電力電纜運行狀態(tài)檢測方法研究

劉士立，張 濤，吳成年

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

電力電纜運行狀態(tài)檢測方法研究

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性能和機械性能2種狀態(tài)指標，闡述了斷裂伸長率、壓縮模量和氧化誘導時間/氧化誘導溫度3種指標在核電廠安全1E級電力電纜狀態(tài)檢測中的應用，并通過試驗數(shù)據(jù)總結了各個檢測方法的優(yōu)缺點，為電力電纜運行狀態(tài)檢測提供了指導。

電力電纜；斷裂伸長率；壓縮模量；氧化誘導時間；氧化誘導溫度

電纜能否正常運行，主要體現(xiàn)在電纜的電氣參數(shù)、機械性能是否在設計范圍之內(nèi)。熱和輻照會造成電纜機械性能(如斷裂伸長率)發(fā)生巨大變化。大多數(shù)電纜失效的經(jīng)驗反饋表明，電纜的電氣參數(shù)對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)生在電纜絕緣或護套的理化性能變化之后。因此，可通過對電纜絕緣或護套材料的化學和機械狀態(tài)參數(shù)的檢測來表征電纜的老化程度。

1 電纜狀態(tài)指標

1.1 化學性能

由于電纜狀態(tài)的變化主要體現(xiàn)在護套絕緣材料的物理-化學結構和材料成分，因此可通過一個狀態(tài)指標從分子層面對護套絕緣材料的相關性能進行老化監(jiān)測。化學性能可通過微量樣本分析化驗得到，但這些化學參數(shù)并不易測量，且每個參數(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得的結果相互關聯(lián)起來。

1.2 機械性能

斷裂伸長率可作為評估電纜絕緣和護套材料老化程度的有效參考，并可作為評估通用性電纜運行狀態(tài)的標尺。

壓模測量法利用測得的壓縮模量來表征電纜的硬度，是衡量電纜材料老化程度的一個良性指標。

2 電纜狀態(tài)檢測方法

電纜狀態(tài)檢測技術可以分為破壞、無損和微損3種。破壞性技術將導致樣本在評估的時候全部損壞，主要檢測斷裂伸長率；無損技術對樣本幾乎沒有任何影響，主要檢測壓縮模量；微損技術通常用很小的樣本(可從工作中的電纜上取得而不需修補電纜)做破壞性試驗，主要檢測氧化誘導時間/氧化誘導溫度。

2.1 斷裂伸長率

EAB(斷裂伸長率)是用來表征材料的抗拉伸強度和評估完整機械性能損失的指標。電纜絕緣和護套材料的EAB是表征電纜運行時間最可靠的特性參數(shù)，其隨人工加速老化時間的關系曲線，具有極佳的運行時間跟蹤特性，如圖1 所示。

圖1 EAB與人工加速老化時間的關系

通常保守地將50 %絕對伸長率認為是一個安全可行的限值，并作為一個故障準則。

對XLPE(交聯(lián)聚乙烯)的電纜絕緣和電纜氯丁橡膠護套進行不同時期的人工加速老化，測得的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有顯著變化。但在經(jīng)過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)結果顯示EAB測試是一個非常好的檢測電纜材料劣化程度的技術。

圖2 人工加速老化和事故試驗前后的EAB數(shù)據(jù)

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

使用EAB測量的優(yōu)點如下：

(1) 在張力試驗的基礎上進行的EAB測量符合國際標準；

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

使用EAB測量的缺點如下：

(1) EAB測量是一個破壞性試驗，需要大量的樣品來支撐試驗；

(2) EAB不作為XLPE材料的良性狀態(tài)指標，因為EAB在長時間內(nèi)都趨于穩(wěn)定，然后迅速減小至標準以下；

(3) 如果電纜為復合材料(彼此粘合的2層)，則不能使用EAB測量。

2.2 壓縮模量

壓縮模量是電纜絕緣和護套材料的一種機械特性，可用來檢測電纜和其他聚合物材料的老化狀態(tài)。對電纜護套隨人工加速老化仿真的壓縮模量測試數(shù)據(jù)如圖3所示，最初電纜絕緣和護套材料的壓縮模量幾乎沒有隨人工加熱和輻射加速老化改變多少，隨后經(jīng)過LOCA蒸汽泄漏使得壓縮模量增加不少，說明材料硬化。實驗結果說明：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)境下對壓縮模量只有輕微影響，不過長時間暴露時，熱對XLPE絕緣護套的壓縮模量影響較大。

圖3 人工加速老化和事故試驗前后壓模測量對比

在測試最初的樣本時，每個樣本的壓縮模量數(shù)據(jù)都不相同，即使電纜絕緣和護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。這種差異是由化學成分或者制造過程的不同而造成的。圖4給出了某種特殊型號電纜的壓縮模量、伸長率和人工加速老化之間的關系曲線。

圖4 壓縮模量、伸長率和人工加速老化之間的關系

采用壓縮模量測量的優(yōu)點如下：

(1) 壓縮模量試驗操作方便，可進行現(xiàn)場無損監(jiān)測；

(2) 壓縮模量技術已取得大量實踐經(jīng)驗，有參考標準法規(guī)，可投入實踐應用，可建立壓縮模量與電纜狀態(tài)之間的關系。

采用壓縮模量測量的缺點如下：

(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系；

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

(3) 電纜結構會影響試驗結果，尤其是對結構較松散的電纜護套或絕緣材料厚度發(fā)生明顯變化的電纜。

2.3 氧化誘導時間/氧化誘導溫度

2.3.1 氧化誘導時間

電纜絕緣和護套在最初生產(chǎn)的時候會加入一些抗氧化劑以保護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，材料開始發(fā)生快速氧化的時間也就越早。

氧化誘導時間(OIT)測量是通過將一小段絕緣樣品放在一個溫度持續(xù)上升的氧化環(huán)境中測量它發(fā)生快速氧化前的一段時間來評估材料的狀態(tài)。材料中的抗氧化劑沒有被完全消耗時，材料的機械和電氣性能保持相對穩(wěn)定，即使抗氧化劑只有當初比例很小的一部分也足夠阻止聚合物機械性能的劣化。當抗氧化劑完全耗盡時，材料的性能開始劣化，在某種情況下會快速劣化。

XLPE絕緣材料在不同溫度下老化后的OIT試驗結果如圖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

作為評估電纜的一種常用技術，要將DSC響應(氧化誘導時間)與斷裂伸長率結果相比較，圖6是Dukovany核電站安全殼內(nèi)使用了0，10，20，30年的老化PVC護套DSC響應與斷裂伸長率的關系。從DSC響應可以評估斷裂伸長率。

圖6 DSC響應與EAB的關系

2.3.2 氧化誘導溫度

氧化誘導溫度(OITP)是使溫度按一個穩(wěn)定的速率升高來測量給定樣品的老化。試驗的目的是判斷發(fā)熱反應發(fā)生的溫度；這個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變化的試驗結果。EAB最大(最右側)表示材料最初的基準條件。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同最初相比并沒太大變化，與EAB為370 %時的OITP值基本相同；經(jīng)過大劑量的輻照后，XLPE的OITP也只有少量變化。對于EPR絕緣材料，經(jīng)過仿真老化后，OITP卻有非常大的下降。說明這種材料的OITP與EAB有很好的相關性。

圖8給出了XLPE和EPR材料的OIT測試結果。XLPE的測試溫度為220 ℃，EPR為200 ℃。同OITP相比，OIT結果隨著老化變化更大。對于2種材料，熱老化和輻射老化使得OIT下降到最初沒老化絕緣的1/4。這說明OIT與EAB有很好的相關性。

采用氧化誘導時間/氧化誘導溫度檢測的主要優(yōu)點如下：

(1) 僅需要從核電廠電纜表面取非常小的樣品，不需修補電纜；

(2) 帶電運行的電纜同樣可取樣品。

圖7 OITP與EAB的關系

圖8 OIT與EAB的關系

采用氧化誘導時間/氧化誘導溫度檢測的主要缺點如下：

(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限制條件，避免使用化學除污劑，防止材料表面發(fā)生改變；

(4) 需與斷裂伸長率或與反映電纜使用能力的其他性能相互參照。

3 狀態(tài)檢測技術總結

通過大量的試驗數(shù)據(jù)可知，受材料性能差異影響，每一種狀態(tài)檢測技術均有各自的局限性，其特性見表1。在實際應用中應選用合適的檢測技術，并綜合多種檢測技術方法進行電纜狀態(tài)評估。

表1 狀態(tài)監(jiān)測方法特性總結

1 李震環(huán).國內(nèi)外測定氧化誘導時間試驗方法標準綜述[J].中國標準化，2005(4).

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

2014-11-11。

劉士立(1987-)，男，助理工程師，研究方向為核電站電氣、儀控設備的老化管理，email：liushili@cgnpc.com.cn。

張 濤(1987-)，男，助理工程師，研究方向為核電站電纜老化管理。

吳成年(1986-)，男，助理工程師，研究方向為核電站電氣、儀控設備的老化管理。