一種交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣內(nèi)應(yīng)力的表征方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力行業(yè)中電纜內(nèi)應(yīng)力的表征方法，具體是指一種交聯(lián)聚乙烯電纜絕 緣內(nèi)應(yīng)力的表征方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 交聯(lián)聚乙烯（XLPE)電力電纜由于電氣性能、理化性能優(yōu)良，傳輸容量大，結(jié)構(gòu)輕 便，附件接頭制作相對(duì)簡(jiǎn)單，安裝敷設(shè)方便，不受高度落差限制等優(yōu)點(diǎn)，正逐步取代架空線(xiàn)、 油紙絕緣電纜和乙丙橡膠（EPR)絕緣電纜，得到日益廣泛的應(yīng)用。然而對(duì)于中高壓XLPE電 纜，常常出現(xiàn)的問(wèn)題有新安裝的電纜在較低直流電壓下較快擊穿的問(wèn)題；電纜連接附件沿 絕緣界面放電擊穿問(wèn)題；在電纜試驗(yàn)前是否應(yīng)進(jìn)行熱處理的問(wèn)題；還有電纜絕緣老化試驗(yàn) 后絕緣的抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率超標(biāo)問(wèn)題等。很多研究表明，應(yīng)力會(huì)對(duì)XLPE電纜絕緣性能 產(chǎn)生很大的影響。
[0003] XLPE電纜安裝與敷設(shè)（在安放過(guò)程中，XLPE電纜不可避免的被彎曲，這也會(huì)導(dǎo)致 XLPE電纜絕緣面向和背對(duì)彎曲中心的兩側(cè)絕緣也會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的狀況）以及運(yùn)行（在運(yùn) 行過(guò)程中，線(xiàn)芯溫度高，而且絕緣層和線(xiàn)芯的導(dǎo)熱系數(shù)又不同，在XLPE電纜絕緣中會(huì)產(chǎn)生 溫度分布的不均勻，這也會(huì)導(dǎo)致XLPE電纜絕緣中的應(yīng)力集中）過(guò)程中會(huì)受到應(yīng)力的作用。 一般研究表明，拉應(yīng)力會(huì)對(duì)XLPE絕緣中的電樹(shù)枝特性以及擊穿特性產(chǎn)生很大的影響。研 究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致電樹(shù)枝的起始電壓顯著降低，由樹(shù)枝發(fā)展為擊穿的時(shí)間顯著縮 短；機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致電樹(shù)枝的生長(zhǎng)速度加快；拉應(yīng)力導(dǎo)致沿著外施電場(chǎng)方向發(fā)展的電樹(shù)枝 單枝。這種樹(shù)枝發(fā)展速度快、擴(kuò)展范圍廣，對(duì)于高壓XLPE電纜的安全運(yùn)行具有極大的危險(xiǎn) 性。此外，具有熱應(yīng)力的XLPE電纜的局部放電水平可高達(dá)20~100pC，待熱應(yīng)力釋放后，可 恢復(fù)至5~10pC;存在熱應(yīng)力的XLPE電纜在進(jìn)行耐壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，在較低的電壓下就會(huì)發(fā)生擊 穿。因此，如何有效表征應(yīng)力具有很重要的意義。
[0004] 殘余內(nèi)應(yīng)力是指當(dāng)外部載荷去掉以后，仍然殘存在物體內(nèi)部的應(yīng)力。它是由于材 料內(nèi)部宏觀或者微觀的組織發(fā)生了不均勻的體積變化而產(chǎn)生的。
[0005] XLPE絕緣是利用化學(xué)方法或者物理方法，在交聯(lián)管道中，使聚乙烯分子由線(xiàn)型分 子結(jié)構(gòu)變?yōu)槿S網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，工作溫度從70°C提高到90°C，顯著提高了材料的性能。XLPE電 纜在生產(chǎn)過(guò)程中，高分子材料要經(jīng)過(guò)玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)。然而在生產(chǎn)XLPE電纜過(guò)程 中，交聯(lián)聚乙烯在粘流態(tài)時(shí)在管道中冷卻，此時(shí)交聯(lián)聚乙烯絕緣材料受到的應(yīng)力同化在材 料中，使得XLPE電纜中殘存內(nèi)應(yīng)力。XLPE材料由結(jié)晶部分和非晶的無(wú)定型部分組成，而其 中的晶體部分可以用XRD觀測(cè)。由于XLPE材料的結(jié)晶是由高分子鏈的相對(duì)有序排列形成 的，其晶面間多為分子間作用力（范德華力，弱結(jié)合）結(jié)合，在受力時(shí)，晶面間距易發(fā)生變 化，X-射線(xiàn)通過(guò)結(jié)晶高聚物時(shí)，用光的衍射而形成的衍射峰的位置和高低來(lái)確定晶型和結(jié) 晶度，通過(guò)峰值位移和峰寬變化可以用來(lái)分析晶面間距與晶體的內(nèi)應(yīng)力。
[0006] 假設(shè)無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下某晶粒中的（hkl)晶面間距為d。，在垂直于此晶面的應(yīng)力σ的 作用下，晶面間距d。擴(kuò)張為dn，晶面間距的變化值A(chǔ)d=dn_d。，則應(yīng)變?chǔ)?Ad/d。，根據(jù)彈 性力學(xué)原理，應(yīng)力σ可以由下式進(jìn)行計(jì)算
[0007]σ=Εε=EAd/d0 (1-1)
[0008] 其中，E為材料的彈性模量。
[0009] 公式1-1中，當(dāng)〇 >〇,即Ad=dn_d。為正時(shí)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力類(lèi)型為拉應(yīng)力；當(dāng)〇〈〇， 即Ad=dn_d。為負(fù)時(shí)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力類(lèi)型為壓應(yīng)力。而應(yīng)力σ的大小跟Ad的絕對(duì)值成正 比。
[0010] 材料中的內(nèi)應(yīng)力具有一定抵御外施應(yīng)力的作用，對(duì)于內(nèi)應(yīng)力最為典型的應(yīng)用為鋼 化玻璃，利用熱處理預(yù)制內(nèi)拉應(yīng)力于材料中，從而使性能大幅提升。
[0011] 高壓XLPE電纜在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)引入內(nèi)應(yīng)力，而通過(guò)熱處理法進(jìn)行脫氣等過(guò)程中， XLPE絕緣中的內(nèi)應(yīng)力會(huì)得到一定的釋放，這是由于在熱處理過(guò)程中，原本凍結(jié)的高聚物分 子鏈段會(huì)獲得一定的自由度，從而使內(nèi)應(yīng)力得到一定的釋放（如果在自由空間，高聚物熔 融，即分子鏈段完全自由，則內(nèi)應(yīng)力完全釋放）。脫氣處理時(shí)，XLPE電纜絕緣在熱的作用下， 使得內(nèi)應(yīng)力得到釋放。因此只需測(cè)量通過(guò)熱處理脫氣之前試樣的晶面間距作為dn，測(cè)量脫 氣處理之后試樣的晶面間距作為d。，再將(1。和dn帶入到公式1-1中即可知道XLPE絕緣中 的內(nèi)應(yīng)力類(lèi)型。
[0012] XLPE電纜熱處理脫氣前，處理中具有一定的內(nèi)應(yīng)力（受力狀態(tài)），試樣的晶面間距 為九，測(cè)量脫氣處理（熱處理）之后，內(nèi)應(yīng)力得到一定的釋放（自由狀態(tài)），試樣的晶面間 距作為d。，則晶面間距的變化Δd=dn_d。。由于σ=εE=ΕΔd/d。，當(dāng)Δd>0,即〇 >〇， 對(duì)應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力類(lèi)型為拉應(yīng)力；當(dāng)Δd〈0,即〇〈〇,對(duì)應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力類(lèi)型為壓應(yīng)力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的是提供一種交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣內(nèi)應(yīng)力的表征方法，該方法操作簡(jiǎn) 單，能夠準(zhǔn)確表征電力行業(yè)中交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣內(nèi)應(yīng)力。
[0014] 本發(fā)明的上述目的通過(guò)如下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：一種交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣內(nèi)應(yīng)力 的表征方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：
[0015] (1)在室溫下截取一段交聯(lián)聚乙烯電纜，將電纜的絕緣層沿電纜徑向方向自?xún)?nèi)向 外分成內(nèi)層絕緣層、中層絕緣層和外層絕緣層三層，外層絕緣層距離電纜外表面距離為電 纜絕緣厚度的1/7,中層絕緣層距離電纜外表面距離為電纜絕緣厚度的3/7,內(nèi)層絕緣層距 離電纜外表面距離為電纜絕緣厚度的5/7 ;
[0016] (2)分別對(duì)內(nèi)層絕緣層、中層絕緣層和外層絕緣層進(jìn)行切片，得到內(nèi)層絕緣切片試 樣、中層絕緣切片試樣和外層絕緣切片試樣，所有的切片試樣均為厚度為〇. 5mm的長(zhǎng)條形 狀切片試樣，內(nèi)層絕緣切片試樣、中層絕緣切片試樣和外層絕緣切片試樣均為均勻分布在 同一圓周上的至少三片；
[0017] (3)對(duì)所有切片試樣進(jìn)行同樣操作，首先將每片切片試樣放入X射線(xiàn)衍射儀中進(jìn) 行晶面間距測(cè)試，獲得熱處理前切片絕緣晶面間距值，然后將所有切片試樣在90°C溫度下 加熱6天后冷卻至室溫，再次將每片切片試樣放入X射線(xiàn)衍射儀中進(jìn)行晶面間距測(cè)試，獲得 加熱處理后切片絕緣晶面間距值，將對(duì)應(yīng)切片試樣的熱處理前切片絕緣晶面間距值減去加 熱處理后切片絕緣晶面間距值，獲得每片切片試樣的切片絕緣晶面間距變化值；
[0018] (4)將所有不同位置切片試樣的切片絕緣晶面間距變化值分別進(jìn)行相加求和，然 后求其平均值，獲得電纜絕緣不同位置晶面間距變化值。若電纜絕緣晶面間距變化值為負(fù) 值，說(shuō)明熱處理后的晶面間距變大，則說(shuō)明交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣中的原始應(yīng)力為壓應(yīng)力；若 電纜絕緣晶面間距變化值為正值，說(shuō)明熱處理后的晶面間距變小，則說(shuō)明交聯(lián)聚乙烯電纜 絕緣中的原始應(yīng)力為拉應(yīng)力，以此來(lái)表征交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣的內(nèi)應(yīng)力為拉應(yīng)為或壓應(yīng) 力。
[0019] 作為本發(fā)明的優(yōu)先實(shí)施例，所述步驟（2)中，所述的內(nèi)層絕緣切片試樣、中層絕緣 切片試樣和外層絕緣切片試樣均為將電纜的截面均勻分成四部分，在每一部分上獲取內(nèi)層 絕緣層、中層絕緣層和外層絕緣層切片，所獲得的所有切片試樣為至少三十六片。
[0020] 本發(fā)明中，所述X射線(xiàn)衍射儀為D8-ADVANCE型衍射儀。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種全新的交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣內(nèi)應(yīng)力的表征方 法，且該表征方法操作簡(jiǎn)單，能夠準(zhǔn)確表征交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣內(nèi)應(yīng)力，可以廣泛應(yīng)用于電 力行業(yè)中。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0023] 圖1是本發(fā)明交聯(lián)聚乙烯電纜的截面示意圖；
[0024]圖1中，
[0025] 1:內(nèi)半導(dǎo)電層
[0026] 2:內(nèi)層絕緣層
[0027] 3:中層絕緣層
[0028] 4:外層絕緣層
[0029] 5 :外屏蔽層；
[0030]圖2是本發(fā)明實(shí)施例一中切片試樣在室溫下的X射線(xiàn)衍射圖譜；
[0031] 圖2中，X射線(xiàn)衍射圖譜中橫坐標(biāo)表示X射線(xiàn)入射角度的2倍，縱坐標(biāo)表示衍射后 的強(qiáng)度；圖中縱坐標(biāo)的峰值強(qiáng)度大小與所要研究的對(duì)象沒(méi)有關(guān)系，只與峰值橫坐標(biāo)的位置 與峰寬有關(guān)，為了明顯區(qū)分XLPE電纜在四個(gè)不同位置的XRD圖譜，0°、90°、180°和270° 位置的取不同的基線(xiàn)，將曲線(xiàn)拉開(kāi)，便于觀察，所得XRD圖譜如圖2所示，其中，（110)和 (200)代表XLPE電纜絕緣中的特征晶面，通過(guò)分析特征晶面晶格間距的變化來(lái)說(shuō)明電纜絕 緣中的拉壓應(yīng)力；
[0032]圖3是本發(fā)明實(shí)施例一中切片試樣經(jīng)過(guò)加熱處理后獲得的X射線(xiàn)衍射圖譜；
[0033] 同圖2,圖3中橫坐標(biāo)表示X射線(xiàn)入射角度的2倍，縱坐標(biāo)表示衍射后的強(qiáng)度，圖 中縱坐標(biāo)的峰值強(qiáng)度大小與所要研究的對(duì)象沒(méi)有關(guān)系，為了明顯區(qū)分XLPE電纜在四個(gè)不 同位置的XRD圖譜，取0°位置