電力電纜運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)方法研究

劉士立，張 濤，吳成年

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

電力電纜運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)方法研究

劉士立，張 濤，吳成年

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

介紹了表征電纜老化程度的化學(xué)性能和機(jī)械性能2種狀態(tài)指標(biāo)，闡述了斷裂伸長(zhǎng)率、壓縮模量和氧化誘導(dǎo)時(shí)間/氧化誘導(dǎo)溫度3種指標(biāo)在核電廠安全1E級(jí)電力電纜狀態(tài)檢測(cè)中的應(yīng)用，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)了各個(gè)檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為電力電纜運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)提供了指導(dǎo)。

電力電纜；斷裂伸長(zhǎng)率；壓縮模量；氧化誘導(dǎo)時(shí)間；氧化誘導(dǎo)溫度

電纜能否正常運(yùn)行，主要體現(xiàn)在電纜的電氣參數(shù)、機(jī)械性能是否在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。熱和輻照會(huì)造成電纜機(jī)械性能(如斷裂伸長(zhǎng)率)發(fā)生巨大變化。大多數(shù)電纜失效的經(jīng)驗(yàn)反饋表明，電纜的電氣參數(shù)對(duì)于電纜絕緣材料的狀態(tài)變化反映并不敏感，電氣故障通常發(fā)生在電纜絕緣或護(hù)套的理化性能變化之后。因此，可通過(guò)對(duì)電纜絕緣或護(hù)套材料的化學(xué)和機(jī)械狀態(tài)參數(shù)的檢測(cè)來(lái)表征電纜的老化程度。

1 電纜狀態(tài)指標(biāo)

1.1 化學(xué)性能

由于電纜狀態(tài)的變化主要體現(xiàn)在護(hù)套絕緣材料的物理-化學(xué)結(jié)構(gòu)和材料成分，因此可通過(guò)一個(gè)狀態(tài)指標(biāo)從分子層面對(duì)護(hù)套絕緣材料的相關(guān)性能進(jìn)行老化監(jiān)測(cè)?；瘜W(xué)性能可通過(guò)微量樣本分析化驗(yàn)得到，但這些化學(xué)參數(shù)并不易測(cè)量，且每個(gè)參數(shù)都需要原始資料才能將化合物老化程度和保持的性能與測(cè)得的結(jié)果相互關(guān)聯(lián)起來(lái)。

1.2 機(jī)械性能

斷裂伸長(zhǎng)率可作為評(píng)估電纜絕緣和護(hù)套材料老化程度的有效參考，并可作為評(píng)估通用性電纜運(yùn)行狀態(tài)的標(biāo)尺。

壓模測(cè)量法利用測(cè)得的壓縮模量來(lái)表征電纜的硬度，是衡量電纜材料老化程度的一個(gè)良性指標(biāo)。

2 電纜狀態(tài)檢測(cè)方法

電纜狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)可以分為破壞、無(wú)損和微損3種。破壞性技術(shù)將導(dǎo)致樣本在評(píng)估的時(shí)候全部損壞，主要檢測(cè)斷裂伸長(zhǎng)率；無(wú)損技術(shù)對(duì)樣本幾乎沒(méi)有任何影響，主要檢測(cè)壓縮模量；微損技術(shù)通常用很小的樣本(可從工作中的電纜上取得而不需修補(bǔ)電纜)做破壞性試驗(yàn)，主要檢測(cè)氧化誘導(dǎo)時(shí)間/氧化誘導(dǎo)溫度。

2.1 斷裂伸長(zhǎng)率

EAB(斷裂伸長(zhǎng)率)是用來(lái)表征材料的抗拉伸強(qiáng)度和評(píng)估完整機(jī)械性能損失的指標(biāo)。電纜絕緣和護(hù)套材料的EAB是表征電纜運(yùn)行時(shí)間最可靠的特性參數(shù)，其隨人工加速老化時(shí)間的關(guān)系曲線，具有極佳的運(yùn)行時(shí)間跟蹤特性，如圖1 所示。

圖1 EAB與人工加速老化時(shí)間的關(guān)系

通常保守地將50 %絕對(duì)伸長(zhǎng)率認(rèn)為是一個(gè)安全可行的限值，并作為一個(gè)故障準(zhǔn)則。

對(duì)XLPE(交聯(lián)聚乙烯)的電纜絕緣和電纜氯丁橡膠護(hù)套進(jìn)行不同時(shí)期的人工加速老化，測(cè)得的EAB數(shù)據(jù)如圖2所示，圖中XLPE絕緣的EAB在熱老化和0.6 Mrad輻照條件下同最初相比沒(méi)有顯著變化。但在經(jīng)過(guò)2次75 Mrad的輻照仿真事故和LOCA事件后，XLPE絕緣的EAB顯著下降。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示EAB測(cè)試是一個(gè)非常好的檢測(cè)電纜材料劣化程度的技術(shù)。

圖2 人工加速老化和事故試驗(yàn)前后的EAB數(shù)據(jù)

在核電站環(huán)境中，電纜運(yùn)行狀態(tài)的改變是熱和輻射共同影響的結(jié)果。EAB可作為電纜材料完整性的參考指標(biāo)，也可作為其他狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)的參考指標(biāo)。

使用EAB測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1) 在張力試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的EAB測(cè)量符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；

(2) EAB是一個(gè)良性狀態(tài)指標(biāo)，大多數(shù)聚合材料的EAB會(huì)隨著其老化程度的加深而逐漸降低。

使用EAB測(cè)量的缺點(diǎn)如下：

(1) EAB測(cè)量是一個(gè)破壞性試驗(yàn)，需要大量的樣品來(lái)支撐試驗(yàn)；

(2) EAB不作為XLPE材料的良性狀態(tài)指標(biāo)，因?yàn)镋AB在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都趨于穩(wěn)定，然后迅速減小至標(biāo)準(zhǔn)以下；

(3) 如果電纜為復(fù)合材料(彼此粘合的2層)，則不能使用EAB測(cè)量。

2.2 壓縮模量

壓縮模量是電纜絕緣和護(hù)套材料的一種機(jī)械特性，可用來(lái)檢測(cè)電纜和其他聚合物材料的老化狀態(tài)。對(duì)電纜護(hù)套隨人工加速老化仿真的壓縮模量測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3所示，最初電纜絕緣和護(hù)套材料的壓縮模量幾乎沒(méi)有隨人工加熱和輻射加速老化改變多少，隨后經(jīng)過(guò)LOCA蒸汽泄漏使得壓縮模量增加不少，說(shuō)明材料硬化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：壓縮模量隨著熱和輻射的影響變化并不大，暴露在很低的熱和輻射環(huán)境下對(duì)壓縮模量只有輕微影響，不過(guò)長(zhǎng)時(shí)間暴露時(shí)，熱對(duì)XLPE絕緣護(hù)套的壓縮模量影響較大。

圖3 人工加速老化和事故試驗(yàn)前后壓模測(cè)量對(duì)比

在測(cè)試最初的樣本時(shí)，每個(gè)樣本的壓縮模量數(shù)據(jù)都不相同，即使電纜絕緣和護(hù)套材料是相同的樣品，它們的壓縮模量系數(shù)也可能由于取樣的不同而不相同。這種差異是由化學(xué)成分或者制造過(guò)程的不同而造成的。圖4給出了某種特殊型號(hào)電纜的壓縮模量、伸長(zhǎng)率和人工加速老化之間的關(guān)系曲線。

圖4 壓縮模量、伸長(zhǎng)率和人工加速老化之間的關(guān)系

采用壓縮模量測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1) 壓縮模量試驗(yàn)操作方便，可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損監(jiān)測(cè)；

(2) 壓縮模量技術(shù)已取得大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有參考標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，可投入實(shí)踐應(yīng)用，可建立壓縮模量與電纜狀態(tài)之間的關(guān)系。

采用壓縮模量測(cè)量的缺點(diǎn)如下：

(1) 不能很好地表示出與PVC(聚氯乙烯)材料中子輻照老化的關(guān)系；

(2) XLPE的壓縮模量值長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的讀數(shù)，然后在發(fā)生嚴(yán)重老化時(shí)突然增大；

(3) 電纜結(jié)構(gòu)會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，尤其是對(duì)結(jié)構(gòu)較松散的電纜護(hù)套或絕緣材料厚度發(fā)生明顯變化的電纜。

2.3 氧化誘導(dǎo)時(shí)間/氧化誘導(dǎo)溫度

2.3.1 氧化誘導(dǎo)時(shí)間

電纜絕緣和護(hù)套在最初生產(chǎn)的時(shí)候會(huì)加入一些抗氧化劑以保護(hù)它們不因氧化而劣化。隨著電纜的老化，電纜材料中所添加的抗氧化劑會(huì)逐漸揮發(fā)直到喪失，抗氧化劑越少，則在相同的溫度條件下，材料開(kāi)始發(fā)生快速氧化的時(shí)間也就越早。

氧化誘導(dǎo)時(shí)間(OIT)測(cè)量是通過(guò)將一小段絕緣樣品放在一個(gè)溫度持續(xù)上升的氧化環(huán)境中測(cè)量它發(fā)生快速氧化前的一段時(shí)間來(lái)評(píng)估材料的狀態(tài)。材料中的抗氧化劑沒(méi)有被完全消耗時(shí)，材料的機(jī)械和電氣性能保持相對(duì)穩(wěn)定，即使抗氧化劑只有當(dāng)初比例很小的一部分也足夠阻止聚合物機(jī)械性能的劣化。當(dāng)抗氧化劑完全耗盡時(shí)，材料的性能開(kāi)始劣化，在某種情況下會(huì)快速劣化。

XLPE絕緣材料在不同溫度下老化后的OIT試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。OIT隨著老化程度順序地成比例地變化。

圖5 XLPE老化后的OIT

作為評(píng)估電纜的一種常用技術(shù)，要將DSC響應(yīng)(氧化誘導(dǎo)時(shí)間)與斷裂伸長(zhǎng)率結(jié)果相比較，圖6是Dukovany核電站安全殼內(nèi)使用了0，10，20，30年的老化PVC護(hù)套DSC響應(yīng)與斷裂伸長(zhǎng)率的關(guān)系。從DSC響應(yīng)可以評(píng)估斷裂伸長(zhǎng)率。

圖6 DSC響應(yīng)與EAB的關(guān)系

2.3.2 氧化誘導(dǎo)溫度

氧化誘導(dǎo)溫度(OITP)是使溫度按一個(gè)穩(wěn)定的速率升高來(lái)測(cè)量給定樣品的老化。試驗(yàn)的目的是判斷發(fā)熱反應(yīng)發(fā)生的溫度；這個(gè)溫度代表著抗氧化劑的喪失和樣品老化的程度。

圖7是EPR(乙烯丙烯共聚物)和XLPE材料的OITP隨EAB變化的試驗(yàn)結(jié)果。EAB最大(最右側(cè))表示材料最初的基準(zhǔn)條件。EAB的減小(向左)代表人工材料老化的不同階段。如圖7所示，在仿真10年的熱和輻射老化后，XLPE的OITP同最初相比并沒(méi)太大變化，與EAB為370 %時(shí)的OITP值基本相同；經(jīng)過(guò)大劑量的輻照后，XLPE的OITP也只有少量變化。對(duì)于EPR絕緣材料，經(jīng)過(guò)仿真老化后，OITP卻有非常大的下降。說(shuō)明這種材料的OITP與EAB有很好的相關(guān)性。

圖8給出了XLPE和EPR材料的OIT測(cè)試結(jié)果。XLPE的測(cè)試溫度為220 ℃，EPR為200 ℃。同OITP相比，OIT結(jié)果隨著老化變化更大。對(duì)于2種材料，熱老化和輻射老化使得OIT下降到最初沒(méi)老化絕緣的1/4。這說(shuō)明OIT與EAB有很好的相關(guān)性。

采用氧化誘導(dǎo)時(shí)間/氧化誘導(dǎo)溫度檢測(cè)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

(1) 僅需要從核電廠電纜表面取非常小的樣品，不需修補(bǔ)電纜；

(2) 帶電運(yùn)行的電纜同樣可取樣品。

圖7 OITP與EAB的關(guān)系

圖8 OIT與EAB的關(guān)系

采用氧化誘導(dǎo)時(shí)間/氧化誘導(dǎo)溫度檢測(cè)的主要缺點(diǎn)如下：

(1) 該方法只適用于含抗氧化劑的材料；

(2) 該方法一般不用于PVC材料；

(3) 污染成為取樣的一個(gè)限制條件，避免使用化學(xué)除污劑，防止材料表面發(fā)生改變；

(4) 需與斷裂伸長(zhǎng)率或與反映電纜使用能力的其他性能相互參照。

3 狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)總結(jié)

通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，受材料性能差異影響，每一種狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)均有各自的局限性，其特性見(jiàn)表1。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選用合適的檢測(cè)技術(shù)，并綜合多種檢測(cè)技術(shù)方法進(jìn)行電纜狀態(tài)評(píng)估。

表1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法特性總結(jié)

1 李震環(huán).國(guó)內(nèi)外測(cè)定氧化誘導(dǎo)時(shí)間試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)綜述[J].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化，2005(4).

2 劉新剛.RF電纜材料氧化誘導(dǎo)期的研究[J].塑料工業(yè)，2010(S1).

2014-11-11。

劉士立(1987-)，男，助理工程師，研究方向?yàn)楹穗娬倦姎?、儀控設(shè)備的老化管理，email：liushili@cgnpc.com.cn。

張 濤(1987-)，男，助理工程師，研究方向?yàn)楹穗娬倦娎|老化管理。

吳成年(1986-)，男，助理工程師，研究方向?yàn)楹穗娬倦姎狻x控設(shè)備的老化管理。