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电缆寿命和使用期限差异之辩析
来源: | 作者:champzon | 发布时间: 33天前 | 329 次浏览 | 分享到:
        有一建筑工程类标准(下称该标准),该标准中电缆采用辐照交联聚乙烯为绝缘材料。该标准将电缆按耐温等级分为电缆导体长期最高工作温度分别为90、105和125℃的三类,而同时又定义并规定电缆寿命如下:“按照GB/T11026.1中规定的试验方法,采用阿累尼乌斯(Arrhenius)曲线推导出的电缆的使用年限(本标准中规定导体平均工作温度70℃下的正常使用寿命不小于70年)。”
        该电缆寿命的定义和规定与电缆按耐温等级的分类不一致,这将导致建筑工程的设计方、施工方、监理方和业主(用户)等无所适从。人们不禁要问,该电缆的实际使用温度究竟取多少?
该电缆的寿命定义和规定中的阿累尼乌斯曲线表述不妥,应为阿累尼乌斯图。有关正确的表述详见IEC60216《电气绝缘材料耐热性》和IEEE98《绝缘材料热评定试验程序准备指南》标准的有关规定。电缆寿命与温度关系呈曲线,而阿累尼乌斯图表示电缆寿命的对数和绝对温度的倒数的关系,通常其呈直线关系。
        在电缆寿命测试中,电缆寿命终点的判定准则不同,所得电缆寿命结果即寿命时间的长短也不同。因此,在电缆产品的寿命定义中必须明确电缆寿命终点的判定准则。该标准中电缆的寿命定义和规定缺少电缆寿命终点的判定准则,这导致电缆的寿命的意义缺少确定性;而正是这确定性乃是对定义的最本质的要求。
        该标准中电缆的寿命定义和规定与学术上及标准和规范水平上电缆寿命真正的意义不符,所提出的所谓70年的辐照交联聚乙烯绝缘电缆寿命实质上是个伪命题。切不能把通常习俗层面上的所谓寿命与学术意义上严格定义的寿命概念混淆起来了。
        由IEC60216/GB/T11026《电气绝缘材料耐热性》和IEEE98《绝缘材料热评定试验程序准备指南》标准的规定可知,电缆寿命是指在其允许的导体最高工作温度下的最长的正常工作的极限时间。在导体低于其允许的导体最高工作温度的某一温度下的最长的正常工作的极限时间绝不能说是该电缆的寿命,只能说是该电缆在这一导体温度下的最长的正常工作的极限时间或称“使用期限”;显然,其比上述电缆寿命时间要长。在目前的电缆材料的技术水平下,人们尚未找到寿命能达到70年的辐照交联聚乙烯绝缘材料。
        这样,该标准上述所谓寿命定义中的“寿命”两字应改为“使用期限”,而“寿命终点判定准则”应改为“使用期限终点判定准则”。
转到另一角度,从实用的目的出发考虑,人们或许可以猜测到该标准对电缆的寿命所作的的上述定义和规定的初衷。
        众所周知,通常最高导体工作温度为70℃的PVC绝缘电缆的寿命大约为25年左右,这样将不可避免地在建筑物通常70年的寿命期内更换电缆,这将增加工程后期的电缆的维护成本。
        但是,采用最高导体工作温度分别为90、105和125℃的辐照交联聚乙烯绝缘电缆代替上述PVC绝缘电缆并将前者的导体的工作温度限制到70℃,这样在相同工作负荷下前者的导体截面将与PVC电缆相同。由于采用了综合性能包括耐热性能较好的辐照交联聚乙烯绝缘材料,因此初始建设成本将有所上升。然而,另一方面,在目前国内国外电缆材料的技术水平下,交联聚乙烯绝缘和聚烯烃绝缘这一类材料的热寿命通常为20-40年(背景资料说明:很多电线电缆产品标准规定,其寿命终点取断裂伸长率保留率等于50%,但也不全然如此,例如,有的电线电缆产品标准规定取某一击穿电压要求为其寿命终点)。如果没有特殊的需要,人们不会要求它们的热寿命要达到60年甚至70年。最高导体工作温度分别为90、105和125℃的辐照交联聚乙烯绝缘的热寿命通常也是20-40年。一个热寿命为20年的最高导体工作温度为90℃的辐照交联聚乙烯绝缘,根据热寿命评定的10℃规则推算,其在导体平均工作温度70℃下的正常使用期限能达到80年。热寿命更长的的最高导体工作温度为90℃的辐照交联聚乙烯绝缘以及耐温等级更高的最高导体工作温度分别为105和125℃的辐照交联聚乙烯绝缘,它们在导体平均工作温度70℃下的正常使用期限将更长。也就是说,这些绝缘材料在导体平均工作温度70℃下的正常使用期限达到70年都不成问题。这将避免在70年的建筑物寿命期内更换电缆,从而避免了更大的投入和浪费。
        另一方面,如将辐照交联聚乙烯绝缘电缆导体工作温度提高到其允许的最高导体工作温度,在相同工作负荷下该电缆的导体截面将比PVC绝缘电缆小得多,因此初始建设成本将降低。但是在目前的电缆材料的技术水平下,人们尚未找到寿命能达到70年辐照交联聚乙烯绝缘材料,目前,最先进的核电缆用的交联聚乙烯绝缘材料和聚烯烃绝缘材料的寿命也不过是60年而已,而一般的辐照交联聚乙烯绝缘的寿命根本达不到70年,因此这将不可避免地在建筑物寿命期内更换电缆,这将增加工程后期的电缆的维护投入。
        综上所述,综合平衡下来,取采用最高导体工作温度分别为90、105和125℃的辐照交联聚乙烯绝缘电缆代替最高导体工作温度为70℃的PVC绝缘电缆并将其导体工作温度限制到70℃的方案是可取的,在经济上是合算的,是实用的,尽管似乎有些大材小用。但是在这种情况下,决不能标榜说电缆的寿命达到了70年,而只能说在70℃的导体工作温度下,电缆最长的正常工作的极限时间或使用期限达到了70年而已。
        不过在这里要提醒人们应该注意的是,如上述所示,采用最高导体工作温度为90℃的辐照交联聚乙烯绝缘电缆代替最高导体工作温度为70℃的PVC绝缘电缆已足够,没有必要采用耐温等级更高最高导体工作温度为105和125℃的辐照交联聚乙烯绝缘电缆,因为后者的成本更高,当然其寿命裕度也更大。
        该标准规定电缆寿命评定试验要求如下:最高导体工作温度分别为90、105和125℃的辐照交联聚乙烯绝缘电缆分别在165、170和180℃下老化168h,老化后材料的断裂伸长率的保留率不应小于50%。按该标准的说法,如果通过了该试验,则可认为该电缆在导体平均工作温度70℃下的正常使用寿命(正确地说,应该是正常使用期限)不小于70年。
        在这里必须指出的是,在电缆技术中,为达到同一目的和目标,可以采用不同的绝缘材料。为验证这些不同的材料能否达到同一的目的和目标,很明显,必须采用相同的同一的验证方法。然而在本标准中,为验证最高导体工作温度分别为90、105和125℃的这三种不同的辐照交联聚乙烯绝缘材料在规定导体平均工作温度70℃下的正常使用年限是否能达到70年,竟采用了三种严格程度相差十分悬殊的老化验证方法,这是令人无法理解的,是极其不合理的。应通过试验验证在大量实验数据的基础上确立一个统一实用的有效的的评价各种辐照交联聚乙烯绝缘材料在规定导体平均工作温度70℃下是否能达到70年正常使用年限的快速评定方法。不要把绝缘材料的耐温等级概念和实际使用中电缆导体平均工作温度的概念相混淆。
        该标准接着又规定:“如按上述规定评定寿命有异议,可采用如下方法进行仲裁,按GB/T11026.1规定的方法进行,通过阿累尼乌斯(Arrhenius)曲线推导出导体70℃工作温度下电缆的的使用寿命。”如上所述,该规定缺少电缆寿命终点的判定准则(在这里,正确地应理解为电缆使用期限终点的判定准则),因此从理论上说,这样的仲裁无法进行。因此标准必须明确规定电缆使用期限终点的判定准则。如果规定了电缆使用期限终点的判定准则,在这里必须提醒的是,按GB/T11026.1规定的方法通过阿累尼乌斯(Arrhenius)图去推导出导体70℃工作温度下电缆的的使用期限,由于70℃这个工作温度指标较低,因此与工作温度指标较高的情况相比将耗费更大量的时间和人力物力。对于耐热等级和最高导体工作温度更高的105和125℃的这两种辐照交联聚乙烯绝缘材料来说更是如此。因此有关方在欲实施该仲裁试验时应仔细斟酌投入成本是否合算,是否真的有必要实施该仲裁试验。还必须指出的是,电缆构成材料(耐火层、绝缘、填充、隔离层和护套等)的寿命特性应与电缆整体寿命的要求相匹配。该标准没有明确电缆整体寿命/使用期限和其构成材料的寿命/使用期限之间的异同以及相互关系;没有明确规定如何从电缆构成材料的寿命/使用期限去推断电缆的整体寿命/使用期限。此应进一步完善。
        最后要指出的是,该标准对电缆寿命的规定和对电缆载流量的规定是相互矛盾的。由IEC60287《电力电缆-额定电流的计算》/JB/T10181《电缆载流量的计算》和IEC60364-5-523/GB16895.15《建筑物电气装置第5部分:电气设备的选择和安装第523节:布线系统载流量》标准的规定可知,电缆的载流量与电缆的额定工作温度即电缆导体允许的最高工作温度相关。该建筑工程类标准也在这样的技术背景下对电缆载流量进行了讨论,并给出了导体最高温度90℃时电缆的载流量(不知出于何种考虑,该标准没有给出导体最高温度105和125℃时电缆的载流量),而该标准定义的电缆寿命却是导体平均工作温度70℃下的使用年限,两者明显相互抵触,这将导致建筑工程的设计方和施工方在选择电缆的种类、型号和规格(导体截面),在确定电缆的工作温度以及电缆的载流量时无所适从。这样,又回到了本文开始的话题,即标准的制定者必须面对有关方明确建筑工程用辐照交联聚乙烯绝缘电缆的实际使用温度究竟取多少。
        如果该标准明确电缆导体工作温度为70℃的话,标准应给出导体温度70℃下电缆的传输容量以方便有关方选用电缆。
        结语:
        1)电缆寿命与电缆导体最高允许温度相关,在一定的电缆寿命终点判定准则下,电缆寿命乃是电缆的固有特性,不随电缆实际运行温度的变化而变化。
        2)当需要时电缆可在比其导体最高允许温度低的某一温度下长期运行,当电缆性能劣化程度判定准则相同时,电缆在这一运行温度下的使用期限将明显长于上述的电缆的固有寿命。在这种情况下,宣称电缆“所谓寿命”因此延长到了多长是没有科学依据的;所谓70年的电缆寿命的提法实质上是个伪命题。