電線電纜絕緣電阻測試方法探討
2013-09-14 08:06王粵威胡永樂袁治中
電子測試 2013年6期
王粵威 胡永樂 袁治中 王 霄
（珠海出入境檢驗檢疫局，廣東珠海 519015）
2010年，我們珠海出入境檢驗檢疫局技術(shù)中心電氣安全實驗室參加了某機構(gòu)“電線電纜絕緣電阻能力驗證”活動。2011年，我室收到該機構(gòu)發(fā)來的《能力驗證計劃結(jié)果通知單》(以下簡稱《通知單》)，得知我室參加的“電線電纜絕緣電阻能力驗證”試驗結(jié)果被判為“有問題結(jié)果”。
依據(jù)該機構(gòu)提供的“作業(yè)指導(dǎo)書”中的描述，原文如下：
絕緣電阻試驗 ：
試驗方法：除應(yīng)按照GB/T 3048.5-2007的要求測量絕緣電阻外，對以下具體條件進行了統(tǒng)一的規(guī)定：
試驗溫度：70℃±1℃；
試樣測量：試樣放入已經(jīng)達到規(guī)定溫度的水浴中至少2小時后開始測量；
試驗電壓：250V；
測試充電時間：請采用1分鐘讀數(shù)。
我們對該試驗進行了全面細致的分析，對這次能力驗證活動中采用的試驗方法進行了多次實驗驗證，盡力查找原因。
1 試驗結(jié)果及原因分析
1.1 作業(yè)指導(dǎo)書規(guī)定的“試驗溫度：70℃±1℃”過于寬松
電線電纜的絕緣電阻測量值不是一個恒定不變的數(shù)值，它易受外界諸多因素的影響而發(fā)生變化。由上海電纜研究所主辦的《電線電纜》雙月刊1997年01期《用ASTM方法確定絕緣電阻溫度校正系數(shù)》一文(以下可簡稱《用》文，依據(jù)美國材料和實驗協(xié)會標(biāo)準（ASTM）方法進行檢測，結(jié)果表明PVC絕緣電線電纜的絕緣電阻與溫度的變化關(guān)系完全符合指數(shù)規(guī)律。隨著溫度的上升，絕緣電阻則下降：
式中 ρt—— 溫度為t時的絕緣體積電阻率
ρt0——溫度為t0時的絕緣體積電阻率
k——絕緣電阻溫度校正系數(shù)
β——絕緣電阻溫度系數(shù)
ASTM 標(biāo)準規(guī)定的標(biāo)準溫度t0=60℉(即15.6℃)。
表1給出的則是ASTM 絕緣電阻溫度校正系數(shù)標(biāo)準(查ASTM D 2633的表)
表1 PVC絕緣電阻溫度校正系數(shù)的ASTM 標(biāo)準值
根據(jù)上述ASTM 標(biāo)準，很容易推算出：溫度每升高1℃，PVC絕緣電線電纜的絕緣電阻大概要減小18%。由于本次能力驗證作業(yè)指導(dǎo)書還允許水溫在70℃±1℃范圍波動，在這種情況下測量電線電纜的絕緣電阻值必然一致性差。
為了盡量減少水溫波動對測量結(jié)果的影響，我們在本次能力驗證試驗中，水溫由6根熱電偶在6個點測量，并設(shè)法保證了6個測量點顯示的水溫均穩(wěn)定在70.0℃±0.1℃之間，且保持2小時。
1.2作業(yè)指導(dǎo)書未限制恒溫水浴槽中的水溫在整個升溫過程中不可出現(xiàn)過沖
《用》文還指出：“在升溫及降溫過程中，同一溫度點下的絕緣電阻值稍有不同?！币姳?。
但是，很多恒溫水槽在升溫過程中都會出現(xiàn)過沖，即水溫會沖過70℃，然后又降下來，逐步趨于穩(wěn)定（見圖1）。這樣，根據(jù)《用》文作者的經(jīng)驗總結(jié)，測量結(jié)果可能大大低于水溫?zé)o過沖的測量值。
圖1
為防止水溫沖過頭再降下來，造成絕緣電阻測量結(jié)果偏低，我們在本次能力驗證試驗中保證了水溫始終沒有超過70.1℃。我們的做法是：將裝有被測電線樣品的恒溫水浴槽安放在恒溫恒濕箱內(nèi)。恒溫水浴槽升溫至63.5℃時即停止加熱，微調(diào)恒溫恒濕箱內(nèi)的溫度，通過空氣熱傳導(dǎo)使水溫緩慢上升至70.0℃±0.1℃（歷時2小時左右）。水溫由6根熱電偶在6個點測量，做到了水溫始終沒超過70.1℃,并在70.0℃±0.1℃之間穩(wěn)定2小時后進行絕緣電阻測試。（見圖2）
圖2
1.3 第一次測試與“充分放電”后重復(fù)測試，結(jié)果不一致，復(fù)現(xiàn)性很差
國家標(biāo)準和作業(yè)指導(dǎo)書都允許重復(fù)測量，GB/T 3048.5-2007《電線電纜電性能試驗方法 第5部分 絕緣電阻試驗》第8.3條規(guī)定：“重復(fù)試驗時，在加電壓之前應(yīng)使試樣短路放電，放電時間應(yīng)不少于試樣充電時間的4倍；如因試樣有殘余電荷而造成測量結(jié)果有明顯差別時，必須先進行充分放電。對于這類試樣，無論是第一次測試或重復(fù)測試，均需充分放電。”
由于我們在第一次測試時，水溫只控制在70℃±1℃之間，我們發(fā)現(xiàn)誤差較大，所以放棄了第一次測試的結(jié)果，轉(zhuǎn)而采用將水溫控制在70.0℃±0.1℃之間，并防止過沖的控制方式。而樣品則遵照國家標(biāo)準要求進行“充分放電”后的重復(fù)測試。
但根據(jù)介質(zhì)中靜電場的理論，介質(zhì)極化出現(xiàn)的電荷屬于束縛電荷，與金屬中的自由電荷不同，它不會因短路放電而消除。若要使極化完全消除，必須加反向電場（矯頑場），或者使用衰減的交變電場來消除極化現(xiàn)象。我們在本次能力驗證試驗中嚴格遵照國家標(biāo)準和作業(yè)指導(dǎo)書的規(guī)定，沒有使用矯頑場，而是在重復(fù)測量前對被測電線樣品進行了為時24小時的“充分放電”，然后又在室溫下進行了為時2天半的自然干燥，再進行測量得出最終結(jié)果?，F(xiàn)在看來，由于極化電場沒有消除，就會造成重復(fù)測量得到的絕緣電阻值明顯大于第一次測量值，兩者復(fù)現(xiàn)性很差。
收到《通知單》后，我們又對能力驗證樣品進行了重復(fù)測試，結(jié)果見表3。從中可以看出：同一個樣品，即使經(jīng)過“充分放電”，絕緣電阻值總的趨勢還是隨著測量的次數(shù)增加而越來越大。能力驗證時的測量結(jié)果是0.120 MΩ·km，現(xiàn)在增大到了0.274 MΩ·km。
表3 重復(fù)測試CNAS T0558能力驗證電線樣品的絕緣電阻測量結(jié)果(線長7.427m,水浴溫度70.0℃)
可見，針對該能力驗證的樣品來說，第一次測試與所謂“充分放電”后重復(fù)測試，結(jié)果很不一致，復(fù)現(xiàn)性很差。
2 結(jié)論和建議
2.1能力驗證方案設(shè)計時應(yīng)充分考慮各因素對結(jié)果的影響
《影響絕緣電阻測量值的主要因素》一文中介紹，影響電線電纜絕緣電阻的因素很多、原因很復(fù)雜，嚴格遵照國家標(biāo)準和作業(yè)指導(dǎo)書的規(guī)定進行試驗的結(jié)果復(fù)現(xiàn)性很差，尤其是所謂“充分放電”后重復(fù)測試的結(jié)果與第一次測試結(jié)果差別很大。
因此在能力驗證方案設(shè)計時（包括試驗前的預(yù)處理、試驗條件的規(guī)定、對重復(fù)測試的規(guī)定、統(tǒng)計方法及測量結(jié)果的判定等）應(yīng)該充分考慮到這些因素的影響。如果僅僅根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計出來的中位數(shù)和Z比分數(shù)，劃分“滿意”、“不滿意”、“有問題”結(jié)果，很可能將嚴格遵照國家標(biāo)準和作業(yè)指導(dǎo)書的規(guī)定進行試驗的結(jié)果，判為“有問題”或“離群”。
例如，電線電纜絕緣電阻能力驗證必須考慮以下因素：是否允許所謂“充分放電”后的重復(fù)測試？或者是否應(yīng)該將第一次測試與重復(fù)測試的結(jié)果分開統(tǒng)計？
是否應(yīng)規(guī)定恒溫水浴槽中的水溫在整個升溫過程中不應(yīng)該過沖，具體地說，是否可規(guī)定任何時候水溫不得超過70.1℃；
是否應(yīng)規(guī)定恒溫水浴槽中的水溫在整個2小時測量過程中應(yīng)該穩(wěn)定在70.0℃±0.1℃。等等。
上海浦東新區(qū)環(huán)境保護監(jiān)測站兩位專家曾提出建議：“在能力驗證檢測報告中，變動性度量s推薦采用合成標(biāo)準不確定度。其一當(dāng)參加能力驗證檢測的實驗室較少（n≤9）時，變動性度量s采用標(biāo)準差表示的誤差較大；其二如參加能力驗證檢測的實驗室較多，且同為一個行業(yè)系統(tǒng)時，由于不能排除實驗室之間部分串通，計算出的標(biāo)準差可能偏?。ㄗⅲ合喈?dāng)于本次能力驗證的標(biāo)準化IQR偏?。?，易導(dǎo)致部分實驗室的Z比分數(shù)＞2，而被誤判為有問題或不滿意?！?/p>
這個建議自有它的道理。
2.2 建議國家標(biāo)準在具體的試驗方法上作出適當(dāng)?shù)男抻?/h3>
國標(biāo)GB/T 3048.5-2007《電線電纜電性能試驗方法 第5部分 絕緣電阻試驗》中關(guān)于“充分放電”后可進行“重復(fù)測試”的方法值得商榷。通過以上試驗表明：由于介質(zhì)極化電荷不會因短路放電而消除，對同一個樣品，即使經(jīng)過所謂“充分放電”，絕緣電阻值總的趨勢還是隨著測量的次數(shù)增加而越來越大。因此，我們認為國標(biāo)中應(yīng)該對電線電纜絕緣電阻的測試方法進行修訂，例如可以規(guī)定：絕緣電阻的測量值取第一次測試的結(jié)果，如有懷疑，需進行重新測試時，試驗應(yīng)在新的樣品上進行。
［1］ GB/T 3048.5-2007《電線電纜電性能試驗方法 第5部分絕緣電阻試驗》〔S〕
［2］ 梁學(xué)紅、崔興艷 《用ASTM方法確定絕緣電阻溫度校正系數(shù)》〔J〕《電線電纜》1997年01期雙月刊
［3］ bellawang 《影響絕緣電阻測量值的主要因素》〔Z〕wenku.baidu.com/view 2011年1月14日
［4］ 徐建平 刁鳳鳴 《Z比分數(shù)在實驗室能力驗證監(jiān)測中的運用》［J］《環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)》第15卷第1期2003年2月
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