电力电缆运行状态检测方法研究

2015-12-30刘士立吴成年

电力安全技术 2015年5期

关键词：护套伸长率模量

刘士立，张涛，吴成年

（苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215004）

电力电缆运行状态检测方法研究

刘士立，张涛，吴成年

（苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215004）

介绍了表征电缆老化程度的化学性能和机械性能2种状态指标，阐述了断裂伸长率、压缩模量和氧化诱导时间/氧化诱导温度3种指标在核电厂安全1E级电力电缆状态检测中的应用，并通过试验数据总结了各个检测方法的优缺点，为电力电缆运行状态检测提供了指导。

电力电缆；断裂伸长率；压缩模量；氧化诱导时间；氧化诱导温度

电缆能否正常运行，主要体现在电缆的电气参数、机械性能是否在设计范围之内。热和辐照会造成电缆机械性能(如断裂伸长率)发生巨大变化。大多数电缆失效的经验反馈表明，电缆的电气参数对于电缆绝缘材料的状态变化反映并不敏感，电气故障通常发生在电缆绝缘或护套的理化性能变化之后。因此，可通过对电缆绝缘或护套材料的化学和机械状态参数的检测来表征电缆的老化程度。

1 电缆状态指标

1.1 化学性能

由于电缆状态的变化主要体现在护套绝缘材料的物理-化学结构和材料成分，因此可通过一个状态指标从分子层面对护套绝缘材料的相关性能进行老化监测。化学性能可通过微量样本分析化验得到，但这些化学参数并不易测量，且每个参数都需要原始资料才能将化合物老化程度和保持的性能与测得的结果相互关联起来。

1.2 机械性能

断裂伸长率可作为评估电缆绝缘和护套材料老化程度的有效参考，并可作为评估通用性电缆运行状态的标尺。

压模测量法利用测得的压缩模量来表征电缆的硬度，是衡量电缆材料老化程度的一个良性指标。

2 电缆状态检测方法

电缆状态检测技术可以分为破坏、无损和微损3种。破坏性技术将导致样本在评估的时候全部损坏，主要检测断裂伸长率；无损技术对样本几乎没有任何影响，主要检测压缩模量；微损技术通常用很小的样本(可从工作中的电缆上取得而不需修补电缆)做破坏性试验，主要检测氧化诱导时间/氧化诱导温度。

2.1 断裂伸长率

EAB(断裂伸长率)是用来表征材料的抗拉伸强度和评估完整机械性能损失的指标。电缆绝缘和护套材料的EAB是表征电缆运行时间最可靠的特性参数，其随人工加速老化时间的关系曲线，具有极佳的运行时间跟踪特性，如图1 所示。

图1 EAB与人工加速老化时间的关系

通常保守地将50 %绝对伸长率认为是一个安全可行的限值，并作为一个故障准则。

对XLPE(交联聚乙烯)的电缆绝缘和电缆氯丁橡胶护套进行不同时期的人工加速老化，测得的EAB数据如图2所示，图中XLPE绝缘的EAB在热老化和0.6 Mrad辐照条件下同最初相比没有显著变化。但在经过2次75 Mrad的辐照仿真事故和LOCA事件后，XLPE绝缘的EAB显著下降。数据结果显示EAB测试是一个非常好的检测电缆材料劣化程度的技术。

图2 人工加速老化和事故试验前后的EAB数据

在核电站环境中，电缆运行状态的改变是热和辐射共同影响的结果。EAB可作为电缆材料完整性的参考指标，也可作为其他状态检测技术的参考指标。

使用EAB测量的优点如下：

(1) 在张力试验的基础上进行的EAB测量符合国际标准；

(2) EAB是一个良性状态指标，大多数聚合材料的EAB会随着其老化程度的加深而逐渐降低。

使用EAB测量的缺点如下：

(1) EAB测量是一个破坏性试验，需要大量的样品来支撑试验；

(2) EAB不作为XLPE材料的良性状态指标，因为EAB在长时间内都趋于稳定，然后迅速减小至标准以下；

(3) 如果电缆为复合材料(彼此粘合的2层)，则不能使用EAB测量。

2.2 压缩模量

压缩模量是电缆绝缘和护套材料的一种机械特性，可用来检测电缆和其他聚合物材料的老化状态。对电缆护套随人工加速老化仿真的压缩模量测试数据如图3所示，最初电缆绝缘和护套材料的压缩模量几乎没有随人工加热和辐射加速老化改变多少，随后经过LOCA蒸汽泄漏使得压缩模量增加不少，说明材料硬化。实验结果说明：压缩模量随着热和辐射的影响变化并不大，暴露在很低的热和辐射环境下对压缩模量只有轻微影响，不过长时间暴露时，热对XLPE绝缘护套的压缩模量影响较大。

图3 人工加速老化和事故试验前后压模测量对比

在测试最初的样本时，每个样本的压缩模量数据都不相同，即使电缆绝缘和护套材料是相同的样品，它们的压缩模量系数也可能由于取样的不同而不相同。这种差异是由化学成分或者制造过程的不同而造成的。图4给出了某种特殊型号电缆的压缩模量、伸长率和人工加速老化之间的关系曲线。

图4 压缩模量、伸长率和人工加速老化之间的关系

采用压缩模量测量的优点如下：

(1) 压缩模量试验操作方便，可进行现场无损监测；

(2) 压缩模量技术已取得大量实践经验，有参考标准法规，可投入实践应用，可建立压缩模量与电缆状态之间的关系。

采用压缩模量测量的缺点如下：

(1) 不能很好地表示出与PVC(聚氯乙烯)材料中子辐照老化的关系；

(2) XLPE的压缩模量值长期保持稳定的读数，然后在发生严重老化时突然增大；

(3) 电缆结构会影响试验结果，尤其是对结构较松散的电缆护套或绝缘材料厚度发生明显变化的电缆。

2.3 氧化诱导时间/氧化诱导温度

2.3.1 氧化诱导时间

电缆绝缘和护套在最初生产的时候会加入一些抗氧化剂以保护它们不因氧化而劣化。随着电缆的老化，电缆材料中所添加的抗氧化剂会逐渐挥发直到丧失，抗氧化剂越少，则在相同的温度条件下，材料开始发生快速氧化的时间也就越早。

氧化诱导时间(OIT)测量是通过将一小段绝缘样品放在一个温度持续上升的氧化环境中测量它发生快速氧化前的一段时间来评估材料的状态。材料中的抗氧化剂没有被完全消耗时，材料的机械和电气性能保持相对稳定，即使抗氧化剂只有当初比例很小的一部分也足够阻止聚合物机械性能的劣化。当抗氧化剂完全耗尽时，材料的性能开始劣化，在某种情况下会快速劣化。

XLPE绝缘材料在不同温度下老化后的OIT试验结果如图5所示。OIT随着老化程度顺序地成比例地变化。

图5 XLPE老化后的OIT

作为评估电缆的一种常用技术，要将DSC响应(氧化诱导时间)与断裂伸长率结果相比较，图6是Dukovany核电站安全壳内使用了0，10，20，30年的老化PVC护套DSC响应与断裂伸长率的关系。从DSC响应可以评估断裂伸长率。

图6 DSC响应与EAB的关系

2.3.2 氧化诱导温度

氧化诱导温度(OITP)是使温度按一个稳定的速率升高来测量给定样品的老化。试验的目的是判断发热反应发生的温度；这个温度代表着抗氧化剂的丧失和样品老化的程度。

图7是EPR(乙烯丙烯共聚物)和XLPE材料的OITP随EAB变化的试验结果。EAB最大(最右侧)表示材料最初的基准条件。EAB的减小(向左)代表人工材料老化的不同阶段。如图7所示，在仿真10年的热和辐射老化后，XLPE的OITP同最初相比并没太大变化，与EAB为370 %时的OITP值基本相同；经过大剂量的辐照后，XLPE的OITP也只有少量变化。对于EPR绝缘材料，经过仿真老化后，OITP却有非常大的下降。说明这种材料的OITP与EAB有很好的相关性。

图8给出了XLPE和EPR材料的OIT测试结果。XLPE的测试温度为220 ℃，EPR为200 ℃。同OITP相比，OIT结果随着老化变化更大。对于2种材料，热老化和辐射老化使得OIT下降到最初没老化绝缘的1/4。这说明OIT与EAB有很好的相关性。

采用氧化诱导时间/氧化诱导温度检测的主要优点如下：

(1) 仅需要从核电厂电缆表面取非常小的样品，不需修补电缆；

(2) 带电运行的电缆同样可取样品。