一种高压交联聚乙烯电缆弯曲程度的表征方法与流程

本发明涉及电缆弯曲程度表征方法，具体是指一种高压交联聚乙烯电缆弯曲程度的表征方法。

背景技术：

在实际的电缆生产、安装及运行过程中，交联聚乙烯(xlpe)电缆绝缘的使用寿命往往受到生产工艺、运行条件、安装敷设及外部环境的影响而缩短，据统计，大约有12％的10kv以上的电缆由于施工和安装的不当而造成严重的电缆事故，影响电力系统的安全可靠运行。电缆在安装敷设及运行的过程中，容易受到地理条件、施工机具以及人员操作等条件的限制，出现一些诸如电缆弯曲形变、电缆端部进水、电缆外护套崩裂、本体机械应力内伤等现象，导致电缆内部场强畸变，绝缘局部放电甚至击穿，增加电缆在运行过程中发生故障的几率。

高压xlpe电缆安装与敷设中，由于地理因素、人为操作及后期施工等影响，电缆不可避免地受到强大应力的冲击，产生一定的弯曲现象，而弯曲部位容易产生电缆金属屏蔽层崩裂、电缆本体机械应力内伤、绝缘击穿、及材料老化等问题，对xlpe绝缘的性能产生一定的影响。例如，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；应力集中区域的xlpe电缆的局部放电水平会有大幅提升，在较低的电压下就会发生击穿。而电缆弯曲程度最严重的地方往往是事故的易发区。因此，当电缆发生故障后，对电缆进行故障分析检测和运行历史追溯时，其是否弯曲形变及弯曲形变程度分布情况是不可忽略的一大重要因素。而对于高压xlpe弯曲电缆，尤其是整体形变程度不大且运行在高压高温环境下的电缆，将其挖出一段时间后，由于材料弹性形变恢复导致电缆弯曲形变会逐渐变小，甚至恢复到直线段状态，用肉眼无法直接精确地观测并判断电缆弯曲程度分布，尤其是弯曲程度最严重的地方，这样就无法有针对性地对故障电缆进行精确定位检查，严重影响了电缆事故分析。因此，如何快速、准确地找出电缆弯曲程度最严重部位，对于电缆故障分析判断具有重大的意义。

对于高压xlpe电缆，目前工业生产中基本上都采用过氧化物交联法,交联剂一般采用过氧化二异丙苯(dcp)。国内外大量学者研究发现，在xlpe的生产过程中，dcp会分解产生一些交联副产物，包括苯乙酮、α-甲基苯乙烯、枯基醇、甲烷和水等，其中，苯乙酮的含量最高，这些交联副产物中含有大量极性分子，残留在电缆绝缘中，会形成很多电荷陷阱，造成绝缘老化。而在日常的电缆绝缘材料理化分析中，交联副产物含量的测定是比较容易实现的，而交联副产物的含量本身就是非常重要的表征电缆绝缘状况的参数。因此，可以将高压xlpe电缆弯曲形变情况与其内部交联副产物的含量分布情况相联系，进行对照分析。根据实际情况，弯曲状态下的高压xlpe电缆正常工作时，铜芯的温度可以达到90℃，在这种高温作用下，电缆中残余的副产物的迁移变得容易，副产物会向电缆弯曲两侧逃逸，同时由于弯曲电缆的最大弯曲处有应力集中的现象，在副产物逃逸过程中，集中的应力相当于驱动力，会使副产物向应力较小的区域发生迁移，最终的结果会导致不同弯曲程度处交联副产物的含量产生明显的变化。因此，用容易检测的交联副产物含量的变化情况来表征追溯电缆实际运行形变情况，反推弯曲电缆的弯曲形变情况及弯曲程度最严重的部位，是一个具有创新性且可靠有效的办法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高压xlpe电缆弯曲程度表征方法，该方法操作简单，能够准确快速地找到高压xlpe弯曲电缆弯曲程度最严重的部位。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高压交联聚乙烯电缆弯曲程度的表征方法，包括以下步骤：

(1)取待测电缆，将其均等地分为n段，并分别编号，将每段电缆切割截取；

(2)对截取的电缆段的弯曲外侧和弯曲内侧分别进行切片取样；

(3)在所有长条状切片的中心处截取试样进行红外光谱检测，将所有试样进行波段为4000-400cm^-1的红外光谱检测，取交联副产物最多的物质波数为1690cm^-1处苯乙酮的特征峰作为交联副产物的代表峰进行比较；

(4)采用基线法，用作图软件算出1690cm^-1处苯乙酮的特征峰面积，用特征峰面积来表示苯乙酮的含量，做出不同电缆段副产物含量在1690cm^-1处吸收峰面积大小的变化趋势；

(5)根据不同电缆段副产物含量变化曲线，找出副产物含量最低的点，如果副产物含量最低的点两侧副产物含量是先快速上升，然后缓慢下降，呈现出“m”型变化趋势，则此副产物含量最低的点即为电缆弯曲程度最严重的区域，沿此点向两端延伸，电缆的弯曲程度逐渐降低。

步骤(2)中，分别对弯曲外侧和内侧试样进行切片，在切样时，首先将小段电缆夹持在切片机夹具上，平切弯曲外侧或内侧绝缘，待这一侧切割完成后，将剩余电缆样旋转180°进行切样，即可得到另一侧的试样。

步骤(2)中，切片取样的要求为：厚度为0.5mm的长条形状试样，且取距电缆外屏蔽15mm处的试样作为测试样本。

步骤(3)中，需在电缆切片中间位置截取需要尺寸的试样。

步骤(1)和(3)中，电缆段和电缆切片试样被切下后即对其进行密封处理。

步骤(4)中，红外光谱检测时采用透光式，先测量空气的红外光谱作为背景，然后测试xlpe电缆绝缘试样的红外光谱图。

相对于现有技术，本发明具有如下效果：

本发明的一种全新的高压交联聚乙烯电缆弯曲程度的表征方法，xlpe电缆弯曲后，由于高温和应力的共同作用，xlpe绝缘中残余的副产物苯乙酮会发生迁移，即由应力集中的部位向应力较小的部位移动，最终导致不同部位的副产物苯乙酮的含量不同，因此在应力和热的长期作用下，弯曲电缆段中交联副产物苯乙酮的含量沿电缆弯曲部分最终会呈“m”型分布，利用苯乙酮的这种分布特性，在电缆弹性形变恢复后的故障诊断中，可以快速、准确地表征xlpe在运行过程中的弯曲情况，找出其弯曲程度最严重的部位。该表征方法简单有效，适用于由过氧化二异丙苯(dcp)作为交联剂生产的xlpe电缆。

进一步，将其均等地分为n段，划分得越多，测量结果越准确。

进一步，进行密封处理，能够防止副产物在制样过程中有所挥发，对结果产生一定的影响。

进一步，由于试样切割时是沿电缆径向平切，所以取样时候取最中间位置才能确保测量结果准确。

附图说明

图1为弯曲电缆中不同弯曲程度部位副产物含量变化示意图；

图2为切片试样全波段红外光谱图；

图3为1690cm^-1处特征峰放大；

图4为外侧试样1690cm^-1吸收峰放大；

图5为内侧试样1690cm^-1吸收峰放大；

图6为1690cm^-1特征峰面积变化情况；

图7为1690cm^-1特征峰面积变化情况。

具体实施方式

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。

本发明一种高压交联聚乙烯电缆弯曲程度的表征方法，，该方法如下：

1)取待测电缆，将其均等地分为n段(划分得越多，测量结果越准确)，对其分别进行编号#1、#2、#3、#4……，将每段电缆切割截取以便取样分析。

2)对截取的电缆段的弯曲外侧和弯曲内侧分别进行切片取样，电缆绝缘切片均为厚度为0.5mm的长条形状试样，取距电缆外屏蔽15mm处的试样作为测试样本；

3)在所有长条状切片的中心处截取尺寸为30mm×15mm×0.5mm的试样进行红外光谱检测(由于试样切割时是沿电缆径向平切，所以取样时候取最中间位置才能确保测量结果准确)，将所有试样进行波段为4000-400cm^-1的红外光谱检测，由于交联副产物中苯乙酮的含量最多，因此取波数为1690cm^-1处苯乙酮的特征峰作为交联副产物的代表峰进行比较；

4)采用基线法，用origin等作图软件算出1690cm-1处苯乙酮的特征峰面积，用特征峰面积来表示苯乙酮的含量，峰面积越大，表示交联副产物苯乙酮的含量越大，做出1690cm-1处吸收峰面积大小的变化趋势

5)根据不同电缆段副产物含量变化曲线，找出副产物含量最低的点，如果其两侧副产物含量是先快速上升，然后缓慢下降，呈现出“m”型变化趋势，则此副产物含量最低的点即为电缆弯曲程度最严重的区域，沿此点向两端延伸，电缆的弯曲程度逐渐降低。

在本发明中，所述步骤(1)和(3)中，所述的电缆段和电缆切片试样被切下后即对其进行密封处理，防止副产物在制样3过程中有所挥发，对结果产生一定的影响。

本发明中，所述红外光谱仪为irprestige-21型红外光谱仪，测量试样时采用透光式，先测量空气的红外光谱作为背景，然后测试xlpe电缆绝缘试样的红外光谱图。

本发明的原理为：当电缆弯曲加热后，会受到应力和热场的双重作用，在电缆线芯高温热场的驱动下，副产物会向电缆绝缘外逃逸，电缆绝缘中副产物的移动变得相对容易，同时在应力的驱动下，副产物就会发生迁移。电缆弯曲后，弯曲最严重的部位受到的应力最大且集中，如图1中+1所示区域，所以此处的副产物会向两侧迁移，而从电缆弯曲最严重部位向两侧方向延伸，应力是逐渐变小的，因此应力对副产物驱动能力也是逐渐下降的。区域+1中由于受到最大的应力驱动，获得较大的动能，所以副产物会向两侧大量迁移，而在迁移过程中也会受到内部分子链的阻力，其迁移的动力会逐渐减小，最终主要停留聚集在区域+2和区域+3中；对于区域+2和区域+3，一方面其虽然受到应力的驱动，副产物也会向应力较小处迁移，但毕竟相对区域+1而言，其应力较小，因此驱动力也较小，副产物的迁移量有限，另一方面，来自区域+1的副产物大量聚集在此，结果导致区域+2和区域+3的交联副产物最多；对于+4区域，由于所受应力最小，对副产物的驱动也最小，副产物所获得的动能也最少，大量副产物停留在原处，无法向应力更小的更远处迁移，同时由于xlpe内部大分子链的阻力，来自区域+1、区域+2和区域+3的副产物无法获得足够的能量，向较远的区域+4处迁移，因此+4区域处副产物的含量应该比+2和+3处小，但比+1处要多。最终导致弯曲最严重的区域+1处副产物的含量是最少的，整体弯曲电缆中副产物含量的分布呈m型，如下图1所示，即区域+2和+3中副产物最大，区域+1中副产物含量最小，+4处区域副产物含量比+2、+3少，但比+1多。所以，对于一段弯曲电缆，可通过测量其弯曲部位副产物含量分布情况推断出弯曲最严重的部位。

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

本发明一种通过弯曲程度表征副产物含量的实施例1的具体过程如下：

取某电缆厂交联工艺110kv的交联聚乙烯电缆(编号为a电缆)，将其进行弯曲加热处理，弯曲半径为15d(其中，d为电缆直径)，结束后对电缆的不同区域进行等间距分类，弯曲最大处为#1处，弯曲次之处为#2处，第三弯曲处为#3，相对平直处为#4，利用切割机将其切割，切割完成后用密封袋封装，防止副产物挥发。

分别对弯曲外侧和内侧试样进行切片，在切样时，首先将小段电缆夹持在切片机夹具上，平切弯曲外侧或内侧绝缘，待这一侧切割完成后，将剩余电缆样旋转180°进行切样，即可得到另一侧的试样。试样切割完毕得到弯曲外侧和内侧#1、#2、#3和#4处的试样后，需立刻将电缆切片用密封袋封装。

对不同弯曲部位的切片在中间进行取样，取样大小为30mm×15mm，将不同试样放入irprestige-21型红外光谱仪中进行全波段红外光谱扫描，再利用绘图软件获得1690cm^-1特征峰的面积，将不同区域处电缆试样的特征峰面积绘制成图，即可知道不同区域处交联副产物含量的分布。试样的红外光谱图和交联副产物含量分布趋势如下所示。

图4为所有试样外侧的红外光谱图，图5为所有试样内侧的红外光谱。图6为不同试样吸收峰面积变化情况，表1为不同试样吸收峰面积数值。

表1

由图6、表1可以看出，对于弯曲电缆a试样，试样中本苯乙酮的含量分布情况为，外侧试样整体大于内侧试样，且苯乙酮含量从#1到#4是一个先增大后减小的趋势，即副产物含量最大值出现在与弯曲最严重部位临近的区域中，而弯曲最严重部位及靠近直线段部位的试样中副产物含量反而相对较小，且弯曲最严重部位副产物含量比靠近直线段部位的试样还要少。因此本实施例中交联副产物含量分布与弯曲程度取得了很好得对应关系。本实例只选取了弯曲电缆右半部分进行分析，由于对称性，左半部分的副产物含量变化也应该遵循此规律，所以，整体上，弯曲段副产物含量是呈现出“m”型变化规律的，弯曲最严重的部位在“m”的中间凹下去的点处。

作为本实施例的变换，电缆弯曲半径在为20d时也有效。

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。

图2是本发明实施例1中切片试样的红外图谱；每种物质中都含有各种官能团，每种官能团都有其特定的红外吸收范围，当以某一特定频率的红外光对物质进行照射时，该红外光就会被物质中某一官能团的相同振动频率的分子键所吸收，从而产生吸收峰，这样就得到了红外光的吸收光谱。

图2中，红外图谱中横坐标表示表示波数(即每1cm上光波的数目)，纵坐标表示试样的透光率；而交联副产物苯乙酮的红外光谱吸收峰位置在波数1690cm^-1处，在红外光谱图中表现为此处会出现明显的波谷(或波峰)。

图3是本发明实施例1中不同位置处两切片试样在1690cm^-1的局部放大的红外图谱；

同图2，图3中，红外图谱中横坐标表示表示波数(即每1cm上光波的数目)，纵坐标表示试样的透光率，从图中可以看到，图中两条曲线明显不在同一条水平线上，这可能是由于在切试样时试样片不可能完全做到薄厚一致，导致其透光率也不同(试样越厚，透光率就越低)，因此不能直接用特征峰的峰值数来比较副产物含量变化情况，为了更精确地表示副产物含量，需要用特征峰的面积表示副产物含量，使用orogin等作图工具，画出基线，如图2所示，用基线和特征峰谱围成的面积来表示交联副产物苯乙酮的含量。

实施例2

取某电缆厂交联工艺110kv的交联聚乙烯(编号为b电缆)，将其以弯曲半径20d(d为电缆直径)进行弯曲处理，其他过程均按照实施例1中相同的试样处理过程与测试方法。结果如图7、及表2所示。图7为1690cm^-1特征峰面积变化情况，表2为1690cm^-1特征峰面积数值。

表2

由图7及表2可以看出，对于b试样，其苯乙酮含量也是从#1到#4是一个先增大后减小的趋势，即副产物含量最大值出现在与弯曲最严重部位临近的试样中，而弯曲最严重部位及靠近直线段部位的试样中副产物含量反而相对较小，其弯曲程度最严重的#1处含量最小，与电缆实际弯曲程度一一对应。

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。