技术领域
[0001] 本
发明涉及电力行业中电缆内
应力的表征方法，具体是指一种交联聚乙烯电缆绝缘内应力的表征方法。
背景技术
[0002] 交联聚乙烯(XLPE)电力电缆由于电气性能、理化性能优良，传输容量大，结构轻便，附件接头制作相对简单，安装敷设方便，不受高度落差限制等优点，正逐步取代架空线、油纸绝缘电缆和乙丙
橡胶(EPR)绝缘电缆，得到日益广泛的应用。然而对于中高压XLPE电缆，常常出现的问题有新安装的电缆在较低直流
电压下较快击穿的问题；电缆连接附件沿绝缘界面放
电击穿问题；在电缆试验前是否应进行
热处理的问题；还有电缆绝缘老化试验后绝缘的
抗拉强度、断裂伸长率超标问题等。很多研究表明，应力会对XLPE电缆绝缘性能产生很大的影响。
[0003] XLPE电缆安装与敷设(在安放过程中，XLPE电缆不可避免的被弯曲，这也会导致XLPE电缆绝缘面向和背对弯曲中心的两侧绝缘也会出现应力集中的状况)以及运行(在运行过程中，线芯
温度高，而且绝缘层和线芯的导热系数又不同，在XLPE电缆绝缘中会产生温度分布的不均匀，这也会导致XLPE电缆绝缘中的应力集中)过程中会受到应力的作用。一般研究表明，拉应力会对XLPE绝缘中的电树枝特性以及击穿特性产生很大的影响。研究发现，应力的存在会导致电树枝的起始电压显著降低，由树枝发展为击穿的时间显著缩短；机械应力会导致电树枝的生长速度加快；拉应力导致沿着外施
电场方向发展的电树枝单枝。这种树枝发展速度快、扩展范围广，对于高压XLPE电缆的安全运行具有极大的危险性。此外，具有
热应力的XLPE电缆的局部放电
水平可高达20～100pC，待热应力释放后，可恢复至5～10pC；存在热应力的XLPE电缆在进行耐
压实验时，在较低的电压下就会发生击穿。因此，如何有效表征应力具有很重要的意义。
[0004] 残余内应力是指当外部
载荷去掉以后，仍然残存在物体内部的应力。它是由于材料内部宏观或者微观的组织发生了不均匀的体积变化而产生的。
[0005] XLPE绝缘是利用化学方法或者物理方法，在交联管道中，使聚乙烯分子由线型分子结构变为三维网状结构，
工作温度从70℃提高到90℃，显著提高了材料的性能。XLPE电缆在生产过程中，高分子材料要经过
玻璃态、高弹态和粘流态。然而在生产XLPE电缆过程中，交联聚乙烯在粘流态时在管道中冷却，此时交联聚乙烯绝缘材料受到的应力同化在材料中，使得XLPE电缆中残存内应力。XLPE材料由结晶部分和非晶的无定型部分组成，而其中的晶体部分可以用XRD观测。由于XLPE材料的结晶是由高分子链的相对有序排列形成的，其晶面间多为分子间作用力(范德华力，弱结合)结合，在受力时，
晶面间距易发生变化，X-射线通过结晶高聚物时，用光的衍射而形成的衍射峰的
位置和高低来确定晶型和结晶度，通过峰值位移和峰宽变化可以用来分析晶面间距与晶体的内应力。
[0006] 假设无应力状态下某晶粒中的(hkl)晶面间距为d0，在垂直于此晶面的应力σ的作用下，晶面间距d0扩张为dn，晶面间距的变化值Δd＝dn-d0，则应变ε＝Δd/d0，根据弹性力学原理，应力σ可以由下式进行计算
[0007] σ＝Eε＝EΔd/d0 (1-1)
[0009] 公式1-1中，当σ>0，即Δd＝dn-d0为正时，对应的应力类型为拉应力；当σ<0，即Δd＝dn-d0为负时，对应的应力类型为压应力。而应力σ的大小跟Δd的绝对值成正比。
[0010] 材料中的内应力具有一定抵御外施应力的作用，对于内应力最为典型的应用为
钢化玻璃，利用热处理预制内拉应力于材料中，从而使性能大幅提升。
[0011] 高压XLPE电缆在生产过程中会引入内应力，而通
过热处理法进行脱气等过程中，XLPE绝缘中的内应力会得到一定的释放，这是由于在热处理过程中，原本冻结的高聚物分子链段会获得一定的
自由度，从而使内应力得到一定的释放(如果在自由空间，高聚物熔融，即分子链段完全自由，则内应力完全释放)。脱气处理时，XLPE电缆绝缘在热的作用下，使得内应力得到释放。因此只需测量通过热处理脱气之前试样的晶面间距作为dn，测量脱气处理之后试样的晶面间距作为d0，再将d0和dn带入到公式1-1中即可知道XLPE绝缘中的内应力类型。
[0012] XLPE电缆热处理脱气前，处理中具有一定的内应力(受力状态)，试样的晶面间距为dn，测量脱气处理(热处理)之后，内应力得到一定的释放(自由状态)，试样的晶面间距作为d0，则晶面间距的变化Δd＝dn-d0。由于σ＝εE＝EΔd/d0，当Δd>0，即σ>0，对应的内应力类型为拉应力；当Δd<0，即σ<0，对应的内应力类型为压应力。
发明内容
[0013] 本发明的目的是提供一种交联聚乙烯电缆绝缘内应力的表征方法，该方法操作简单，能够准确表征电力行业中交联聚乙烯电缆绝缘内应力。
[0014] 本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：一种交联聚乙烯电缆绝缘内应力的表征方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
[0015] (1)在室温下截取一段交联聚乙烯电缆，将电缆的绝缘层沿电缆径向方向自内向外分成内层绝缘层、中层绝缘层和外层绝缘层三层，外层绝缘层距离电缆外表面距离为电缆绝缘厚度的1/7，中层绝缘层距离电缆外表面距离为电缆绝缘厚度的3/7，内层绝缘层距离电缆外表面距离为电缆绝缘厚度的5/7；
[0016] (2)分别对内层绝缘层、中层绝缘层和外层绝缘层进行切片，得到内层绝缘切片试样、中层绝缘切片试样和外层绝缘切片试样，所有的切片试样均为厚度为0.5mm的长条形状切片试样，内层绝缘切片试样、中层绝缘切片试样和外层绝缘切片试样均为均匀分布在同一圆周上的至少三片；
[0017] (3)对所有切片试样进行同样操作，首先将每片切片试样放入
X射线衍射仪中进行晶面间距测试，获得热处理前切片绝缘晶面间距值，然后将所有切片试样在90℃温度下加热6天后冷却至室温，再次将每片切片试样放入X射线衍射仪中进行晶面间距测试，获得加热处理后切片绝缘晶面间距值，将对应切片试样的热处理前切片绝缘晶面间距值减去加热处理后切片绝缘晶面间距值，获得每片切片试样的切片绝缘晶面间距变化值；
[0018] (4)将所有不同位置切片试样的切片绝缘晶面间距变化值分别进行相加求和，然后求其平均值，获得电缆绝缘不同位置晶面间距变化值。若电缆绝缘晶面间距变化值为负值，说明热处理后的晶面间距变大，则说明交联聚乙烯电缆绝缘中的原始应力为压应力；若电缆绝缘晶面间距变化值为正值，说明热处理后的晶面间距变小，则说明交联聚乙烯电缆绝缘中的原始应力为拉应力，以此来表征交联聚乙烯电缆绝缘的内应力为拉应为或压应力。
[0019] 作为本发明的优先
实施例，所述步骤(2)中，所述的内层绝缘切片试样、中层绝缘切片试样和外层绝缘切片试样均为将电缆的截面均匀分成四部分，在每一部分上获取内层绝缘层、中层绝缘层和外层绝缘层切片，所获得的所有切片试样为至少三十六片。
[0020] 本发明中，所述X射线衍射仪为D8-ADVANCE型衍射仪。
[0021] 与
现有技术相比，本发明提供了一种全新的交联聚乙烯电缆绝缘内应力的表征方法，且该表征方法操作简单，能够准确表征交联聚乙烯电缆绝缘内应力，可以广泛应用于电力行业中。
附图说明
[0022] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
[0023] 图1是本发明交联聚乙烯电缆的截面示意图；
[0024] 图1中，
[0025] 1：内半导电层
[0026] 2：内层绝缘层
[0027] 3：中层绝缘层
[0028] 4：外层绝缘层
[0029] 5：外屏蔽层；
[0030] 图2是本发明实施例一中切片试样在室温下的X射线衍射图谱；
[0031] 图2中，X射线衍射图谱中横坐标表示X射线入射
角度的2倍，纵坐标表示衍射后的强度；图中纵坐标的峰值强度大小与所要研究的对象没有关系，只与峰值横坐标的位置与峰宽有关，为了明显区分XLPE电缆在四个不同位置的XRD图谱，0°、90°、180°和270°位置的取不同的基线，将曲线拉开，便于观察，所得XRD图谱如图2所示，其中，(110)和(200)代表XLPE电缆绝缘中的特征晶面，通过分析特征晶面晶格间距的变化来说明电缆绝缘中的拉压应力；
[0032] 图3是本发明实施例一中切片试样经过加热处理后获得的X射线衍射图谱；
[0033] 同图2，图3中横坐标表示X射线入射角度的2倍，纵坐标表示衍射后的强度，图中纵坐标的峰值强度大小与所要研究的对象没有关系，为了明显区分XLPE电缆在四个不同位置的XRD图谱，取0°位置的基线为0，90°位置的基线为3000，180°位置的基线为6000，270°位置的基线为9000，所得XRD图谱如图3所示，其中，(110)和(200)代表XLPE电缆绝缘中的特征晶面，通过分析特征晶面晶格间距的变化来说明电缆绝缘中的拉压应力。
具体实施方式
[0034] 实施例一
[0035] 本发明一种交联聚乙烯电缆绝缘内应力的表征方法的实施例一的具体过程如下：
[0036] 取某电缆厂交联工艺110kV的交联聚乙烯电缆(编号为A-XLPE电缆)，在25℃的室温下将交联聚乙烯电缆手工利用锯条锯成长度为200mm的小段，再使用电缆绝缘切片机沿着电缆径向方向，按照在绝缘层电缆中所处的不同的位置，将电缆的绝缘层沿电缆径向方向自内向外分成内层绝缘层2、中层绝缘层3和外层绝缘层4三层，电缆的中心处为内半导电层1，最外层为外屏蔽层5，外层绝缘层4距离电缆外表面3mm，中层绝缘层3距离电缆外表面9mm，内层绝缘层2距离电缆外表面15mm。该A-XLPE电缆中，电缆绝缘层的总厚度为21mm。一般室温在5℃至35℃范围内均可。
[0037] 分别对内层绝缘层2、中层绝缘层3和外层绝缘层4进行切片，得到内层绝缘切片试样、中层绝缘切片试样和外层绝缘切片试样，所有的切片试样均为厚度为0.5mm的长条形状。内层绝缘切片试样、中层绝缘切片试样和外层绝缘切片试样均为均匀分布在同一圆周上的四片，相邻切片之间具有90°的夹角。
[0038] 在对交联聚乙烯电缆切片时，首先将小段电缆夹持在切片机夹具上进行切片，待切片完毕后，将剩余部分分别旋转90°、180°及270°后进行切片。先取外层试样，而后取中层及内层，对于同一根电缆同一绝缘位置(相同的层和旋转角度相同)，取3个不同的试样，这样由同一根电缆便得到了4组不同试样，如图1所示。按照旋转角度的差异对4组切片进行区分。
[0039] 对所有切片试样进行同样操作，首先将每片切片试样放入D8-ADVANCE型的X射线衍射仪中进行晶面间距测试，获得加热处理前切片绝缘晶面间距值，然后将所有切片试样在90℃温度下加热6天后冷却至25℃的室温，再次将每片切片试样放入D8-ADVANCE型的X射线衍射仪中进行晶面间距测试，获得加热处理后切片绝缘晶面间距值，将对应切片试样的加热处理前切片绝缘晶面间距值减去加热处理后切片绝缘晶面间距值，获得每片切片试样的绝缘晶面间距变化值。
[0040] 将所有不同位置切片试样的切片绝缘晶面间距变化值分别进行相加求和，然后求其平均值，获得电缆绝缘不同位置晶面间距变化值。
[0041] 图2为A-XLPE电缆外层绝缘XRD图谱，
[0042] 图3为A-XLPE电缆外层绝缘在90℃下加热6天后XRD图谱，
[0043] 表1为90℃下加热前后A-XLPE电缆绝缘晶面间距值，
[0044] 表2为A-XLPE电缆绝缘晶面间距变化值。
[0045] 表中， 和 分别代表XLPE电缆绝缘中的(110)和(200)特征晶面，通过XRD衍射仪来测量(110)和(200)特征晶面的晶面间距值。
[0046] 表1：90℃下加热前后中A-XLPE电缆绝缘晶面间距值
[0047]
[0048] 表2：A-XLPE电缆绝缘晶面间距变化值
[0049]
[0050] 由表1、表2可以看出，对于A-XLPE试样，经过90℃下加热6天热处理后的晶面间距变小。这说明，在未热处理时，绝缘中原始应力应为拉应力。
[0051] 作为本实施例的变换，所截取的一段交联聚乙烯电缆长度可以在200～300mm范围内取值。通常，外层绝缘层距离电缆外表面距离为电缆绝缘厚度的1/7，中层绝缘层距离电缆外表面距离为电缆绝缘厚度的3/7，内层绝缘层距离电缆外表面距离为电缆绝缘厚度的5/7为宜。
[0052] 作为本实施例的优选方案，所有的切片试样均为厚度为0.5mm的长条形状切片试样，内层绝缘切片试样、中层绝缘切片试样和外层绝缘切片试样均为均匀分布在同一圆周上的至少三片。
[0053] 作为本实施例的变换，所述的内层绝缘切片试样、中层绝缘切片试样和外层绝缘切片试样均为将电缆的截面均匀分成四部分，在每一部分上获取内层绝缘层、中层绝缘层和外层绝缘层切片，所获得的所有切片试样为至少三十六片。
[0054] 实施例二
[0055] 取某电缆厂交联工艺110kV的交联聚乙烯(编号为B-XLPE电缆)，在室温下将交联聚乙烯电缆手工利用锯条锯成长度为300mm的小段，按照实施例一中相同的试样处理过程与测试方法，对其进行内应力测试。所获得晶面间距变化如表3、表4所示。
[0056] 表3：90℃下加热前后B-XLPE电缆绝缘晶面间距值
[0057]
[0058] 表4：B-XLPE电缆绝缘晶面间距变化值
[0059]
[0060] 由表3、表4可以看出，对于B-XLPE试样，经过90℃下加热6天热处理后的晶面间距有变大的趋势。这说明，在未热处理时，绝缘中原始应力应为压应力。
[0061] 本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的
修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之内。
