫度均勻性和波動度。內(nèi)腔尺寸需容納待測電纜樣品及必要的試驗裝置。

2. 低溫彎曲試驗機：可集成于低溫箱內(nèi)或作為獨立設(shè)備，包含一組不同直徑的試驗棒和驅(qū)動機構(gòu)，實現(xiàn)樣品的精確彎曲。

3. 萬能材料試驗機（帶高低溫環(huán)境箱）：用于低溫拉伸試驗，需配備耐低溫的夾持具和引伸計，并能準(zhǔn)確控制拉伸速度。

4. 低溫沖擊試驗機：包括落錘系統(tǒng)、砧座和低溫環(huán)境箱或試樣冷卻裝置，落錘重量和沖擊能量需可調(diào)。

5. 局部放電檢測系統(tǒng)：需與低溫環(huán)境兼容或能通過特殊引線將信號引出，包括耦合電容器、檢測阻抗和局放分析儀。

6. 介質(zhì)損耗測試儀/電容電橋：用于低溫下的介電性能測量。

   • 技術(shù)特點：現(xiàn)代檢測儀器趨向于自動化、數(shù)字化，具備程序控溫、數(shù)據(jù)自動采集、遠程監(jiān)控等功能。低溫箱通常采用復(fù)疊式制冷或液氮輔助制冷以實現(xiàn)超低溫。試驗機需采用耐低溫材料制造運動部件，并確保在低溫下測量系統(tǒng)的精度。

七、結(jié)果分析

1. 定性分析：

   • 目視檢查：試驗后試樣表面（特別是彎曲或沖擊部位）無任何可見裂紋為通過。裂紋的形態(tài)（微細裂紋、深裂紋、完全斷裂）需詳細記錄。

   • 電壓試驗：低溫彎曲試驗后，對絕緣線芯施加規(guī)定電壓（如交流3.5kV或直流8.4kV，持續(xù)5分鐘）不擊穿為通過。

2. 定量分析：

   • 斷裂伸長率：計算低溫斷裂伸長率與常溫斷裂伸長率的比值（保持率）。通常要求低溫斷裂伸長率不低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值（如20%）或其相對于常溫值的保持率不低于某百分比（如50%）。

   • 局部放電量：測量值應(yīng)不大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的視在放電量閾值（如10 pC或5 pC）。

   • 介質(zhì)損耗因數(shù)：在低溫下測量值應(yīng)在可接受范圍內(nèi)，并與常溫值比較無明顯劣化。

3. 評判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 嚴(yán)格依據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)：終判定以產(chǎn)品執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的低溫試驗項目和驗收準(zhǔn)則為準(zhǔn)。

   • 綜合判定：單一試驗項目不合格即判定該批次電纜低溫性能不達標(biāo)。對于關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，即使單項通過，若數(shù)據(jù)接近臨界值，也需進行風(fēng)險評估。

   • 失效分析：若試驗失敗，需進行深入分析，包括材料成分分析（DSC測定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）、斷面電鏡觀察等，以確定失效根本原因，是材料選型不當(dāng)、配方問題還是制造工藝缺陷。