книги / Методы испытаний и диагностики кабелей и проводов

Метод испытания на морозостойкость проводов и кабелей с резиновой и пластмассовой изоляцией предусмотрен в ГОСТ 17491-80. Температура испытаний на различные изделия изменя­ ется от —5 до —65° С. Время выдержки в холодильной камере перед испытаниями изменяется от 30 мин до 320 мин (в зависимости от диаметра кабеля).

При испытании образцов малого диаметра (до 12,5 мм) образцы навивают на стержень заданного в технических условиях диаметра. После охлаждения образец перематывают

ждения образцы изгибают вокруг роликов заданного диаметра (см. рис. 1.3). На изоляции не должно появиться трещин.

Испытания поливинилхлоридной изоляции на стойкость к растрескиванию под воздействием повышенной температуры предусмотрены в ГОСТ 22220—76. Образцы изолированных жил наматывают на стержень заданного диаметра и выдер­ живают при температуре 150° С в течение 1 ч. После этого на изоляции не должно быть трещин. Из двух мест оболочки вырезают полоски шириной 4 мм и навивают их на стержни заданного диаметра. После соответствующей термообработки на полосках не должно быть трещин.

При испытаниях эмалированных проводов диаметром более 0,38 мм на тепловой удар (по ГОСТ 14340.4—79) образцы провода навивают на стержень заданного диаметра (десять витков) при определенном натяжении. Затем образцы помеща­ ют в термостат с заданной температурой и выдерживают в течение 1 ч. После этого на изоляции не должно быть

предусматривается навивание провода на стержень заданного диаметра в исходном состоянии и после старения, на изогнутых образцах определяют наличие трещин.

Растрескивание изоляции является браковочным признаком при различных других испытаниях. В частности, стойкость образцов резины к воздействию озона также определяют по методу появления трещин на растянутых на 20% образцах резины размером 100 х 10 х 2 мм. Концентрация озона в потоке воздуха должна составлять 0,0015% по объему. Стойкость к озону определяют по времени появления трещин на одном из трех образцов. Озон получают при пропускании воздуха через ионизированный промежуток между коаксиальными стеклянны­ ми трубками. Ионизация достигается приложением к электродам на трубках повышенного напряжения промышленной частоты.

Многие методы испытаний полимеров связаны с определе­ нием их термодеформации, т. е. деформации при повышении

141

температуры с приложением заданного механического напряже­ ния. Определение термодеформации поливинилхлоридной изо­ ляции и оболочки проводится по следующей методике.

На провод давит прямоугольная пластинка шириной 0,7 мм

вырубают полоски и навивают их на стержень с диаметром, приблизительно равным внутреннему диаметру оболочки.

Испытательное приспособление помещают в термостат при заданной температуре. Затем приспособление вынимают из термостата и охлаждают. Образец освобождают от приспособ­ ления и с помощью измерительного микроскопа измеряют толщину недеформированного и деформированного участков изоляции. Степень деформации определяют по разности этих толщин. Если эту разность отнести к толщине недеформированной изоляции, то получим относительную деформацию.

на точку скрещивания давит стержень с керамическим наконеч­ ником с нормированным усилием. Провода помещают в пред­ варительно нагретое до заданной температуры приспособление. Между проводами приложено напряжение 100 В. После уста­ новки проводов перед приложением нагрузки они выдержива­ ются для прогревания 1—3 мин. Время испытания отсчитыва­ ется от момента приложения нагрузки. Образец считается выдержавшим испытание, если время до электрического за­ мыкания между проводами составляет более 2 мин. Для проводов диаметром от 0,13 до 2,44 мм нагрузка изменяется от 2,2 до 70 Н.

Для количественной оценки термодеформации изоляции эмалированных проводов применяют приспособление (дилато­ метр), показанное на рис. 10.2 («кварцевые ножницы»). Провод 1 устанавливают между подвижным 2 и неподвижным 3 квар­ цевыми стержнями. Стержни могут быть круглыми, но в точке закрепления провода они должны иметь прямоугольный про­ филь с заданной шириной поверхности, сдавливающей провод. Область закрепления провода перемещают в небольшую печь 4, температура в которой контролируется термоэлектродом 5. Противоположный конец подвижного стержня давит на щуп 6 датчика микроперемещений. В качестве измерителя перемещений применен механический прибор или механотронный преобразователь (при этом 6 будет чувствительным стержнем механотрона). Усилие нажатия на провод регулиру­ ется грузом 7. Вместо кварцевых стержней могут быть использованы стержни из сплава инвар. Прибор должен

142

Рис. Ю.2. Измерение термодеформации эмалированных проводов

фиксировать деформации, составляющие десятые доли мик­ рометра.

Для определения термодеформаций могут быть исполь­ зованы различные другие конструкции дилатометров. На рис. 10.3 показано изменение относительной термодеформации эмалированного провода от температуры. Кривые 1— 4 соот­ ветствуют относительной термодеформации провода марки ПЭТВ при различной продолжительности его технологической термообработки. Такие кривые используют для определения оптимальных режимов эмалирования и расчета энергии ак­ тивации процесса пленкообразования (см. § 10.3).

При наложении пластмассовой изоляции в процессе изготов­ ления она вытягивается, и в ней остаются механические напряжения. Для оценки качества наложения изоляции опре­ деляют ее усадку вдоль оси кабеля. Методы определения усадки изоляции из композиций полиэтилена и поливинилх­ лоридного пластиката регламентируются ГОСТ 12175 —73.

Испытанию подвергают провода не ранее чем через 16 ч после их изготовления. Отрезают пять образцов длиной по

Б

143

150 мм. На изоляции образца делают две отметки на рас­ стоянии /j=(100 ±0,5) мм. С обоих концов от этих отметок перпендикулярно жиле срезают изоляцию. На концах изоляции на жиле делают отметки. Температура испытаний полиэти­

усадку для пяти образцов. Максимальное значение усадки

должны поддерживать горение. Метод проверки на нерасп­ ространение горения предусмотрен в ГОСТ 12176—76. Три образца провода длиной по 300 мм по очереди вводят в пламя горелки Бунзена с диаметром отверстия сопла 9 мм при длине пламени 10 см и высоте ядра пламени около 5 см. Горелку располагают так, чтобы по отношению к вертикали ее ось образовала угол 45°. Образец вводят в пламя горелки в вертикальной плоскости, перпендикулярно оси горелки. Образец нужно держать в пламени в течение 1 мин так, чтобы расстояние между образцом и соплом горелки состав­ ляло около 4 см. После удаления образца из пламени горение его должно прекратиться не более чем через 1 мин.

10.5. КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

Многие кабельные изделия подвергаются неблагоприятным воздействиям окружающей среды,, в частности атмосферным воздействиям. Эти воздействия обобщенно называют клима­ тическими.

Кабельные изделия испытываются при следующих условиях: повышенная или пониженная температура; повышенная влажность с конденсацией влаги на поверхности

изделия или без конденсации; пониженное и повышенное атмосферное давление;

воздействие солнечного (в частности, ультрафиолетового)

в условиях ударных нагрузок, ускорений и вибраций.

144

При изменении температуры на изделиях может проис­ ходить конденсация влаги, поэтому климатические испытания бывают с конденсацией и без конденсации влаги. Проводятся также испытания с осаждением инея. Изменения температуры могут быть плавными и резкими. Для резкого изменения температуры изделия перемещают в камеры, имеющие соот­ ветствующие температуры.

Методы определения дисперсности солевого тумана, кон­ центрации сернистого газа и сероводорода в камере приведены в ГОСТ 20.57.406-81.

Воздействие солнечной радиации обычно имитируется уль­ трафиолетовыми излучателями (ртутно-кварцевыми лампами). Более близкий к солнечному спектр можно получить с по­ мощью ксеноновых ламп высокого давления.

При пониженном атмосферном давлении (до 10"10 Па) возможен перегрев отдельных участков при наличии тепло­ выделения в изделиях вследствие ухудшения теплопередачи. При воздействии повышенного напряжения при определенном значении пониженного давления могут возникнуть условия, способствующие возникновению ионизации, поэтому вводятся испытания при пониженном (а также повышенном) давлении. Для этого применяют барокамеры, в которых создают необ­ ходимые давления и температуры, а также имеется возмож­ ность испытывать изделия под токовой нагрузкой и под напряжением.

В качестве примера приводятся некоторые параметры используемых климатических камер:

низкотемпературный стол НС 280-75 (ЧСФР) (с темпера­ турой от —40 до —75° С, объемом 280 л);

термостат с перемешиванием воздуха ТПВ-2 (с темпера­ турой от 100 до 350 (±2-г-3° С);

климатотермокамера КТК-800 (ГДР) (с температурой от —70 до +90° С, влажностью до 98%, объемом 8000 л);

климатотермовлагогрибковая камера 12КТВГ-0,4-001.

10.6.ОЦЕНКА СВОЙСТВ ЖИДКИХ МАТЕРИАЛОВ

Вкабельной технике используются жидкие электроизоляци­ онные материалы, растворители, лаки, расплавы полимеров. Свойства этих жидкостей определяются их вязкостью, поверх­

ностным натяжением, краевым углом смачивания и др.

В большинстве случаев между напряжением сдвига т и ско-

dU

ростью сдвига — существует степенная зависимость

(10.30)

146

где U— скорость течения в жидкости; р0 и п— постоянные коэффициенты; г— текущий радиус в вискозиметре.

Если и=1, то такую жидкость называют идеальной или ньютоновской. При этом значение динамической вязкости р не

Измерение вязкости производят ротационными и капил­ лярными вискозиметрами [34].

В ротационном вискозиметре вязкость определяют при вращении одного из коаксиальных цилиндров, между которыми находится жидкость. Напряжение сдвига

по формуле, справедливой при отношении диаметров цилинд­ ров $<1,2 [34]:

N — число оборотов вращающего цилиндра в единицу времени; d2— диаметр внутренней рабочей поверхности внешнего ци­ линдра.

Величина п2 вычисляется как коэффициент наклона прямой линии на графике зависимости 1пМ от InvV:

n2 = d (InМ)/d(InN).

Если отношение s приближается к единице, то формула (10.32) приводится к выражению

Рассчитав т и dU/dr по экспериментальным данным, находят р. Все размерности должны соответствовать системе СИ. Тогда получаем следующие размерности: Н/м2— для т, с-1 — для dUjdr, Н с/м2 или кг/(с*м)—для р.

В приведенной методике не учитываются напряжения сдвига на торцевых поверхностях ротора. Для такого учета прибор калибруется на стандартных ньютоновских жидкостях.

147

В капиллярном вискозиметре жидкость протекает по цилин­ дрическому каналу малого диаметра d (примерно 1 мм). Длина капилляра / должна быть много больше его диаметра, при этом влиянием участков на концах капилляра можно пренеб­ речь. На концах капилляра каким-либо способом создают перепад давления в жидкости Ар, за счет которого она течет по капилляру. Во время проведения опыта значение Ар должно быть постоянным. Измерив объемный расход жидкости за единицу времени q, можно рассчитать т и dUjdr на стенке капилляра:

dU_32q 3^ + 1

(10.35)

dr nd3 4HJ

Значение п1 вычисляют по графику зависимости InАр от In q:

n1=d(\nAp)/d(\nq).

Реологические свойства полимеров оценивают в условных единицах— «показателях текучести расплава». Для этого по­ лимер расплавляют в специальном цилиндре при нормирован­ ной для этого полимера температуре. Затем с помощью поршня, на который действует нормированный груз, расплав выдавливают через отверстие со стандартизованным диаметром d и длиной трубки /. За определенное время t выдавливается некоторая масса полимера G, которая определяется взвешива­ нием. Размерность показателя текучести расплава— г/мин.

Если площадь поршня в цилиндре S, то давление в расплаве равно Ap—Fjs и напряжение сдвига можно рассчитать по (10.34). Объемный расход материала V=Gjр, где р — плотность поли­ мера. При этом можно рассчитать dUjdr по (10.35). По этим данным можно найти все параметры коэффициента вязкости.

Условную вязкость определяют по времени, которое необхо­ димо для вытекания жидкости из сосуда определенного объема и формы через калиброванное отверстие. Измеряют время вытекания для исследуемой жидкости и для жидкости с известной вязкостью (вода). Отношение времени вытекания для этих двух жидкостей является мерой условной вязкости «градусы Энглера» [1]. Такая методика пригодна только для быстрой оценки соответствия вязкости, установленной техническими условиями.

По изменению вязкости резиновой смеси при повышенной температуре можно определить время, в течение которого происходит процесс вулканизации в жидкой фазе смеси, т. ё. так называемое «время подвулканизации». По окончании процесса подвулканизации процесс химического сшивания мо­ лекул в резиновой смеси приводит к появлению пространст­ венной сетки в резине и резкому увеличению ее вязкости.

148

Рис. 10.4. Прибор для исследования процесса подвулканизации в резиновых смесях

Для определения времени подвулканизации применяют дисковый вискозиметр, схематическое устройство которого показано на рис. 10.4. Между медленно вращающимися с по­ мощью вала 6 дисками 1 и 2 установлены шайбы из сырой резины 3. Диски 1 и 2 соединены так, что они вращаются совместно, но могут сдвигаться вдоль оси прибора. Диски сжимаются вдоль оси с определенным усилием и прижимают резиновые шайбы к неподвижному диску 4, Диски 1 и 2 враща­ ются внутри обогреваемой печи 5, в которой предусмотрен нагрев резиновых шайб до заданной температуры. Поверхности, которые прижимаются к резиновым шайбам, имеют насечки для предотвращения проскальзывания поверхностей. Враща­ ющий момент с неподвижного диска 4 с помощью вала 7 передается на измерительное устройство, которое отграду­ ировано в единицах вязкости. По окончании процесса подвул­ канизации вязкость начинает быстро возрастать.

ГЛАВА ОДИН Н А Д Ц А Т А Я

ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ И ДИАГНОСТИКИ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КАБЕЛЕЙ

И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

их Изготовления

11.1.ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

В[6] к термическим методам анализа отнесены все физические методы, позволяющие получить информацию типа параметр— температура. При исследовании материалов и про­ цессов, применяемых в кабельной технике, используются в ос­ новном три метода: динамическая термогравиметрия (ТГ),

149

дифференциальный термический анализ (ДТА) и дифференци­ альная сканирующая калориметрия (ДСК). В каждом из этих методов производится нагревание образца по определенной программе. Как правило, скорость нагревания остается посто­ янной в процессе всех исследований, она находится в пределах 1—20° С/мин.

Характеристики процессов, которые происходят при нагрева­ нии полимеров, показаны в табл. 11.1. По температуре и ко­ личеству поглощаемого тепла в процессах 2, 3 и 4 табл. 11.1 оценивают молекулярную массу и определяют качественный состав смеси полимеров. По изменению массы и энергии в процессах 6 и 7 изучают термическую устойчивость поли­ меров, процесс их старения с оценкой срока службы. Эти исследования проводятся также в различной газовой среде (инертном газе, кислороде, воздухе). Характеристики процессов 1 и 5 используются также для оценки технологии термической обработки полимеров. Таким способом, например, исследуют процесс сушки изоляции силовых кабелей и процессы отвер­ ждения, сшивания, вулканизации.

Различают приборы, предназначенные только для ТГ (тер­ мовесы), только для ДТА, только для ДСК и комбинированные приборы для ТГ и ДТА, которые называются дериватографами (ДТГА).

На рис. 11.1 приведена схема устройства дериватографа. В контейнеры 1 и 2 помещают эталонный и исследуемый образец. Эталонный образец при нагревании не должен изменять массу и теплоемкость, в нем не должна выделяться

150