电缆和光缆绝缘和护套材料热老化检测技术综述
摘要
电缆和光缆作为电力传输和信息通信的“血管”与“神经”，其长期可靠性和安全性至关重要。绝缘和护套材料在过程中，长期受热、氧、机械应力等环境因素作用，会逐渐发生性能劣化，即热氧老化。热老化检测是评估材料耐老化性能、预测产品使用寿命、确保电网及通信网络稳定的关键手段。本文旨在系统阐述电缆和光缆绝缘及护套材料热老化检测的项目、范围、标准及所用仪器，为相关领域的质量控制和科学研究提供技术参考。
一、 检测项目
热老化检测的核心在于通过模拟和加速材料在热和氧作用下的老化过程，评估其性能变化。主要检测项目根据其评估维度可分为物理性能、力学性能、电学性能和化学分析四大类。
1. 物理性能检测
物理性能变化是材料老化最直观的表征。
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外观检查： 观察试样在老化前后是否有开裂、变形、发粘、变色等现象。这通常是初步判断材料是否发生严重降解的依据。
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热延伸试验： 主要针对交联聚乙烯（XLPE）等交联材料。在特定温度（如200℃）和负重下测量试样的伸长率和冷却后的永久变形率。该试验用于评估交联度，进而判断材料在高温下的抗变形能力。老化后交联网络的破坏会导致热延伸率显著增加。
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收缩试验： 评估绝缘或护套材料在受热情况下的尺寸稳定性，对于挤出工艺和长期稳定性有重要意义。
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密度和吸水性测试： 老化可能引起材料分子结构变化或添加剂的迁移，导致密度改变。吸水性的增加通常意味着材料出现微裂纹或极性基团增多，绝缘性能下降。
2. 力学性能检测
力学性能的下降是材料老化最直接的后果，也是评判材料寿命最常用的指标。
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拉伸强度和断裂伸长率： 这是热老化检测中最核心、最基础的指标。通过万能材料试验机对哑铃状试样进行拉伸，记录其最大应力和断裂时的应变。老化后，分子链断裂或交联过度都会导致材料变脆，表现为拉伸强度下降和断裂伸长率锐减。通常以老化前后的保留率作为评价标准。
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抗撕强度： 对于护套材料，特别是聚氨酯等，抗撕强度是衡量其抵抗裂纹扩展能力的重要参数。老化会导致材料韧性下降，抗撕强度降低。
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弯曲性能： 评估材料在弯曲应力下的柔韧性和抗开裂能力，对于需要频繁弯曲场合的电缆尤为重要。
3. 电学性能检测
绝缘材料的核心功能是电气绝缘，热老化导致的化学变化会直接影响其电学特性。
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体积电阻率和表面电阻率： 老化过程中产生的极性基团或杂质离子会增加材料的导电性，导致电阻率下降。通常在高直流电压下使用高阻计进行测量。
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介电强度： 即击穿电压。老化会使材料内部产生缺陷，降低其承受电场的能力，导致介电强度下降。试验在绝缘油中进行，对试样施加逐渐升高的交流或直流电压直至击穿。
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介电常数和介质损耗因数： 老化引入的极性基团会增加材料的介电常数。介质损耗因数则对材料的极性和杂质非常敏感，老化过程中，分子链断裂或氧化产生的极性副产物会导致tanδ值显著增大，是评估绝缘老化程度非常灵敏的指标。通常使用精密电桥或介损测试仪进行测量。
4. 化学分析检测
化学分析从分子层面揭示老化的机理和程度。
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氧化诱导期： 采用差示扫描量热法测量。将试样在惰性气氛中加热至特定温度，然后切换为氧气气氛，测量其从开始接触氧气到发生氧化放热反应的时间。OIT值越长，材料的抗热氧老化能力越强。老化后，由于抗氧剂的消耗，OIT值会显著缩短。
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红外光谱分析： 通过特征吸收峰的变化，定性或半定量地分析老化过程中官能团的变化，如羰基指数、羟基指数的增加，是材料发生热氧氧化的直接证据。
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凝胶含量测试： 针对交联材料，通过溶剂萃取法测量不溶的交联部分含量。老化可能引起进一步的交联（交联密度增加）或断链（交联密度降低），凝胶含量的变化反映了交联网络结构的演变。
二、 检测范围
电缆和光缆的热老化检测覆盖了从原材料、成品到在役产品的全生命周期，不同应用领域对检测的要求侧重点有所不同。
三、 检测标准
国内外标准化组织制定了一系列标准来规范热老化检测方法。
1. 国际标准
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IEC 60811 系列： 这是电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法的最核心标准。其中：
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IEC 60216 系列： 电气绝缘材料耐热性评定标准，指导如何通过长期老化试验来推导材料的温度指数和相对热寿命指数。
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ISO 188： 硫化橡胶或热塑性橡胶加速老化和耐热试验，常被引用作为橡胶类电缆材料的参考标准。
2. 中国国家标准
中国国家标准（GB）大多修改或等同采用了IEC标准。
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GB/T 2951 系列： 对应IEC 60811系列，是电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法的主要依据。例如：
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GB/T 11026 系列： 对应IEC 60216系列，用于电气绝缘材料耐热性评定。
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GB/T 17650 和 GB/T 17651： 涉及低烟无卤材料的卤酸气体释放和烟密度测试，常在评估LSZH材料热老化后的阻燃性能时结合使用。
3. 其他标准
四、 检测仪器
准确的热老化检测依赖于精密的仪器设备。一个完整的检测系统通常包括老化设备、性能测试设备和辅助设备。
1. 主要老化设备
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热老化试验箱： 最核心的设备。必须具备以下功能：
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精密控温： 温度波动度通常要求≤±1℃，均匀度≤±2℃（或更严格，如±0.5%），以确保所有试样处于相同的热环境中。
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强制通风： 保证箱内温度和氧气浓度均匀，并能及时带走老化产生的挥发物，防止其对试样产生二次污染。换气次数需可调或符合标准要求（如GB/T 2951.12规定为8-20次/小时）。
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样品旋转架： 低速旋转，确保试样受热均匀。
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根据测试需求，箱内可配备多层样品架，并能满足不同标准（如UL、IEC）对老化温度（从室温到300℃甚至更高）的要求。
2. 性能测试设备
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万能材料试验机： 用于测定材料的拉伸强度、断裂伸长率、抗撕强度等。需配备合适的夹具和传感器（量程从几牛顿到几千牛顿不等），并配有引伸计以精确测量应变。对于高温下的热延伸试验，需配置高温试验箱和定负荷装置。
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高阻计和介电强度测试仪： 用于电学性能测试。高阻计需能测量高达10^17Ω的电阻；介电强度测试仪需能提供稳定的交直流高压，并配备保护装置。
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精密LCR电桥或介质损耗测试仪： 用于测量介电常数和介质损耗因数，通常需要配合变温电极系统使用。
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差示扫描量热仪： 主要用于氧化诱导期的测量，也可用于测量材料的熔融温度、玻璃化转变温度等热性能参数，分辨率需达到微瓦级。
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傅里叶变换红外光谱仪： 用于老化前后材料的化学结构分析，需配备衰减全反射附件，以便于对固体样品表面进行快速无损检测。
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热变形维卡软化点温度测定仪： 用于评估材料在受热条件下的形变温度，如PVC护套的热变形性能。
3. 辅助设备
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试样切片机和哑铃状裁刀： 用于精确制备标准化的测试试样，确保测试结果的可比性。
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厚度计： 用于测量试样的厚度，精度要求达到0.01mm，是计算拉伸强度和介电强度的基础。
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老化样品架和隔离物： 确保试样在老化过程中彼此不接触，避免相互影响。
综上所述，电缆和光缆绝缘和护套材料的热老化检测是一个涉及多学科、多参数的综合性评价体系。通过严格遵循国内外标准，运用精密的检测仪器，对材料的物理、力学、电学和化学性能进行全面评估，可以为电缆和光缆产品的质量判定、寿命预测及新材料研发提供坚实的数据支撑，是保障电力及通信基础设施安全可靠不可或缺的技术环节。
