CN115248223A - 一种基于x射线衍射法的交联聚乙烯电缆绝缘质量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电气工程高电压与绝缘技术领域，公开了一种基于X射线衍射法的交联聚乙烯电缆绝缘质量检测方法，以解决现有技术对XLPE电缆绝缘质量检测缺乏XLPE晶区检测的问题，该方法包括样本制作、样本XRD检测、XRD衍射参数统计、结晶程度及结晶规整度分析、绝缘质量判断等步骤，本发明利用XRD检测电缆绝缘结晶度及结晶规整程度，关注的是对于XLPE绝缘力学、热学、电气性能至关重要的晶区，其对于晶区结晶程度及规整程度的表征可有效判断材料结晶完整度，进而判断XLPE绝缘质量，其进一步完善了XLPE绝缘质量检测参数体系，可进一步提升XLPE绝缘质量检测有效性及准确性。

Description

一种基于X射线衍射法的交联聚乙烯电缆绝缘质量检测方法

技术领域

本发明涉及电气工程高电压与绝缘技术领域，具体涉及一种基于X射线衍射法的交联聚乙烯电缆绝缘质量检测方法。

背景技术

交联聚乙烯(XLPE)凭借优良的介电性能、机械性能、耐热性能和加工性能等成为制造电力电缆的主要绝缘材料，XLPE电缆已在城市配电网系统中得到大量使用，并且随着中国城镇化的进一步发展，对XLPE电缆的需求量逐年增加。但目前，广泛应用于配电网中的中压电力电缆由于技术门槛较低而鱼龙混杂，存在较为严重的质量隐患。因而，如何有效地检测出存在质量隐患的电力电缆产品，避免其进入电力生产运行成为了电气设备质量检验的一项重要任务。

申请号CN201910877199.9中提出了一种现场快速测量XLPE电缆交联度的方法，该方法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。

申请号CN201310385001.8中提出了一种基于局部放电频率特性检测XLPE绝缘程度的方法，该方法通过对不同缺陷严重程度的XLPE绝缘进行局部放电测量，得到放电信号频谱图，可以对XLPE绝缘缺陷状态进行有效评估。

申请号CN201510821250.6的专利提出一种快速检测交联聚乙烯电缆绝缘质量性能的方法，该方法将TGA曲线中XLPE的吸氧峰峰值温度作为评估交联聚乙烯电缆绝缘质量性能的参数，通过检测不同XLPE材料的吸氧峰峰值温度高低，判断XLPE绝缘热延伸性能。

申请号CN201610637738.8中提出一种基于宽频介电阻抗谱法的XLPE电缆绝缘纯净度评估方法，该方法采用宽频介电阻抗谱试验结果对XLPE电缆绝缘纯净度进行评估并分析XLPE电缆绝缘的纯净度性能。

然而，目前的XLPE电缆绝缘质量检测大多集中在XLPE绝缘交联度、局部放电量、热性能、纯净度等方面，对于XLPE晶区检测缺乏关注。XLPE是由非晶区及晶区构成的两相高聚物，晶区对于XLPE电缆绝缘力学性能、热学性能及电气性能起着重要作用。不同电缆厂家制造的XLPE电缆往往具有不同结晶度，且晶区规整程度存在差异，导致交联度等其他绝缘质量参数相同(相近)的电缆具有不同力学、热学及电气性能。

XLPE电缆绝缘的力学性能是电缆绝缘质量检测中的重要指标。例如，工业界通常用电缆绝缘的热延伸率判断绝缘力学性能及绝缘质量合格与否，并且规定当绝缘热延伸率不高于175％、冷却永久伸长率不高于15％时绝缘力学性能合格。交联度和结晶度是影响XLPE电缆绝缘力学性能的两大主要因素。通常，绝缘交联度越高，其力学性能越好。专利CN201910877199.9提出XLPE电缆交联度大于等于75％时其力学性能合格，亦即交联合格电缆交联度不能低于75％。然而，值得注意的是，对于交联合格电缆，即便是具有相同交联度，由于制备工艺(如冷却速率)的差异，使得电缆绝缘结晶度及力学性能产生差异，导致即便是交联合格的XLPE电缆其力学性能仍可能不合格。而已有专利对此问题缺乏关注，没有提出解决方案。换言之，交联合格电缆的力学性能未必合格，需要对其结晶度等晶区状况进行进一步的检测。此外，对于力学性能合格电缆，其绝缘(由非晶区及晶区构成)中晶区的结晶规整程度对其力学、电学、热学等绝缘性能具有重要影响，而已有专利同样缺乏针对电缆绝缘晶区规整程度的测量及电缆绝缘质量的进一步判断标准。由此，如何在交联度等检测基础上，通过检测XLPE电缆结晶度、结晶规整度等以判断XLPE电缆力学性能及绝缘质量合格与否，对于进一步提升XLPE电缆绝缘质量检测的有效性及准确度具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术对XLPE电缆绝缘质量检测缺乏XLPE晶区检测的问题，提供了一种基于X射线衍射法的交联聚乙烯电缆绝缘质量检测方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于X射线衍射法的交联聚乙烯电缆绝缘质量检测方法，包括以下步骤：

步骤1)、首先在交联合格的待检测电缆上截取短电缆样本并制成10mm×10mm×2mm的方形块状样本；

步骤2)、利用X射线衍射仪检测步骤1)中方形样本的衍射特性；

步骤3)、XRD检测完成后，将试样检测数据导入Origin数据分析软件，并绘制试样衍射曲线，利用Origin软件多峰拟合功能对衍射曲线进行分峰拟合，并统计样本的各特征峰衍射强度及半峰宽参数，之后利用特征峰衍射强度计算样本结晶度W_PE；

步骤4)、结晶程度及结晶规整度分析：

4.1)结晶度分析：对交联度为C_PE的交联合格电缆(C_PE≥75％)，电缆绝缘理论最小结晶度W_PE'为：

W_PE'＝40.66-44(C_PE-0.75),C_PE≥0.75 (1)

其中交联度C_PE已知，将其代入式(1)计算出理论最小结晶度W_PE'，若样本实际结晶度W_PE≥W_PE'，判定样本结晶程度合格；若样本实际结晶度W_PE<W_PE'，判定样本结晶程度不合格；

上述绝缘样本理论结晶度W_PE'根据已有力学性能合格XLPE样本(热状态下带负荷的伸长率不大于175％，冷却后的永久伸长率不大于15％，GB/T 2951.12-2008)交联度及结晶度之间对应关系得到。

由表1及图1可知，对于力学性能合格XLPE样本，当样本交联度高于75％时，样本结晶度随交联度近似呈单调下降。根据此交联度范围内样本结晶度随交联度下降斜率及交联度为75％时的结晶度，得到不同交联度对应的理论最小结晶度，如式(1)所示。此理论最小结晶度为在此交联度下使得样本力学性能合格的最小结晶度。之所以结晶度高于理论结晶度时样本力学性能合格，是因为对某XLPE样本，在交联度一定的情况下，其结晶度越高，样本力学性能更高。因此，对于待测试交联合格样本，若样本实际结晶度低于理论最小结晶度，则其力学性能将不合格。

表1不同交联度XLPE样本结晶度

4.2)结晶规整度分析(半峰宽)：

设XLPE电缆绝缘样本(110)峰半峰宽为FWHM₍₁₁₀₎，定义(110)晶面畸变度μ₍₁₁₀₎为：

若μ₍₁₁₀₎>0.8％，则晶区畸变程度较高；若0％≤μ₍₁₁₀₎≤0.8％，则晶区畸变程度中等；若μ₍₁₁₀₎<0％，则晶区畸变程度较低；

XLPE电缆在制备过程中，由于冷区速率等制备工艺的差异以及机械应力的作用，导致电缆绝缘结晶度及结晶规整程度存在差异。即便是结晶度相同的电缆样本，其结晶规整度亦可能存在差异，进而导致样本力学性能产生差异。因此对于交联度及结晶度合格样本，可利用样本晶区畸变度进一步判断样本绝缘质量优劣。

XLPE晶体特征峰主要包括(110)峰、(200)峰、(020)峰，其中(hkl)等为晶面指数，定义为某一族平行晶面在XYZ三轴上截距的倒数。(110)峰为主特征峰，其衍射强度最高，根据其衍射特征最易判断晶区规整程度。在XRD分析中，通常采用某特征峰的半峰宽FWHM_(hkl)判断晶体畸变程度，其定义为此特征峰衍射强度一半处对应的峰宽，单位为rad。为此本专利采用(110)晶面畸变度μ₍₁₁₀₎进一步判断XLPE电缆样本绝缘质量。

未受机械应力的交联度及力学性能合格样本(110)晶面半峰宽FWHM₍₁₁₀₎通常小于0.6311，因此当待测样本(110)晶面半峰宽FWHM₍₁₁₀₎小于或等于0.6311时，亦即μ₍₁₁₀₎小于等于0％时(由式(2)得到)，认为样本晶区畸变程度很小。而当样本受机械应力F作用后，样本晶区将产生畸变，FWHM₍₁₁₀₎将高于0.6311，并且机械应力越大，晶区畸变程度越高，μ₍₁₁₀₎越大。当机械应力F<0.5MPa时，μ₍₁₁₀₎通常小于等于0.8％，此时晶区畸变程度较小；而当机械应力F≥0.5MPa时，μ₍₁₁₀₎将大于0.8％，此时晶区畸变程度较大。

步骤5)、绝缘质量判断；

当样本实际结晶度W_PE小于利用步骤4.1)中式(1)计算得到的理论最小结晶度W_PE'时，判定样本力学性能不合格；当样本实际结晶度W_PE大于或等于理论最小结晶度W_PE'时，判定样本力学性能合格。

对于力学性能合格样本，若需进一步判断样本绝缘质量优劣，可利用样本晶区特征峰半峰宽进行判断。若根据样本的FWHM₍₁₁₀₎得到样本(110)晶面畸变度μ₍₁₁₀₎，若μ₍₁₁₀₎>0.8％，认为样本绝缘质量一般；若0％≤μ₍₁₁₀₎≤0.8％，则样本绝缘质量中等；若μ₍₁₁₀₎<0％，则样本绝缘质量较优。

进一步地，步骤1)中制作样本时，首先在待检测电缆上截取50mm长的短电缆样本，然后沿样本径向切取4个扇形绝缘部分，每个扇形绝缘部分圆心角均为90°，之后在扇形绝缘部分切取20mm长的绝缘段，利用切片机在此绝缘段切取尺寸为10mm×10mm×2mm的方形块状样本。

进一步地，步骤2)中利用X射线衍射仪检测方形样本的衍射特性，检测时将样本水平放置于方形金属框具中，之后启动X射线衍射仪进行检测，X射线衍射仪X射线管采用Cu靶，检测电压为40kV，检测电流为40mA，检测角度范围为2-90°。

进一步地，步骤3)特征峰包括非晶区峰、晶区(110)衍射峰及(200)衍射峰，结晶度需根据衍射峰衍射强度计算，计算公式如下：

其中W_PE为样本结晶度，I_a为非晶峰衍射强度，I₍₁₁₀₎和I₍₂₀₀₎分别为晶区(110)特征峰和(200)特征峰衍射强度，用衍射峰面积表示。

进一步地，步骤4)中，在交联度高于75％时，样本结晶度随交联度近似呈单调下降，根据此交联度范围内样本结晶度随交联度下降斜率及交联度为75％时的结晶度，得到不同交联度对应的理论结晶度。

进一步地，步骤1)中切取方形块状样本时需保持样本上下表面平整，在切下方形样本后需将样本放入干净的样本袋中，所述步骤2)中在金属框具中放置方形样本时需保持样本水平。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、本发明主要针对交联度合格XLPE电缆进行检测，以往的电缆质量检测尚未关注到即便是交联合格电缆，由于其结晶程度的差异，导致样本力学性能不合格。另外XLPE电缆晶区结晶规整程度对电缆绝缘质量有较大影响。本发明利用XRD检测电缆绝缘结晶度及结晶规整程度，关注的是对于XLPE绝缘力学、热学、电气性能至关重要的晶区，其对于晶区结晶度及规整程度的表征可有效判断材料结晶程度及晶区完整度，进而判断XLPE力学性能及绝缘质量，其进一步完善了XLPE绝缘质量检测参数体系，可进一步提升XLPE绝缘质量检测有效性及准确性。

2、本发明提出有关XLPE绝缘质量的两个参数，即结晶度和(110)晶面畸变度，其可分别表征样本结晶程度及结晶规整度，利用结晶度可判断样本力学性能合格与否，在此基础上进一步根据力学性能合格样本(110)晶面畸变度判断样本绝缘质量优劣。利用这两个参数可较全面地判断XLPE力学性能及结晶状况，进而判断XLPE绝缘质量。

3、本发明样本制备过程简单，仅采用工具刀及切片机即可完成，样本制备时间短，同时样本测试过程方便，利用已有XRD检测技术即可完成。此外单个样本检测操作方便、时间短(约10min)，整个制样及检测过程操作方便，便于对大量XLPE样本进行快速检测。

4、本发明采用的XRD检测技术，其在检测过程中不会对样本造成损伤，可实现同一试样的多次检测，从而提高检测准确度。

5、本发明提出的XLPE电缆绝缘质量衍射相关参数计算方便，只需将XRD检测数据导入Origin中即可进行计算，数据分析简便，并且结晶程度及规整程度相关参数易于计算，方便在短时间内处理大量XLPE样本数据并判定样本绝缘质量。

附图说明

图1为交联合格XLPE样本交联度和结晶度之间关系曲线图。

图2为基于XRD法的XLPE电缆绝缘质量检测流程图。

图3为XLPE电缆截面及扇形XLPE绝缘截面示意图。

图4为方形XLPE样本XRD检测原理图。

图5为第一组XLPE电缆样本XRD检测结果曲线图。

图6为第二组XLPE电缆样本XRD检测结果曲线图。

图7为第三组XLPE电缆样本XRD检测结果曲线图。

图8为第四组XLPE电缆样本XRD检测结果曲线图。

附图标记含义如下：1.外半导电层；2.内半导电层；3.绝缘层；4.缆芯；5.X射线发生器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图2所示，一种基于X射线衍射法的交联聚乙烯电缆绝缘质量检测方法，包括以下步骤：

1、块状样本制作。

在四根YJLV₂₂3×95型8.7/10kV XLPE电缆绝缘上分别截取50mm长的短电缆样本并分为B1、B2、B3、B4四组。四根电缆由同一厂家生产，四根短电缆样本交联度分别为88.2％、88.5％、86.4％、86.5％，样本交联度均合格，电缆横截面如图3a所示。用工具刀沿B1-B4四组样本径向分别切取1个如图3b所示的扇形绝缘部分，扇形绝缘部分圆心角均为90°。之后在四组样本扇形部分分别切取1个20mm长的绝缘部分，利用切片机在此绝缘部分切取方形块状样本，样本尺寸为10mm×10mm×2mm(厚度为2mm)。B1-B4四组电缆待测方形样本均为1个。

2、样本XRD检测。

利用X射线衍射仪分别检测B1-B4四组共4个方形试样的衍射特性。将试样水平放置于方形金属框具中，之后启动X射线衍射仪进行检测，如图4所示。X射线衍射仪X射线管采用Cu靶。检测电压为40kV，检测电流为40mA，检测角度范围为2-90°。

3、XRD衍射参数统计。

B1-B4四组样本XRD衍射曲线如图5-图8所示。将四组检测数据分别导入Origin数据分析软件，绘制样本衍射曲线，并利用Origin软件多峰拟合功能对衍射曲线进行分峰拟合。统计样本非晶区峰及晶区(110)、(200)特征峰衍射强度及(110)峰半峰宽。之后利用特征峰衍射强度计算样本结晶度。

4、结晶程度及结晶规整度分析。

利用上述结晶度及衍射峰半峰宽数据分析样本结晶程度及结晶规整程度。其中结晶程度主要利用结晶度数据分析，结晶规整程度主要利用晶区特征峰(110)峰(XLPE晶区的主结晶峰，其可反映晶区畸变程度。(110)为此结晶峰对应晶面的晶面指数)半峰宽FWHM₍₁₁₀₎(半峰宽FWHM定义为某特征峰峰高一半对应的峰宽，可表征晶区畸变程度，单位为rad)数据分析。首先分析结晶度，判断样本结晶程度及力学性能，再分析半峰宽，进一步分析样本绝缘质量优劣。

(1)结晶度

对某交联度为C_PE的交联合格电缆(C_PE≥75％)，电缆绝缘理论最小结晶度W_PE'为：

W_PE'＝40.66-44(C_PE-0.75),C_PE≥0.75 (1)

将B1-B4四组样本交联度C_PE代入式(1)计算出四组样本理论最小结晶度W_PE'，若样本实际结晶度W_PE≥W_PE'，判定样本结晶程度及力学性能合格。若样本实际结晶度W_PE<W_PE'，判定样本结晶程度及力学性能不合格。

(2)半峰宽

设样本电缆绝缘样本(110)峰半峰宽为FWHM₍₁₁₀₎，定义(110)晶面畸变度μ₍₁₁₀₎为：

若μ₍₁₁₀₎>0.8％，认为样本绝缘质量一般，若0％≤μ₍₁₁₀₎≤0.8％，认为样本绝缘质量中等，若μ₍₁₁₀₎<0％，认为样本绝缘质量较优。

B1-B4四组样本结晶度W_PE、(110)峰半峰宽及(110)晶面畸变度计算结果如表2所示。

由表2结果可知，B1、B3两组样本W_PE＞W_PE'，B2、B4两组样本W_PE<W_PE'，判断B1、B3两组样本力学性能合格，B2、B4两组样本力学性能不合格。

进一步根据B1、B3两组样本(110)晶面畸变度μ₍₁₁₀₎值，对于B1组样本，有0％≤μ₍₁₁₀₎≤0.8％，判断B1组样本绝缘质量中等；对于B3组样本，有μ₍₁₁₀₎<0％，判断B3组样本绝缘质量较优。

表2B1-B4四组样本结晶度、(110)峰半峰宽及(110)晶面畸变度

验证试验：

之后对B1-B4四组样本进行热延伸实验，实验结果如表3所示。由表3可知，B1、B3两组样本热延伸伸长率均小于175％，且冷却后永久伸长率均小于15％，表明两组样本力学性能合格，此外B3组样本热延伸伸长率和冷却后永久伸长率均小于B1组样本，表明其绝缘质量更优；而B2、B4两组样本热延伸伸长率均高于175％，冷却后永久伸长率均高于15％，表明B2、B4两组样本力学性能不合格，上述结果验证了XRD判断结果的正确性。

表3B1-B4四组样本热延伸率

Claims (6)

1.一种基于X射线衍射法的交联聚乙烯电缆绝缘质量检测方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1)、首先在交联合格的待检测电缆上截取短电缆样本并制成10mm×10mm×2mm的方形块状样本；

步骤2)、利用X射线衍射仪检测步骤1)中方形样本的衍射特性；

步骤3)、XRD检测完成后，将试样检测数据导入Origin数据分析软件，并绘制试样衍射曲线，利用Origin软件多峰拟合功能对衍射曲线进行分峰拟合，并统计样本的各特征峰衍射强度及半峰宽参数，之后利用特征峰衍射强度计算样本结晶度W_PE；

步骤4)、结晶程度及结晶规整度分析：

4.1)结晶度分析：对交联度为C_PE的交联合格电缆(C_PE≥0.75)，电缆绝缘理论最小结晶度W_PE'为：

W_PE'＝40.66-44(C_PE-0.75),C_PE≥0.75 (1)

其中交联度C_PE已知，将其代入式(1)计算出理论最小结晶度W_PE'，若样本实际结晶度W_PE≥W_PE'，判定样本结晶程度合格；若样本实际结晶度W_PE<W_PE'，判定样本结晶程度不合格；

4.2)结晶规整度分析(半峰宽)：

设XLPE电缆绝缘样本(110)峰半峰宽为FWHM₍₁₁₀₎，定义(110)晶面畸变度μ₍₁₁₀₎为：

若μ₍₁₁₀₎>0.8％，则晶区畸变程度较高；若0％≤μ₍₁₁₀₎≤0.8％，则晶区畸变程度中等；若μ₍₁₁₀₎<0％，则晶区畸变程度较低；

步骤5)、绝缘质量判断；

对于某一交联度为C_PE的已知样本，首先根据步骤4.1)中式(1)计算样本理论最小结晶度W_PE'，当样本实际结晶度W_PE小于理论最小结晶度W_PE'时，判定样本力学性能不合格；当样本实际结晶度W_PE大于或等于理论最小结晶度W_PE'时，判定样本力学性能合格；

在此基础上，将样本(110)峰半峰宽FWHM₍₁₁₀₎代入步骤4.2)中式(2)得到样本(110)晶面畸变度μ₍₁₁₀₎，若μ₍₁₁₀₎>0.8％，则样本绝缘质量一般；若0％≤μ₍₁₁₀₎≤0.8％，则样本绝缘质量中等；若μ₍₁₁₀₎<0％，则样本绝缘质量较优。

2.根据权利要求1所述的一种基于X射线衍射法的交联聚乙烯电缆绝缘质量检测方法，其特征是：所述步骤1)中制作样本时，首先在待检测电缆上截取50mm长的短电缆样本，然后沿样本径向切取4个扇形绝缘部分，每个扇形绝缘部分圆心角均为90°，之后在扇形绝缘部分切取20mm长的绝缘段，利用切片机在此绝缘段切取尺寸为10mm×10mm×2mm的方形块状样本。

3.根据权利要求2所述的一种基于X射线衍射法的交联聚乙烯电缆绝缘质量检测方法，其特征是：所述步骤2)中利用X射线衍射仪检测方形样本的衍射特性，检测时将样本水平放置于方形金属框具中，之后启动X射线衍射仪进行检测，X射线衍射仪X射线管采用Cu靶，检测电压为40kV，检测电流为40mA，检测角度范围为2-90°。

4.根据权利要求1所述的一种基于X射线衍射法的交联聚乙烯电缆绝缘质量检测方法，其特征是：所述步骤3)特征峰包括非晶区峰、晶区(110)衍射峰及(200)衍射峰，结晶度需根据衍射峰衍射强度计算，计算公式如下：

其中W_PE为样本结晶度，I_a为非晶峰衍射强度，I₍₁₁₀₎和I₍₂₀₀₎分别为晶区(110)特征峰和(200)特征峰衍射强度，用衍射峰面积表示。

5.根据权利要求1所述的一种基于X射线衍射法的交联聚乙烯电缆绝缘质量检测方法，其特征是：所述步骤4)中，交联合格电缆交联度大于或等于75％，对于交联合格电缆，随着交联度升高，样本结晶度随交联度近似呈单调下降，根据此交联度范围内样本结晶度随交联度下降斜率及交联度为75％时的结晶度，得到不同交联度对应的理论结晶度。

6.根据权利要求3所述的一种基于X射线衍射法的交联聚乙烯电缆绝缘质量检测方法，其特征是：所述步骤1)中切取方形块状样本时需保持样本上下表面平整，在切下方形样本后需将样本放入干净的样本袋中，所述步骤2)中在金属框具中放置方形样本时需保持样本水平。

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