额定电压1kV(Um=1.2kV)和3kV(Um=3.6kV)铝合金芯挤包绝缘电力电缆老化后护套机械性能检测

检测原理
护套作为电缆抵御外界机械应力、化学腐蚀、环境气候影响的屏障，其机械性能的稳定性直接关系到电缆的长期服役安全。人工加速热老化模拟了长期高温环境对护套材料分子结构的影响。聚合物材料在热和氧的作用下会发生链断裂、交联、氧化等化学变化，导致其宏观机械性能劣化。检测的核心原理在于通过对比老化前后护套材料的关键力学参数变化，评估其抗老化能力与使用寿命。拉伸试验基于材料力学，通过单向拉伸至断裂，测量其抵抗变形和断裂的能力；断裂伸长率则反映了材料在断裂前的塑性变形能力，是衡量其韧性和耐久性的关键指标。热老化后性能的保持率是评判材料配方和工艺稳定性的科学依据。

检测项目
护套机械性能检测分为常态性能检测和老化后性能检测两大类。

1. 常态性能检测：

   • 抗张强度： 试样拉伸至断裂过程中的大应力。

   • 断裂伸长率： 试样断裂时标距的伸长量与原始标距的百分比。

2. 老化后性能检测：

   • 热老化试验： 将护套试样置于规定温度（如100℃±2℃或根据标准）和时间的空气烘箱中，进行加速老化。

   • 老化后抗张强度： 测量热老化后试样的抗张强度。

   • 老化后断裂伸长率： 测量热老化后试样的断裂伸长率。

   • 老化前后性能变化率： 计算老化后与老化前抗张强度和断裂伸长率的百分比变化，是核心评判指标。计算公式为：$\text{变化率} = \frac{{\text{老化后值} - \text{老化前值}}}{{\text{老化前值}}} \times 100\%$

检测范围
此类电缆广泛应用于对机械性能和耐候性有要求的各行业领域，护套性能检测覆盖其全生命周期质量监督。

• 电力系统： 城市电网配电网络、建筑楼宇动力照明系统、变电站站用电缆，要求护套具备良好的抗撕裂和耐日光老化性能。

• 工业领域： 矿山、港口、冶金、石化等环境的供电线路，护套需耐受油污、化学品腐蚀及机械撞击。

• 基础设施： 铁路、公路、机场、隧道等工程的固定敷设电缆，护套需承受土壤压力、微生物侵蚀及长期温差变化。

• 新能源领域： 光伏电站、风电场集电线路，尤其关注护套在户外恶劣气候条件下的长期热氧稳定性与低温韧性。

检测标准
国内外标准对电缆护套机械性能均有严格规定，但具体指标和试验条件存在差异。

• 中国标准：

  • GB/T 12706.1-2020： 对标IEC 60502-1，是1kV和3kV挤包绝缘电缆的标准。对ST1、ST2、ST3、ST6、ST7等不同型号的PVC、PE、LSZH、HDPE护套料的老化条件（温度、时间）、老化前后抗张强度与断裂伸长率的小值及其大变化率均有明确规定。

  • GB/T 9330-2020： 针对塑料绝缘控制电缆，其护套要求与GB/T 12706类似。

• 标准：

  • IEC 60502-1:2021： 作为广泛采纳的基础标准，其技术框架与GB/T 12706.1高度一致，是贸易和技术对接的基准。

  • EN 50502-1:2021： 欧洲标准，基本采纳IEC标准，但可能包含欧洲协调标准（EN）特有的规范性引用和安全要求。

• 标准对比分析：

  • 一致性： 中国标准GB/T 12706.1在技术内容上已与IEC 60502-1全面接轨，核心检测项目、老化试验方法及关键性能指标阈值基本相同。

  • 差异性： 部分标准或行业标准（如UL、CSA、AS/NZS）可能根据本地环境与安全要求，设定不同的老化周期、试验温度或附加测试（如耐油、耐日光）。检测时需依据电缆目标市场的适用标准执行。

检测方法

1. 取样与制样： 从成品电缆上小心剥取护套，用哑铃状裁刀冲裁或按规定机加工制成标准试片（如IEC 60811-501规定的哑铃片）。确保试样无伤痕、气泡、杂质，标距标记清晰无误。

2. 热老化处理：

   • 将制备好的试样悬挂于已校准的热老化烘箱内，试样间保持适当间距以确保空气自由流通。

   • 严格按照适用标准设定老化温度（如PVC护套常用100℃±2℃，PE护套常用115℃±2℃）和时间（通常为7 x 24 h = 168 h）。

   • 老化结束后，取出试样在标准实验室环境（如23℃±2℃，50%±10%RH）下冷却并放置至少16小时，以达到状态调节平衡。

3. 拉伸试验：

   • 将状态调节后的老化及未老化试样分别装夹于电子拉力试验机的上下夹具中，确保试样纵轴与拉力方向一致，且受力均匀。

   • 设定试验机参数：选择适宜的负荷传感器量程，设置恒定的夹头分离速度（如PVC护套常用250 mm/min ± 50 mm/min）。

   • 启动试验，设备自动记录载荷-位移曲线，直至试样断裂。软件自动计算并输出抗张强度、断裂伸长率等结果。

检测仪器

1. 热老化烘箱：

   • 技术特点： 强制空气循环式，确保箱内温度均匀性（如±2℃以内）；具备超温保护、数字PID温控系统；计时准确；内壁及支架由耐腐蚀材料制成。

2. 电子拉力试验机：

   • 技术特点： 由机架、精密滚珠丝杠或伺服电机驱动系统、高精度负荷传感器、伸长跟踪装置（非接触式视频引伸计优于接触式引伸计）及控制软件组成。软件能实时显示曲线、自动计算各项参数、生成检测报告。量程和速度范围需覆盖标准要求。

3. 哑铃状裁刀：

   • 技术特点： 材质为高强度工具钢，刃口锋利、硬度高，能保证冲裁出的试样边缘光滑、无毛刺，尺寸符合标准公差要求。

4. 测厚仪：

   • 技术特点： 用于精确测量试样狭窄平行部位的厚度，是计算抗张强度的关键输入。通常使用分辩率达0.01mm的千分尺或激光测厚仪。

结果分析

1. 数据处理：

   • 计算每组有效试样（通常至少5个）老化前、后的抗张强度中值和断裂伸长率中值。

   • 分别计算抗张强度变化率（ΔTS）和断裂伸长率变化率（ΔE）。

2. 评判标准：

   • 绝对值法： 老化后试样的抗张强度中值和断裂伸长率中值不应低于标准规定的小值（例如，对于某种PVC护套，老化后断裂伸长率小值可能规定为150%）。

   • 变化率法： 老化前后抗张强度变化率（ΔTS）和断裂伸长率变化率（ΔE）的绝对值不应超过标准规定的大允许值（例如，对于PVC护套，ΔTS和ΔE通常要求不超过±25%）。

3. 结果判定与深度分析：

   • 合格判定： 同时满足标准对老化后性能小值和变化率极限的要求，则判定护套机械性能合格。

   • 不合格分析：

     • 若抗张强度显著下降且断裂伸长率急剧降低，表明材料发生主链断裂降解，脆性增加。

     • 若抗张强度上升而断裂伸长率大幅下降，表明材料可能发生了过度交联，导致韧性丧失。

     • 性能不达标通常与护套材料配方不当（如抗氧剂、增塑剂种类或用量不足）、混料不均、挤出工艺（如温度、冷却）控制不佳或原材料质量差有关。

   • 趋势分析： 即使结果合格，持续监控性能变化率的变化趋势，可为材料供应商评估和工艺优化提供重要数据支持。一个接近极限值但仍在范围内的变化率，预示着该材料配方的安全裕度较小。