电线电缆高温压力试验不确定度评定分析

摘要：高温压力试验是电线电缆的常规检验项目之一，主要用于考核电线电缆绝缘材料在高温状态下的抗压性能。本文通过大量的试验研究了高温压力试验测量不确定度的来源，建立了数学模型，并对不确定度分量进行了评定，给出了扩展不确定度。

关键词：电线电缆；高温压力试验；测量不确定度

中图分类号： TM 247.1 文献标志码：A

Uncertainty Evaluation Analysis of Wires and Cables High-Temperature Press Test

HUANG Hai

（Hunan Center for Quality Supervision and Inspection of Electric Wires and Cables， Hengyang 421001， China）

Abstract： High-Temperature press test is one of the conventional wire and cable test items， mainly for assessment compression performance wire and cable insulation materials under high temperature conditions. Through a lot of test to study the origin of high temperature pressure test measurement uncertainty， a mathematical model， and uncertainty components were assessed， given the expanded uncertainty.

Key words： wires and cables； High-Temperature press test； uncertainty of measurement

引言：高温压力试验是电线电缆的常规检验项目之一，是电线电缆绝缘或护套在一定温度下受外界机械力（或自重）而变形后，当外力去除、温度降低时能否恢复的能力，主要用于考核电线电缆绝缘材料在高温状态下的抗压性能。本文根据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》标准进行高温压力试验，通过多次试验研究分析高温压力试验测量不确定度的来源，建立数学模型，分析其试验结果离散性的规律，对提高高温压力试验结果的准确性具有现实意义。

一、试验方法概述

1.测量依据

电线电缆绝缘或护套的高温压力试验按照GB/T 2951.31-2008进行。

2.环境条件

标准规定，试验应在空气烘箱中进行，烘箱中空气温度应一直保持在有关电缆产品标准规定的温度。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，如电缆产品没有规定，则按如下规定：试样外径D≤15mm时为4h；试样外径D>15mm时为6h。

根据本次评定测试对象，测试烘箱温度为80±2℃，试样在烘箱中预热4h。

3.测试样品

规格型号为60227 IEC01（BV） 450/750V 50mm2一般用途单芯硬导体无护套电缆。

4.试验设备

主要测试设备有空气烘箱、高温压力试验装置、数字投影仪等。其他辅助用设备和物质有游标卡尺、金属垂直面校准块、冷水等。本次用于测量高温压力装置刀口宽度为0.701mm、0.701mm、0.700mm。

5.试验过程

采用测量压痕深度的方法，试样在规定的加热时间结束后，在烘箱中用冷水喷射压在刀口下的试样来迅速冷却。当试样冷却至室温并不再继续变形后，浸入冷水进一步冷却。

二、不确定度来源分析

刀口作用于试样上的压力F（单位：N）计算公式为：

（1）式中：k为产品标准中规定的系数；D为试样外径平均值；δ为试样厚度的平均值。

压痕深度Δδ（单位：mm）结果计算公式为：

（2）式中：δ1为剖面1的测量厚度；δ2为剖面2的测量厚度。

由式（1）、（2）可以看出，计算结果与测量的数据有关，即D、δ、δ1和δ2相关。此外，空气烘箱温度、刀口是否与试样的轴线方向垂直、试样在刀片压力下弯曲、试验过程中箱体振动及冷却时间长短也是影响测量结果的主要因素。

测试前首先对试样进行校直，并在试样支架上做好标记线，将试样按标记线位置与支架平行放置；为避免刀具压载试样时向一边倾斜，使用游标卡尺测量并标记刀口的中部位置。

试验烘箱本身不带鼓风机，箱体周围环境也没有其他振动源，并在试样支架的接口处采用了防振垫片，减少了试验过程中极其微小的振动带来的影响。

刀片材质选用不锈钢质材料，按标准要求，刀口与试样接触并未和刚性支架接触。

相关试验表明，冰水、自来水以及冷却时间长短对高温压力值的变化无明显影响。

通过采取上述措施，可以初步确定不确定度来源主要有：测量结果的分散性；试验仪器固有误差；试验温度。

三、不确定评定数学模型的建立

根据不确定度来源，该测试系统不确定度评定的数学模型为：

（3）式中：为多次重复测量的平均值；为多次重复测量的标准偏差；为试验温度引入的不确定度。

四、输入量的标准不确定度评定

高温压力试验的测量过程中有许多引起不确定度的来源，但大致可以将不确定分量分为两部分来评定。一是测试过程中由于样品不均匀性、测试结果离散性带来的不确定度分量，通过A类评定方法来确定；二是由试验温度产生的不确度定分量，这些分量无法通过统计学的方法获取信息，需要通过B类评定方法来确定。

1.A类评定

在同一个试样上连续取30个试件，进行多次重复测量，测试结果见表1。

表1 高温压力试验测量结果（单位：%）

为30个测量值的算术平均值，得32.62%，取33%。为本次测量的标准差，由式（4）计算，0.29%。

（4）

2.B类评定

为了验证试验温度偏差对结果产生的影响，分别在温度的上限82℃和下限78℃时下进行试验，试验数据见表2、表3。由表2数据计算可得29.86%，0.39%，由表3数据计算可得33.92%，0.41%。

表2 78℃时高温压力试验测量结果（单位：%）

表3 82℃时高温压力试验测量结果（单位：%）

从表2、表3中可以看出，不同的测量环境对试验结果存在一定的影响。将表1、表2、表3中的数据绘制成曲线如图1所示。

图1 温度与高温压力试验测量值的关系

从图1中可看出，测试结果在78～82℃区间呈现线性变化趋势，在该区间内可认为温度和测量结果为线性关系，通过数据拟合，其关系可表达为：

（5）

式中a，b为待测常数。根据78℃和82℃两个温度点的测量结果，可得a=-0.4931，b=0.01015。则式（5）为：

（ 6）

故试验温度影响带来的不确定度系数为0.01015℃-1。

试验温度偏差引入的不确定度分别为温度偏差、温度波动、温度均匀度引入的不确定度，记为u（t1）、u（t2）、u（t3），查阅设备校准报告可知，所用低温试验箱在80℃时，温度偏差为+0.5℃，温度波动度为±0.05℃，温度均匀度为±0.5℃。按照均匀分布，取k为2，可得：

因为u（t1）、u（t2）、u（t3）为相互独立的不确定分量，故得：

（7）

则试验温度带来的不确定度分量为：

（8）

五、合成标准不确定度的评定

该试验系统不确定度分量如表4所示。

表4 各不确定度分量计算结果及比较

合成不确定度为：

（9）

六、扩展不确定度的评定

如表4，取包含因子k=2，则扩展不确定度为U（E）=2uc=2%。测量高温压力试验测量结果可表示为（33±2）%，k=2。

七、结束语

高温压力试验是电线电缆的常规检验项目之一，本文从测试仪器、试验温度等环节研究了测试系统测量不确定度，为该项目测试准确度的提高提供了参考依据。

参考文献：

[1] GB/T 2951—2008 电缆和光缆绝缘护套材料通用试验方法[S].

[2] 国家质量技术监督局计量司组编.测量不确定度评定与表示指南[M].北京：中国计量出版社，2000.

[3]季红.电线电缆绝缘高温压力试验研究[J].电线电缆，2012，（4）：33-34.

作者简介：

黄海，男，本科，工程师，1978年10月生，主要从事电线电缆产品设计和检验检测工作。