电缆绝缘材料热变形性能测试标准差异分析

韩孟超  吴玉林  赵振中   冯伟

摘要：电线电缆在实际运行过程中，常常因其绝缘材料的热变形性能较差而导致其绝缘层或护套层因出现易变形、易开裂、阻燃性差等缺陷而破坏失效，从而使电缆失去正常保护，严重影响电缆的使用寿命和使用安全。绝缘材料热变形性能较差通常表现为在低于额定温度时就出现变软甚至熔化，同时在外力及自重作用下发生变形甚至破坏，或因局部受热受力时（例如阳光曝晒或受烘烤）出现开裂等。因而，热变形性能已成为评价电线电缆绝缘材料使用安全性的重要指标，主要用于检验电缆产品的绝缘层或护套层在一定温度下，受外界机械力（或自重）作用变形后，在去除外力且温度降低时能恢复原状的能力，即评价电缆产品绝缘材料的热塑性。

关键词：电缆绝缘；热变形；性能测试

为评价电缆产品绝缘材料热变形性能的优劣，国内外都制定了电缆绝缘材料热变形检验标准，主要包括国家标准GB/T 2951.31—2008、国际标准IEC 60811-508:2017、美国标准UL 758:2014和UL 2556:2015等。本文通过比较国内外电缆绝缘材料热变形检验方法主要标准差异，了解我国标准存在的不足，从而为我国技术人员开展电缆绝缘材料热变形性能测试与评价及其相关研究提供参考。

1 国内外热变形检验方法标准概述

1.1 国内外热变形检验方法主要标准概况

我国现行的电线电缆热变形检验方法国家标准是由中国国家标准化管理委员会于2008年发布的GB/T 2951.31—2008《电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法第31部分：聚氯乙烯混合料专用试验方法———高温压力试验———抗开裂试验》。该标准等同于1985版的国际标准IEC 60811-3-1:1985《Common test methods for insulating and sheathing materials of electric and optical cables—Part 3-1:Methods specific to PVC compounds—Pressure test at high temperature—Tests for resistance to cracking》。

目前最新版国际标准为国际电工委员会（International Electrotechnical Commission,IEC）于2017年修订的IEC 60811-508:2017《Electric and optical fibre cables—Test methods for non-metallic materials—Part 508:Mechanical tests—Pressure test at high temperature for insulation and sheaths》。该标准已被欧洲各国广泛采用，包括英国、德国、法国等国家。

美国保险商实验室（Underwriters Laboratories Inc.,UL）是美国最具权威，同时也是美国产品安全标准的创始者，取得UL认证的产品可以在美国市场销售。UL线缆标准中的热变形检验项目是变形试验。UL 758:2014《Underwriters Laboratories Inc.Standard for Safety Appliance Wiring Material》规定了变形试验的适用范围及产品要求；UL 2556:2015《Underwriters Laboratories Inc.Standard for Safety Wire and Cable Test Methods》规定了具体试验方法。

表1示出了热变形检验方法的国家标准、IEC国际标准及美国UL标准的概况。可以发现：国家标准GB/T 2951.31—2008与IEC国际标准IEC60811-508:2017中的热变形检验项目均为高温压力试验；而美国UL标准UL 758:2014和UL 2556:2015中则为变形试验。

表1 国内外热变形检验方法主要标准概况     下载原表

1.2 国内外热变形检验方法标准试验原理

虽然国内外制定的热变形检验方法标准不尽相同，但试验原理基本一致，即将电缆产品置于高温和机械载荷双重作用下，使绝缘材料在高温下受到挤压，然后基于压痕深度百分数评价其在高温下抵抗变形的能力。图1是典型的热变形检验用压痕装置，用于安装试样并提供机械载荷。

图1 典型的热变形检验用压痕装置 

2 国内外热变形检验方法标准差异

2.1 适用范围差异

国家标准GB/T 2951.31—2008适用于电线、电缆和光缆的聚氯乙烯（PVC）材料的绝缘和护套，不推荐用于厚度小于0.4mm的绝缘和护套。

IEC国际标准IEC 60811-508:2017比国家标准适用范围更宽泛，原则上可用于热塑性材料，特别情况下，也可用于交联材料，但不推荐用于厚度小于0.7mm的绝缘和护套。

美国UL标准UL 758:2014和UL 2556:2015只要求热塑性弹性体（TPE）、热塑性塑料（不包括额定温度为125℃及以上的含氟聚合物）和交联材料才需要进行该项目检验。

2.2 试样制备差异

国家标准GB/T 2951.31—2008和IEC国际标准IEC 60811-508:2017规定从绝缘线芯截取长度为50～100 mm的段状试样；对无护套扁平软线取样时，绝缘线芯不应分开；制备护套试样时，应沿电缆轴向切取宽约圆周长1/3的窄条。此外，IEC国际标准还要求护套的窄条试样不能大于20mm，且增加了当扁平电缆的短边也为扁平时，窄条试样的宽度至少为10mm，但不超过20mm的要求。

美国UL标准UL 758:2014和UL 2556:2015要求试样应取自成品或制造期间的电线、电缆或线芯。试样可以是长为25mm的段状，也可以是宽度不超过14mm且厚度一致的光滑条状。

2.3 试验设备差异

热变形检验所需设备主要由空气烘箱与压痕装置两部分组成。

2.3.1 空气烘箱差异

国家标准GB/T 2951.31—2008和IEC国际标准IEC 60811-508:2017均要求空气烘箱的排气口调整到每小时换气8～20次；压痕装置及试样在烘箱中不应有振动。IEC国际标准考虑到温度波动会影响测试结果，还要求烘箱应在规定测试温度的±2K内运行。

美国UL标准UL 758:2014和UL 2556:2015要求空气烘箱的排气口应调整到每小时换气100～200次，且运行时需要1个精度为±1℃的测温装置用于监控。可见，美国UL标准对烘箱内的换气频率要求更高，且对测试温度的控制要求也更严格。

2.3.2 压痕装置差异

国家标准GB/T 2951.31—2008和IEC国际标准IEC 60811-508:2017规定的压痕装置如图2(a）所示，其中矩形刀片的刀口厚度为（0.70±0.01)mm，与试样垂直接触。刀片与其悬挂的砝码整体用于对试样施加机械载荷。美国UL标准UL 758:2014和UL 2556:2015规定的压痕装置如图2(b）所示，由产品标准规定的砝码和框架组成。砝码的施压试样端有1个直径为9.5 mm的压脚，砝码安装在1个框架上，用于提供自由地垂直运动，其加载功能与国家标准和IEC国际标准规定的压痕装置一致，采用压脚及砝码整体对试样施加机械载荷。

图2 国内外热变形检验方法主要标准规定的压痕装置 

2.4 试验要求差异

2.4.1 载荷要求差异

国家标准GB/T 2951.31—2008和IEC国际标准IEC 60811-508:2017规定了刀片作用于试样上的机械载荷F的计算公式为：

式中：F的单位为N;k为相关电缆产品标准中规定的系数；δ为绝缘或护套试样厚度的平均值，单位为mm;D为绝缘或护套试样外径平均值，单位为mm。

美国UL标准UL 758:2014和UL 2556:2015中载荷值的确定不是由给定公式计算得出，而是按照不同类型的线缆绝缘层或护套层材料及导体规格直接规定所对应的标准载荷值。

需要特别指出的是，国家标准和IEC国际标准采用国际单位mm2来描述导体标称截面规格，而美国UL标准则用美国导线规格（American Wire Gauge,AWG)来描述（如18AWG、22AWG等），AWG前面的数值表示导线形成最后直径前所要经过的孔的数量，数值越大，导线经过的孔就越多，导线就越细，截面积就越小。

2.4.2 热老化温度及时间要求差异

国家标准GB/T 2951.31—2008和IEC国际标准IEC 60811-508:2017要求未预热的受压试样在烘箱中放置的时间应按有关电缆产品标准规定，如产品标准没有规定，则试样外径D≤15 mm时为4h，试样外径D>15 mm时为6h，即试样外径尺寸越大，热老化时间越长。此外，IEC国际标准还指出当出现争议时，烘箱内的温度应通过布置在于试样同一水平面且尽量靠近试样的测温装置进行监控，并确保不超过规定温度的上限；对于试验开始后短时出现的低于规定温度下限的情况可以忽略。

3 结论

本文对国家标准GB/T 2951.31—2008、IEC国际标准IEC 60811-508:2017和美国UL标准UL758:2014和UL 2556:2015中的电缆绝缘材料热变形检验方法差异性进行分析，得到如下结论：a．我国电缆绝缘材料热变形检验方法标准采用的是IEC国际标准体系，与美国UL标准体系差异较大，但对电缆绝缘材料热变形性能检验方法的原理基本一致。b．现行国家标准GB/T 2951.31—2008等同采用的是1985版的国际标准IEC 60811-3-1:1985，在试验方法和结果评定方面规定不够详细，内容相对滞后。c．新版IEC国际标准IEC 60811-508:2017已对适用范围、样品制备、防振控温和试样测量及结果修正方面都做了更加细化的修订，使测试方法更为完善。

参考文献

[1]吴长顺．电线电缆手册：第2册[M].3版．北京：机械工业出版社,2017:635-640．

[2]全国电线电缆标准化技术委员会．电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法第31部分：聚氯乙烯混合料专用试验方法-高温压力试验-抗开裂试验：GB/T 2951.31-2008[S]．北京：中国标准出版社,2008:9．