一种现场快速测量XLPE电缆交联度的方法与流程

一种现场快速测量XLPE电缆交联度的方法与流程

本发明涉及电力电缆入网检测中的绝缘质量检测
技术领域
,尤其涉及一种现场快速测量xlpe电缆交联度的方法。
背景技术
:随着我国城市经济的持续发展和人民生活水平的不断提高,城市电网电力需求日益增加。由于线路走廊的限制,环境美化的要求等,现代城市电网大量依赖电力电缆进行电力输送。交联聚乙烯(xlpe)电缆因其具有优良的机械、耐热、电气性能,在城市配电网得到了大量应用。然而,虽然我国电线电缆生产企业众多,但由于生产投资少、技术含量低,小规模企业占绝大多数,这些企业多数没有检测室或有检测室而不能正常开展工作。由于这些小企业既不懂电线电缆质量检测的重要指标与原材料的关系,又不具备出厂检验能力,其产品质量很难控制,所以造成企业产品质量波动大,产品合格率低。另外,部分电缆企业为了节省成本,获取更大的经济利润,生产的电线电缆多以低端产品为主,且很多产品不按照相关标准生产,导致市场上常常出现不合格产品。更有甚者,有部分企业在没有获得相关批准时候就开展了电线电缆的制造,这样就在某种程度上致使产品存在严重的质量问题。若电缆入网检测未能检出不合格电缆,这些电缆投运后将对电力系统的安全稳定运行造成很大隐患,甚至对国民财产和人身安全造成严重威胁。对于电网运行企业而言,质量监督的职责重大。严格把控电缆的入网检测关,完善和提高电缆入网检测的标准是一项重要而紧迫的任务。xlpe是由聚乙烯(pe)交联而成,交联是改善pe性能的重要工序,交联后的xlpe性能大幅改良提升,有利于满足现场复杂的运行环境,特别是夏天过流过负荷条件下的高温运行环境。xlpe电缆绝缘质量与其交联度具有密切关系,表征pe交联水平的交联度是xlpe电缆性能质量的基本参数。因此,检测xlpe材料的交联度成为了一种评价xlpe电力电缆质量水平的重要手段。针对xlpe交联度测试,目前通用的两种方法是xlpe凝胶萃取法和热延伸试验法。其中凝胶萃取法是利用二甲苯将xlpe中未交联的pe萃取后,用剩余物质量占原xlpe试样总质量比作为交联度。但由于二甲苯萃取时将不溶于二甲苯的所有物质都作为交联后的xlpe,而xlpe中会有一些填料(如交联剂和硅烷偶联剂等)或杂质等不溶于二甲苯,导致溶解的xlpe比例下降,所以整体会使二甲苯法测得的交联度偏高。另外,二甲苯的萃取温度范围为139-140℃,而在此温度区间,也正好是xlpe交联反应的温度区间,导致在萃取过程中,xlpe再次发生交联反应,增加了交联度。而热延伸实验法由于需要在电缆绝缘上取样并制作哑铃状样本进行测试,制样过程较为复杂,导致整体测试时间长。另外,在前期测试中发现对于交联度较低的样本(低于60%),做热延伸实验时xlpe材料均将发生断裂,导致无法计算试样伸长率,从而无法对比不同交联度样本的力学性能。由此,上述两种检测方法均存在检测时间长、检测准确度低、不能进行现场快速检测等问题。如何快速准确地测试现场电缆交联度成为亟待解决的问题。技术实现要素:本发明所要解决的技术问题是:现有xlpe交联度检测方法存在检测时间长、检测准确度低、不能进行现场快速检测问题,本发明提供了解决上述问题的一种现场快速测量xlpe电缆交联度的方法,该方法基于差示扫描量热法(dsc)进行现场xlpe交联度的快速准确测定,实现对xlpe电缆绝缘交联度进行准确测量和判断,并为判断电缆绝缘质量提供重要依据。本发明具有技术先进、易于操作、适用度广、节省时间、准确度高的优点。本发明通过下述技术方案实现:一种现场快速测量xlpe电缆交联度的方法,该方法包括如下步骤:步骤s1:制备不同交联度xlpe电缆样本,并利用凝胶法标定样本交联度;步骤s2:对步骤s1中的样本利用dsc仪测量电缆绝缘试样的吸热熔融曲线,统计各个测量样本的熔融焓,并计算样本结晶度r,进而得到样本交联度c,交联度公式如下:式中,c为交联度,r为样本结晶度;步骤s3:利用dsc仪对待测交联度材料的结晶度进行测量与计算,根据步骤s2交联度公式,计算其交联度;并利用熔融峰温度判断所测电缆绝缘交联合格与否,当交联度低于75%时,认为样本交联不合格;当材料熔融峰温度高于107℃时,认为材料交联不合格。工作原理是:基于现有xlpe交联度检测方法存在检测时间长、检测准确度低、不能进行现场快速检测问题,本发明公开了一种现场快速测量xlpe电缆绝缘交联度的方法,该方法利用xlpe交联度升高时材料结晶度下降这一规律,首先制备不同交联度xlpe电缆样本并利用凝胶法标定样本交联度;之后对这些样本利用dsc仪测量电缆绝缘试样的吸热熔融曲线,进而利用ta分析软件计算材料结晶度,进而找出xlpe样本结晶度和交联度之间的对应关系并确定利用结晶度计算交联度的关系式。最后利用dsc仪测量未知交联度材料的结晶度,并计算其交联度,并利用熔融峰温度综合判断电缆绝缘交联合格与否。与现有技术相比,本发明不仅能够实现现场快速检测各种交联方法制备的xlpe电缆绝缘的交联度,并且具有无污染、环保的优点;本发明方法适用于各种方式交联的xlpe电缆,不论是硅烷交联电缆,还是过氧化物交联电缆,样本结晶度均能较为准确地反映出绝缘交联度。进一步地,所述步骤s1具体包括如下步骤:步骤s11:采样,采取xlpe电缆样本具体包括:用工具刀剥除xlpe电缆外护套,去掉外护套内的钢铠,并取出三根电缆或单根电缆,并剥取电缆一端3cm长的外半导电层,露出绝缘层;再用另外一把工具刀取样,首先,先将工具刀用无水乙醇溶液擦拭干净,其次,用干净的工具刀在xlpe电缆绝缘上切取0.1-0.3g绝缘试样,用干净的镊子夹取试样并将其放置于称量纸上,然后用镊子夹着试样切取3-5mg样品,重量值精确到0.01mg;准备一个干净的空铝坩埚,温度范围-170~600℃,先将空坩埚放在天平上称重,去皮清零;随后将样品加入坩埚中,称取样品重量;加上坩埚盖,不在坩埚盖上扎孔,放到压机上压一下,将坩埚与坩埚盖压在一起;其中,用干净的工具刀切取待测试样本并用干净的镊子夹取试样、将试样放置于干净的称量纸的原因在于xlpe的热焓容易受到杂质的影响,整个取样过程必须用干净的工具刀和镊子,以免杂质混入待测量的试样中,影响结晶度测量结果。另外,样本重量须精确到0.01mg,这是因为进行测量的样本总重量为3-5mg,若重量精确不够精确,将降低测量精确度。此外,将待测样品放入坩埚盖上坩埚盖后,不在坩埚盖上扎孔。这是因为:1)如果不加盖子,水的挥发峰会是一个从低温就开始的宽的峰,有好多热效应,例如聚合物的玻璃化转变及吸热峰可能和水的挥发峰重合难以分辨玻璃化转变及吸热峰,所以坩埚加盖子可以把水峰推向高温从而分离重叠的效应。2)扎孔通常是人工操作的,不好控制所扎孔的大小,如果反应物中有气体放出或者汽化等发生时,就可能在里面形成一个压力场,孔的大小在一定程度上决定了内部气压的大小,也影响了反应物的热曲线,对实验结果造成人为误差。步骤s12:装样,对步骤s11采样后进行装样,具体包括:将样品坩埚放在仪器中的样品位,同时在参比位放一空坩埚作为参比;坩埚放置在定位圈的中心位置,随后盖上炉体的三层盖子,盖上内层盖子时使用镊子操作;步骤s13:设置测量参数并初始化;步骤s14:测量,测量完成,打开炉盖,取出样品,再合上炉盖;如后续还有样品,参比坩埚不取出。进一步地,步骤s11之前包括,确认测量所使用的吹扫气情况,采用n2作为保护气与吹扫气;将气体钢瓶减压阀的出口压力通常调到0.3bar左右,最高不能超出0.5bar,否则易于损坏质量流量计mfc。开机后,保护气体开关应始终为打开状态,吹扫气体使用压力为<0.05mpa(一般0.3bar),一般情况下流速为40ml/min。以保证样本熔融焓不受空气中其他气体及杂质影响,保证结晶度测量结果的准确性。进一步地,步骤s12中,若是多个样本测量,且测量温度超过100℃,则相邻样本之间放样时须等到炉体温度低于100℃后盖上内盖,这是因为若炉体温度高于100℃就盖上内盖,则一方面会导致炉体温度不易快速下降,影响测试效率;另一方面炉体降温过程中将对测试试样的结晶度造成影响,在此过程中样本可能再次发生结晶,从而影响到测量结果。进一步地,步骤s13中设置测量参数并初始化,其中,样本dsc仪测量温度条件为40-150℃升温,升温速率为20℃/min,全程n2保护。测试温度选取40-150℃原因是不同交联度的xlpe其熔融温度通常高于40℃而低于140℃,因此在此范围内测量能够提高测量效率。若测量起始温度过高,则样本在较低温度下的熔融过程将不能被测量到,导致测量结果偏低。另外,升温速率选取20℃/min的原因是采用这个升温速率能够提高测试效率,又不会影响结晶度测量结果的准确性。进一步地,步骤s2中样本结晶度r的公式如下:式中,δh100为结晶度100%的熔融焓,δh100=287.3j/g,δhm为测试样本实际熔融焓。进一步地,步骤s2中统计各个测量样本的熔融焓时,选取60℃-实际熔融峰温度值温度区间来计算样本熔融焓,这是根据实验结果发现,不同交联度xlpe在60℃以上将发生明显的熔融过程,而熔融终止温度因不同交联度而存在差异,不能用统一的温度区间计算样本熔融焓,以降低测量误差。进一步地,步骤s2中的交联度计算公式适用于升温区间为40-150℃,升温速率为20℃/min条件下测量得到的结晶度和熔融峰温度。本发明与现有技术相比,具有如下的优点和有益效果:1、本发明采用的仪器设备仅为一台dsc仪及n2装置,设备体积较小,便于在现场使用;2、本发明一种现场快速测量xlpe电缆交联度的方法,适用于各种方式交联的xlpe电缆,不论是硅烷交联电缆,还是过氧化物交联电缆,样本结晶度均能较为准确地反映出绝缘交联度;3、本发明一种现场快速测量xlpe电缆交联度的方法,相比于凝胶萃取法,无须使用有毒性、可致癌的二甲苯溶液,对人体不会造成伤害,不会威胁人身健康;4、本发明一种现场快速测量xlpe电缆交联度的方法,测试效率远远高于凝胶萃取法;首先,在电缆上取样时无须考虑取样形状,取样后无须将样本制成哑铃型等特定形状,缩短了制样时间。第二,由于测量温度范围为40-150℃,升温速率为20℃/min,加上制样时间,一个样本总共测量时间约为10min,大大缩短了测量时间。提高了测量效率。第三,测量得到熔融焓后计算交联度方便。dsc仪测量得到结晶度后,可以直接显示出相对应的交联度,进而判断绝缘交联度合格与否及绝缘质量。5、本发明一种现场快速测量xlpe电缆交联度的方法,能够有效判断电缆绝缘的交联度及绝缘质量。样本发生交联时将影响其结晶的进行,导致样本结晶度下降,因此通过测量样本结晶度可以有效判断样本交联度。附图说明此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本发明实施例的限定。在附图中:图1为本发明步骤6数据分析曲线图。图2为本发明数据分析熔融焓及熔融峰温度的分析结果图。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施例和附图,对本发明作进一步的详细说明,本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明,并不作为对本发明的限定。实施例如图1、图2所示,本发明一种现场快速测量xlpe电缆交联度的方法,该方法包括如下步骤:步骤s1:制备不同交联度xlpe电缆样本,并利用凝胶法标定样本交联度;步骤s2:对步骤s1中的样本利用dsc仪测量电缆绝缘试样的吸热熔融曲线,统计各个测量样本的熔融焓,并计算样本结晶度r,进而得到样本交联度c,交联度公式如下:式中,c为交联度,r为样本结晶度;步骤s3:利用dsc仪对待测交联度材料的结晶度进行测量与计算,根据步骤s2交联度公式,计算其交联度;并利用熔融峰温度判断所测电缆绝缘交联合格与否,当交联度低于75%时,认为样本交联不合格;当材料熔融峰温度高于107℃时,认为材料交联不合格。本发明方法利用xlpe交联度升高时材料结晶度下降这一规律,首先制备不同交联度xlpe电缆样本并利用凝胶法标定样本交联度;之后对这些样本利用dsc仪测量电缆绝缘试样的吸热熔融曲线,进而利用ta分析软件计算材料结晶度,进而找出xlpe样本结晶度和交联度之间的对应关系并确定利用结晶度计算交联度的关系式。最后利用dsc仪测量未知交联度材料的结晶度,并计算其交联度,并利用熔融峰温度综合判断电缆绝缘交联合格与否。与现有技术相比,本发明不仅能够实现现场快速检测各种交联方法制备的xlpe电缆绝缘的交联度,并且具有无污染、环保的优点。实施例中的差示扫描量热法使用差示扫描量热仪,差示扫描量热仪型号为dsc200f3,本发明方法的具体步骤如下:1.开机打开计算机与dsc200f3,一般开机半小时后便可以进行样品测试。2.气体与液氮确认测量所使用的吹扫气情况,采用n2作为保护气与吹扫气。将气体钢瓶减压阀的出口压力(显示的是高出常压的部分)通常调到0.3bar左右,最高不能超出0.5bar。3.制备样品用工具刀剥除xlpe电缆外护套,去掉外护套内的钢铠,并取出三根电缆(三相电缆)或单根电缆(单相电缆),并剥取电缆一端3cm长的外半导电层,露出绝缘层,之后用干净的工具刀在xlpe电缆绝缘上切取0.1-0.3g绝缘试样,用干净的镊子夹取试样并将其放置于干净的称量纸上。之后用镊子夹着试样用干净的工具刀切取3-5mg样品,并将其放置于干净的称量纸上,重量值精确到0.01mg。准备一个干净的空铝坩埚,温度范围-170~600℃。先将空坩埚放在天平上称重,去皮(清零),随后将样品加入坩埚中,称取样品重量。加上坩埚盖,放到压机上压一下,将坩埚与坩埚盖压在一起。4.装样将样品坩埚放在仪器中的样品位(右侧),同时在参比位(左侧)放一空坩埚作为参比。坩埚应尽量放置在定位圈的中心位置。随后盖上炉体的三层盖子,内层盖子应使用镊子操作。若是多个样本测量,且测量温度超过100℃,则相邻样本之间放样时须等到炉体温度低于100℃方可盖上内盖。5.测量1)软件测量初始参数设置打开测量软件,点击“文件”菜单下的“新建”,弹出“测量设定”对话框。该对话框包含四个标签页,分别为:设置、基本信息、温度程序、最后的条目。首先在“设置”对话框中确认一下仪器的硬件设置(坩埚类型、冷却设备等),随后点击“下一步”,进入基本信息设定。在对话框的上半部选择测量类型,输入实验室、操作者、样品名称、编号、重量等参数,并确认当前连接的气体种类。其中必填的是测量类型、样品名称、样品编号与样品质量四项。测量类型选择“样品”。样品质量最好精确到0.01mg,而其他的参比质量、坩埚质量等对测试没有影响,均可留空不填,或填个大致数字即可。2)设定温度程序样本dsc测试温度条件为:40-150℃升温,升温速率:20℃/min,全程n2保护。先将“开始温度”处改为40,将吹扫气2(n2)和保护气左侧打上勾,流量一般用默认值(保护气为60ml/min,吹扫气为40ml/min)。点击“增加”,“温度段类别”自动跳到“动态”。在“终止温度”处输入150,“升温速率”处输入20,采样速率使用默认值,点击“增加”,再在“温度段类别”处选择“结束”。“紧急复位温度”使用默认值即可(默认为终止温度 10℃。在“设置”选项卡的“紧急温度”中可修改此默认值)。此时温度程序的编辑已经完成,“结束等待”段一般不必设置。点击“下一步”,进入下一步骤。3)设定测量文件名温度程序编辑完成后,点击“下一步”,弹出测量文件名设定对话框,选择存盘路径,设定文件名,设定完成后点击“保存”,回到“测量设定”的主界面。4)初始化工作条件与开始测量依据设置好参数后,点击“测量”或“下一步”按钮,弹出“dsc200f3在...调整”对话框。点击“初始化工作条件”,内置的质量流量计将根据实验设置自动打开各路气体并将其流量调整到“初始”段的设定值。随后点击“诊断”菜单下的“炉体温度”与“查看信号”,调出相应的显示框。若仪器已处于稳定状态,dsc信号稳定,当前实际温度(炉体温度或样品温度)与设定起始温度相近或一致,即可点击“开始”开始测量。5)测量完成打开炉盖,取出样品。再合上炉盖。如后续还有样品,参比坩埚可不取出。6.数据分析1)点击“文件”菜单下的“打开”项,在分析软件中打开所需分析的数据文件。2)切换时间/温度坐标。刚调入分析软件中的图谱默认的横坐标为时间坐标。对于动态升温测试一般习惯于在温度坐标下显示,可点击“设置”坐标下的“x-温度”(工具栏按钮)将坐标切换为温度坐标。3)切换热量单位。点击“设置”坐标下的“dsc单位”(工具栏按钮)选择mw/mg。4)平滑。选中曲线后,点击“设置”菜单下的“平滑”,在弹出的“平滑样品”界面的左上角选择平滑等级,平滑等级共分十六级,等级越高,平滑程度越大,但须注意在高的平滑等级下曲线可能会稍有些变形。一般的平滑原则为在不扭曲曲线形状的前提下尽量的去除噪音、使曲线光滑一些。若对平滑效果满意,点击“确定”即可。5)曲线标注熔融峰值标注:首先点击选中待标注的曲线(曲线变白,表示曲线被选中),随后点击“分析”菜单下的“峰值”,在随后出现的标注界面中将左右两条标注线拖动到熔融吸热峰的左右两侧,点击“应用”,软件即自动进行峰值标注。熔融面积:点击“确定”退出后,再点击“分析”菜单下的“面积”,在随后出现的标注界面中将左右两条标注线拖动到熔融吸热峰左右两侧曲线较平的地方,结合xlpe熔融特点,选取60℃-实际熔融峰温度值温度区间计算样本熔融焓。基线类型此处可选“线性”(linear),随后点击“应用”,软件即自动进行峰面积的积分计算。6)保存分析文件数据分析完毕后可将其保存为分析文件,方便以后调用查看。点击“文件”菜单下的“保存状态为…”(工具栏按钮),在随后弹出的对话框中设定文件名进行保存。7.结晶度计算1)结晶度计算统计各个测量样本的熔融焓(即在ta分析软件中标注的峰面积值),之后利用式(1)计算样本结晶度r:其中,δh100为结晶度100%的熔融焓,在这里取δh100=287.3j/g,δhm为测试样本实际熔融焓。2)交联度判断根据式(2)计算样本交联度。其中r为样本结晶度,单位为%,c为交联度,单位为%。首先根据结晶度计算结果确定样本结晶度范围,之后利用分段函数计算样本交联度。上述过程可在dsc仪中完成,因此当测量得到结晶度后可直接读出交联度。另外,由于交联度与材料熔融峰温度呈负相关关系,因此可以利用材料的熔融峰温度辅助判断样本交联度。如表1所示。表1xlpe样本交联度与熔融峰温度的对应关系熔融峰温度区间/℃交联度/%110-1120109.5-11020107-109.540105-10760103-105803)样本绝缘交联合格与否判断根据交联度计算结果,当交联度低于75%时,即当结晶度低于28.74%时,判断样本交联不合格。另外,根据表1所示的熔融峰温度和交联度的对应关系,当材料熔融峰温度高于107℃时,认为材料交联不合格。需要说明的是,在利用dsc吸热熔融曲线计算样本结晶度时,本发明选用60℃-实际熔融温度的温度区间计算样本结晶度,这是因为根据大量的dsc测量曲线,xlpe样本在60℃以上开始发生明显的熔融过程,而样本熔融结束的温度往往差别比较大,并不在相同的一个高温温度,例如120-130℃,故本发明采用上述方法确定样本熔融焓的范围。需要说明的是,对样本进行dsc测量时,采用不消除样本热历史的方法,这样做的原因是样本的热历史和其结晶度密切相关,或者说,样本当前的结晶度时其以往热历史共同作用的结果。若采取快速升降温的方法消除样本热历史,将极大地改变样本的结晶度及结晶形态,从而导致测量结果不准确。需要说明的是,在对样本进行结晶度测量时,需要在样本不同部位切取至少3个样本进行dsc测试,确保测量的准确性。对于异常数据应该多次测量,最后取最接近的3个数去平均值作为该样本的结晶度。实施例1(1)不同交联度xlpe样本制备在低密度聚乙烯(ldpe)中添加质量比为2.0%的dcp交联剂,之后利用表2所示的t-t控制方案制备5组不同交联度xlpe样本。其中t为交联温度,t为交联时间。按其交联程度递增的关系依次编号1#~5#。表2过氧化物dcp生产已知交联度xlpe的t-t控制方案xlpedcp分解率交联温度t交联时间t试样10%110℃5min试样225%130℃33min试样350%150℃10min试样475%150℃19min试样5100%170℃2min(2)样本结晶度测量及交联度计算采用本发明方法对5组样本结晶度进行测量,并计算样本交联度,得到如表3所示的样本结晶度及交联度。理论值和实际值基本吻合。表35种xlpe试样结晶度及交联度结果实施例2(1)不同交联度xlpe样本制备利用yj-10交联料及表4所示的t-t控制方案制备4组不同交联度xlpe样本。其中t为交联温度,t为交联时间。按其交联程度递增的关系依次编号1#~4#。表4过氧化物dcp生产已知交联度xlpe的t-t控制方案xlpe交联温度t交联时间t试样1120℃10min试样2142℃15min试样3147℃15min试样4160℃10min(2)样本结晶度测量及交联度计算采用本发明方法对4组样本结晶度进行测量,并计算样本交联度,得到如表5所示的样本结晶度及交联度。理论值和实际值基本吻合。表55种xlpe试样结晶度及交联度结果由上述两组试验数据,可以清楚地看出,本发明方法用于xlpe电缆交联度测量结果理论值基本吻合,测量准确率高,且方法快速;本发明一种现场快速测量xlpe电缆交联度的方法,能够有效判断电缆绝缘的交联度及绝缘质量,样本发生交联时将影响其结晶的进行,导致样本结晶度下降,因此通过测量样本结晶度可以有效判断样本交联度;本发明方法适用于各种方式交联的xlpe电缆,不论是硅烷交联电缆,还是过氧化物交联电缆,样本结晶度均能较为准确地反映出绝缘交联度。以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3

2021-05-10 原文

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