基于组合表征试验的电缆非金属材料材质一致性研究

樊建军,托 娅,黄保生

(内蒙古电力(集团)有限责任公司,呼和浩特 010020)

0 引言

内蒙古电力事业的发展与繁荣,为各类电缆带来了广阔的发展空间。随着自然灾害(风、雪、雨、雷等)、人员责任、外力破坏和产品质量造成的电网运行事故,对电网电缆材料的安全性能和可靠性提出更严苛的要求。如何保证入网电缆的高性能和高安全性,关键是需要对入网电缆的产品质量进行严格把控。以前做法多是电网公司委托第三方对抽样样品进行宏观性能指标的检测,但是此种方法通常有耗时较长、成本较高、操作复杂、且覆盖不全等缺点。如何在短时间内全面、准确地对产品进行质量认证,行业内的多年经验和试验结果说明产品身份一致性检查是其中关键。

国内外对于电缆材料身份一致性的鉴定积累了一定经验,多是从微观角度表征材料的结构、运动特性和热行为等角度出发,具有操作简便、快速、成本低等优点。UL 746A 和CQC 采用微观分析手段的结合对非金属材料材质一致性进行控制[1-2]。国内外研究多通过红外光谱法(FTIR)、差示扫描量热法(DSC)或热重分析法(TG)等手段组合,但大多数并未从系统上论证此方法的有效性和准确性[3-5]。电网系统中高压电力电缆要求绝缘材料和护套材料质量稳定可靠,特别是低烟、无卤、阻燃护套材料的组分复杂多变,以上方法并不能很好地监控电缆材料关键组分和含量的变化。上海电缆研究所有限公司在前期对非金属材料身份一致以上方法开展了大量基础性研究,积累了丰富的数据,形成基于多重参数综合监测核电厂电缆非金属材料一致性的系统分析方法,适用于电缆材料由复杂组分形成的均质混合体[6]。通过型式试验或鉴定的电缆样品同期开展FTIR、DSC、TG 和电感耦合等离子体-原子发射光谱法(ICP-AES)等试验,然后将指纹谱图进行收集,录入形成数据库,需要进行一致性确认时,无需重新测试材料的特性,只需获取少量材料进行谱图分析,将谱图和数据库中的谱图进行比对分析即可进行一致性判断。该方法具有省时、省力、准确性高等优点,为产品一致性控制提供了技术支持。

1 组合表征试验

1.1 试验对象

样品选自同一厂家生产的ZC-YJV22-0.6/1 kV-4×50 同一型号不同批次电缆,样品分类和编号信息见表1。

表1 电缆样品分类和编号信息

1.2 试验方法

按GB/T 1033.1—2008《塑料 非泡沫塑料密度的测定第1 部分浸渍法、液体比重瓶法和滴定法》中A 法:浸渍法测定试样的密度进行测试;FTIR 参照GB/T 6040—2019《红外光谱分析方法通则》进行测试;DSC 参照GB/T 19466.3—2004《塑料差示扫描量热法(DSC)第3 部分:熔融和结晶温度及热焓的测定》进行测试;TG 参照GB/T 33047.1—2016《塑料 聚合物热重法(TG)第1 部分:通则》进行测试;ICP-AES 参照GB/T 23942—2009 《化学试剂 电感耦合等离子体 原子发射光谱法通则》进行测试。

1.3 技术要求

基于采用密度法、FTIR、DSC、TG 和ICP-AES组合表征手段[6],对取自各厂家生产的同一型号电缆绝缘和护套的样品进行材质一致性研究,具体技术要求见表2。

表2 材料一致性分析评估判据

待检验材料与基准材料的所有试验项目的技术指标参数必须满足材料一致性分析评估判据的技术要求,有任一项超出技术要求范围,则认为两者材料材质存在不一致的情况。

2 结果与讨论

2.1 密度分析

高分子基材和添加剂的改变会对复合材料的密度产生影响,可从宏观上反映材料的一致性。不同批次电缆绝缘和护套的密度数据见表3。

表3 不同批次电缆绝缘和护套的密度数据

由表3 可知,1-1#与2-1#的密度均为0.918 g·cm-3,与低密度聚乙烯的密度十分接近,说明基材中几乎无额外添加剂;且1-1#与2-1#的密度极差为0 g·cm-3、极差率为零,在密度的一致性判定指标范围(密度变化率±5%)内。1-2#与2-2#的密度分别为1.468,1.462 g·cm-3,说明基材中有一定添加剂;且1-2#与2-2#的密度极差为0.006 g·cm-3,极差率为0.41%,在密度的一致性判定指标范围(密度变化率±5%)内。

2.2 FTIR 分析

不同的高分子材料具有不同的FTIR 图谱,因此,FTIR 图谱可用来表征不同高分子材料的分子结构。不同批次电缆绝缘材料和护套材料的FTIR 图谱见图1,其特征吸收峰位置见表4。

图1 不同批次电缆绝缘和护套的FTIR 谱图

表4 不同批次电缆绝缘和护套的FTIR 特征吸收峰位置

由图1 和表4 可知,1-1#与2-1#的FTIR 谱图与聚氯乙烯烯(XLPE)的特征曲线匹配;1-1#与2-1#的典型形状基本一致,吸收峰的峰形(尖峰、肩峰)基本一致,相对强度基本一致,各FTIR 特征吸收峰位置总极差为1 cm-1,在FTIR 的一致性判定指标范围(特征吸收峰位置波动范围±5 cm-1)内[12]。1-2#与2-2#的FTIR 谱图与XLPE 的特征曲线匹配;1-2#与2-2#的形状基本一致,吸收峰的峰形(尖峰、肩峰)基本一致,相对强度基本一致,且特征吸收峰位置极差为0 cm-1,在FTIR 的一致性判定指标范围内[7]。

2.3 DSC 分析

不同相对分子质量和不同分子支链的高分子材料,表现出不同玻璃化转变温度、熔点和结晶行为。不同批次电缆绝缘材料和护套材料的DSC 曲线见图2,不同批次电缆绝缘和护套的DSC 数据见表5。

由图2 和表5 可知,1-1#与2-1#的DSC 曲线差异性较小,有明显的熔融过程,熔融温度(Tm)分别为118.16 ℃和118.27 ℃,熔融峰大小基本一致,符合低密度聚乙烯的行为;1-1#与2-1#的Tm总极差为0.11 ℃,在DSC 的一致性判定指标范围(温度变化为±5 ℃)内。1-2#与2-2#的DSC 曲线较为接近,无明显的熔融和结晶过程,这与XLPE 的特性相符合[3-5]。

图2 不同批次电缆绝缘和护套的DSC 曲线

表5 不同批次电缆绝缘和护套的DSC 数据

2.4 TG 分析

不同聚合物基材以及增塑剂和其他添加剂会表现出不同的热失重行为。不同批次电缆绝缘和护套的TG 曲线见图3,具体TG 数据见表6。

图3 不同批次电缆绝缘和护套的TG 曲线

表6 不同批次电缆绝缘和护套材料的TG 数据

1-1#与2-1#的热重曲线形状类似,只有一步热失重过程,起始热分解温度(Tin)和最大热分解温度(Tmax)的极差为12.95 ℃,降解量(Mloss)和残余质量(Mre)的极差为0.44%,在TG 的一致性判定指标范围(温度变化为±20℃、质量变化为±8%)内。1-2#与2-2#的热重曲线形状类似,有两个失重台阶,Tin和Tmax的极差为2.67 ℃,Mloss和Mre的极差为0.84%,在TG 的一致性判定指标范围(温度变化为±20 ℃、质量变化为±8%)内[3-5]。

2.5 ICP-AES 分析

采用ICP-AES 对不同批次ZC-YJV22-0.6/1 kV-4×50 电缆绝缘和护套的材料进行测定,测定结果见表7。

由于无卤阻燃电缆料的组分复杂多变,以上方法并不能监控关键组分和其含量的微小变化,采用ICP-AES 测定不同批次电缆的组分含量变化,不同批次电缆绝缘和护套材料的测定结果见表7。

表7 不同样品中各元素的测定结果 %

由表7 结果可知,1-1#与2-1#典型元素含量均非常低,这与前面的密度和TG 分析结果一致。1-2#与2-2#中所含钙元素质量分数分别为13.95% 和13.02%,这与基材中添加的填料碳酸钙有关。1-2#与2-2#中所含钙元素质量分数极差率6.89%,在ICP-AES 的一致性判定指标范围(推荐20%)内,其他典型元素含量均非常低[8]。

综上所述,不同批次ZC-YJV22-0.6/1kV-4×50电缆绝缘和护套材料的密度、FTIR、DSC、TG 和ICP-AES 数据均在一致性判定指标范围内,表明不同批次电缆绝缘和护套材料的材质具有一致性。

3 结束语

为了在短时间内全面、准确地对内蒙古入网电缆进行质量控制,本工作对部分型号不同批次电缆样品进行材质一致性研究,通过采用密度、FTIR、DSC、TG 和ICP-AES 组合表征手段,分析评估了不同批次电缆绝缘和护套材料是否在一致性指标范围之内,若部分表征参数超出一致性指标范围时,则本批次电缆未通过试验。与传统做法对抽样样品开展部分宏观性能相比,本评估试验具有取样量少、操作方便、试验周期短等优点,适用于内蒙古电网同一厂家不同批次电缆非金属材料身份的一致性检验,检验的结果可对电缆入网的安全起到一定提升作用。