一種交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣內(nèi)應力的表征方法
【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，附件接頭制作相對簡單，安裝敷設方便，不受高度落差限制等優(yōu)點，正逐步取代架空線、 油紙絕緣電纜和乙丙橡膠（EPR)絕緣電纜，得到日益廣泛的應用。然而對于中高壓XLPE電 纜，常常出現(xiàn)的問題有新安裝的電纜在較低直流電壓下較快擊穿的問題；電纜連接附件沿 絕緣界面放電擊穿問題；在電纜試驗前是否應進行熱處理的問題；還有電纜絕緣老化試驗 后絕緣的抗拉強度、斷裂伸長率超標問題等。很多研究表明，應力會對XLPE電纜絕緣性能 產(chǎn)生很大的影響。
[0003] XLPE電纜安裝與敷設（在安放過程中，XLPE電纜不可避免的被彎曲，這也會導致 XLPE電纜絕緣面向和背對彎曲中心的兩側(cè)絕緣也會出現(xiàn)應力集中的狀況）以及運行（在運 行過程中，線芯溫度高，而且絕緣層和線芯的導熱系數(shù)又不同，在XLPE電纜絕緣中會產(chǎn)生 溫度分布的不均勻，這也會導致XLPE電纜絕緣中的應力集中）過程中會受到應力的作用。 一般研究表明，拉應力會對XLPE絕緣中的電樹枝特性以及擊穿特性產(chǎn)生很大的影響。研 究發(fā)現(xiàn)，應力的存在會導致電樹枝的起始電壓顯著降低，由樹枝發(fā)展為擊穿的時間顯著縮 短；機械應力會導致電樹枝的生長速度加快；拉應力導致沿著外施電場方向發(fā)展的電樹枝 單枝。這種樹枝發(fā)展速度快、擴展范圍廣，對于高壓XLPE電纜的安全運行具有極大的危險 性。此外，具有熱應力的XLPE電纜的局部放電水平可高達20~100pC，待熱應力釋放后，可 恢復至5~10pC;存在熱應力的XLPE電纜在進行耐壓實驗時，在較低的電壓下就會發(fā)生擊 穿。因此，如何有效表征應力具有很重要的意義。
[0004] 殘余內(nèi)應力是指當外部載荷去掉以后，仍然殘存在物體內(nèi)部的應力。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絕緣是利用化學方法或者物理方法，在交聯(lián)管道中，使聚乙烯分子由線型分 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)過程中，高分子材料要經(jīng)過玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)。然而在生產(chǎn)XLPE電纜過程 中，交聯(lián)聚乙烯在粘流態(tài)時在管道中冷卻，此時交聯(lián)聚乙烯絕緣材料受到的應力同化在材 料中，使得XLPE電纜中殘存內(nèi)應力。XLPE材料由結(jié)晶部分和非晶的無定型部分組成，而其 中的晶體部分可以用XRD觀測。由于XLPE材料的結(jié)晶是由高分子鏈的相對有序排列形成 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，晶面間距易發(fā)生變 化，X-射線通過結(jié)晶高聚物時，用光的衍射而形成的衍射峰的位置和高低來確定晶型和結(jié) 晶度，通過峰值位移和峰寬變化可以用來分析晶面間距與晶體的內(nèi)應力。
[0006] 假設無應力狀態(tài)下某晶粒中的（hkl)晶面間距為d。，在垂直于此晶面的應力σ的 作用下，晶面間距d。擴張為dn，晶面間距的變化值Ad=dn_d。，則應變ε=Ad/d。，根據(jù)彈 性力學原理，應力σ可以由下式進行計算
[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，當〇 >〇,即Ad=dn_d。為正時，對應的應力類型為拉應力；當〇〈〇， 即Ad=dn_d。為負時，對應的應力類型為壓應力。而應力σ的大小跟Ad的絕對值成正 比。
[0010] 材料中的內(nèi)應力具有一定抵御外施應力的作用，對于內(nèi)應力最為典型的應用為鋼 化玻璃，利用熱處理預制內(nèi)拉應力于材料中，從而使性能大幅提升。
[0011] 高壓XLPE電纜在生產(chǎn)過程中會引入內(nèi)應力，而通過熱處理法進行脫氣等過程中， XLPE絕緣中的內(nèi)應力會得到一定的釋放，這是由于在熱處理過程中，原本凍結(jié)的高聚物分 子鏈段會獲得一定的自由度，從而使內(nèi)應力得到一定的釋放（如果在自由空間，高聚物熔 融，即分子鏈段完全自由，則內(nèi)應力完全釋放）。脫氣處理時，XLPE電纜絕緣在熱的作用下， 使得內(nèi)應力得到釋放。因此只需測量通過熱處理脫氣之前試樣的晶面間距作為dn，測量脫 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)應力類型。
[0012] XLPE電纜熱處理脫氣前，處理中具有一定的內(nèi)應力（受力狀態(tài)），試樣的晶面間距 為九，測量脫氣處理（熱處理）之后，內(nèi)應力得到一定的釋放（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Δd>0,即〇 >〇， 對應的內(nèi)應力類型為拉應力；當Δd〈0,即〇〈〇,對應的內(nèi)應力類型為壓應力。

【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)應力的表征方法，該方法操作簡 單，能夠準確表征電力行業(yè)中交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣內(nèi)應力。
[0014] 本發(fā)明的上述目的通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣內(nèi)應力 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內(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)分別對內(nèi)層絕緣層、中層絕緣層和外層絕緣層進行切片，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)對所有切片試樣進行同樣操作，首先將每片切片試樣放入X射線衍射儀中進 行晶面間距測試，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射線衍射儀中進行晶面間距測試，獲得 加熱處理后切片絕緣晶面間距值，將對應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 值，說明熱處理后的晶面間距變大，則說明交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣中的原始應力為壓應力；若 電纜絕緣晶面間距變化值為正值，說明熱處理后的晶面間距變小，則說明交聯(lián)聚乙烯電纜 絕緣中的原始應力為拉應力，以此來表征交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣的內(nèi)應力為拉應為或壓應 力。
[0019] 作為本發(fā)明的優(yōu)先實施例，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)應力的表征方 法，且該表征方法操作簡單，能夠準確表征交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣內(nèi)應力，可以廣泛應用于電 力行業(yè)中。
【附圖說明】
[0022] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[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)明實施例一中切片試樣在室溫下的X射線衍射圖譜；
[0031] 圖2中，X射線衍射圖譜中橫坐標表示X射線入射角度的2倍，縱坐標表示衍射后 的強度；圖中縱坐標的峰值強度大小與所要研究的對象沒有關(guān)系，只與峰值橫坐標的位置 與峰寬有關(guān)，為了明顯區(qū)分XLPE電纜在四個不同位置的XRD圖譜，0°、90°、180°和270° 位置的取不同的基線，將曲線拉開，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，通過分析特征晶面晶格間距的變化來說明電纜絕 緣中的拉壓應力；
[0032]圖3是本發(fā)明實施例一中切片試樣經(jīng)過加熱處理后獲得的X射線衍射圖譜；
[0033] 同圖2,圖3中橫坐標表示X射線入射角度的2倍，縱坐標表示衍射后的強度，圖 中縱坐標的峰值強度大小與所要研究的對象沒有關(guān)系，為了明顯區(qū)分XLPE電纜在四個不 同位置的XRD圖譜，取0°位置