الخلاصة
في نظام حماية السلامة لنظام نقل الطاقة، تلعب المواد العازلة دور "الحارس" الحيوي في نظام نقل الطاقة. وتحلل هذه المقالة بعمق خصائص أداء ست مواد عزل رئيسية: البولي فينيل كلورايد (PVC)، والبولي إيثيلين المتصالب (XLPE)، والبولي إيثيلين (PE)، ومطاط الأكريلات (EPR)، ومطاط السيليكون (SIR)، وبولي تترافلوروإيثيلين (PTFE). وبالاقتران مع معايير اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) وبيانات الاعتماد الخاصة بمختبرات أندررايترز (UL)، من خلال مقارنة وتحليل مؤشراتها الرئيسية مثل مقاومة درجات الحرارة والقوة الميكانيكية وأداء الحماية البيئية، يتم توفير أساس علمي للاختيار الهندسي. وقد أظهرت الدراسات أن قوة انهيار البولي إثيلين متعدد الكلور XLPE عند درجة حرارة تشغيل طويلة الأمد تبلغ 90 درجة مئوية يمكن أن تصل إلى 30 كيلو فولت/مم (مصدر البيانات: IEEE Std 404)، بينما يمكن أن يحافظ PTFE على خصائص عازلة مستقرة في البيئات القاسية التي تتراوح بين -200 درجة مئوية و260 درجة مئوية.
1. كلوريد البوليفينيل (PVC): نموذج للعزل الاقتصادي
وباعتباره مادة عازلة ذات استخدام عالمي يبلغ 38% (مصدر البيانات: Grand View Research 2023)، فإن مادة PVC تبني خط دفاع آمن للأنظمة الكهربائية ذات الجهد المنخفض مع فعاليتها الممتازة من حيث التكلفة. يمكن أن تصل مقاومته الحجمية إلى 1×10¹¹²متر مكعب، ومع نطاق جهد مقنن يتراوح بين 0.6 و1 كيلو فولت، فهو يتكيف تمامًا مع احتياجات أسلاك المباني. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أنه يجب استخدام الحد الأعلى لدرجات الحرارة التي تصل إلى 70 درجة مئوية مع مثبطات اللهب في سيناريوهات درجات الحرارة العالية. وقد اجتازت تركيبة PVC الجديدة الصديقة للبيئة من داو كيميكال شهادة RoHS، مما يقلل من محتوى مثبت الرصاص إلى أقل من 0.01%.
2. البولي إيثيلين المتصالب (XLPE): شفيع أنظمة الجهد المتوسط والعالي.
من خلال التشعيع أو تقنية الربط الكيميائي المتبادل، يشكل التركيب البلوري لـ XLPE نظام شبكة ثلاثية الأبعاد. يتم تقليل الاستطالة الحرارية من 400% من البولي إيثيلين العادي إلى أقل من 50% (معيار الاختبار: IEC 60811)، ويمكن أن يصل عمر الكابلات المتقادم إلى 40 عامًا في ظل ظروف التشغيل طويلة الأجل عند 90 درجة مئوية. خاصة في مجال الكابلات ذات الجهد العالي التي تزيد عن 35 كيلو فولت، فإن ظل الفقد العازل (tanδ) من البولي إيثيلين متعدد الفينيل متعدد الفينيل 50% أقل من العزل الورقي المشبع بالزيت، مما يقلل بشكل كبير من خسائر الإرسال. وقد تم استخدام كابل XLPE XLPE الغواصة من شركة سوميتومو إلكتريك اليابانية 500 كيلو فولت بنجاح في مشاريع طاقة الرياح في بحر الشمال.
3. البولي إيثيلين (PE): الحل المفضل للبيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة
ولا تزال مادة HDPE تحافظ على مرونة جيدة عند درجة حرارة -50 درجة مئوية تحت الصفر، كما أن كثافتها التي تبلغ 1.0 جم/سم مكعب وامتصاصها للماء الذي يبلغ 0.02% (ASTM D570) مناسبان بشكل خاص لوضعها في المناطق الباردة. ومع ذلك، يجب أن نكون حذرين من عيبه الكامن في مؤشر الأكسجين 17% فقط. قامت شركة BASF الألمانية برفع درجة مثبطات اللهب إلى UL94 V-0 من خلال تقنية تعديل النانو مونتموريلونيت، مما أدى إلى توسيع سيناريوهات تطبيقه بنجاح في الكابلات الكهروضوئية.
4. EPR (EPR): طفرة في العزل المرن
يمنح الهيكل الفريد من نوعه لمادة EPR "القطعة اللينة - القطعة الصلبة" استطالة عند الكسر 200% (ISO 37)، والتي تؤدي أداءً جيدًا في مجال النقل بالسكك الحديدية مع الاهتزازات المتكررة. وقد اجتازت مقاومته للزيت اختبار ASTM D471، كما أن تغير الحجم بعد غمره في زيت IRM903 لمدة 168 ساعة هو <10%. وقد اجتاز كابل القاطرة المعزول EPR المعزول من شركة Prysmian شهادة EN 45545-2 المقاومة للحريق، بكثافة دخان أقل من 50%.
5. مطاط السيليكون (SIR): الحل الأمثل للعزل في درجات الحرارة العالية
ويتيح هيكل السلسلة الرئيسية من السيليكون لمواد SIR الحفاظ على أداء مستقر في درجات حرارة عالية تصل إلى 180 درجة مئوية، وتصل قيمة مؤشر التتبع المقارن إلى 600 فولت (IEC 60112). في المنطقة ذات درجات الحرارة العالية في مصنع الصلب، يمكن لكابل مطاط السيليكون من شين-إيتسو كيميكال أن يتحمل تأثير اللهب الفوري عند 1000 درجة مئوية، ويمكن أن تشكل خصائصه الخزفية طبقة واقية عازلة في الحريق.
6. بولي تترافلوروإيثيلين (PTFE): ملك العزل الخاص
وتصل طاقة الرابطة F-C في PTFE إلى 485 كيلو جول/مول مما يجعلها خاملة بشكل ممتاز. وفي البيئات الحمضية والقلوية القوية، تبقى مقاومة سطحه عند 1×10¹¹⁶⁶Ω (ASTM D257). ويتميز الكابل المحوري الذي طورته شركة Gore باستخدام تقنية PTFE الموسعة بثابت عازل كهربائي منخفض يصل إلى 1.3 في نطاق تردد الموجات المليمترية 5G، مما يقلل من توهين الإشارة بمقدار 40%.
مصفوفة قرار اختيار المواد
| الفهرس | بولي كلوريد الفينيل | XLPE | البولي إيثيلين عالي الكثافة | EPR | سير | PTFE |
|---|---|---|---|---|---|---|
| نطاق درجة الحرارة (℃) | -15~70 | -50~90 | -50~75 | -35~130 | -60~180 | -200~260 |
| قوة الانهيار (كيلو فولت/ملم) | 20 | 30 | 25 | 22 | 18 | 40 |
| مؤشر التكلفة | 1.0 | 2.5 | 1.2 | 3.0 | 4.5 | 8.0 |
| مستوى حماية البيئة | B | A | A | B | A | C |
الملخص
من العالمية الاقتصادية لـ PVC إلى الأداء الفائق لـ PTFE، قامت ستة أنواع من مواد العزل ببناء نظام حماية متعدد الأبعاد لنقل الطاقة. عند الاختيار، من الضروري النظر بشكل شامل في معيار "GB/T 12706-2020" وظروف العمل المحددة: يُفضل استخدام PVC/PE لتوزيع الطاقة ذات الجهد المنخفض، ويجب اختيار XLPE لنقل الطاقة ذات الجهد المتوسط والعالي، و EPR مناسب للمشاهد الديناميكية، و SIR قياسي لبيئات درجات الحرارة العالية، و PTFE مقفل للاحتياجات الخاصة. مع تصاعد القيود التي تفرضها لائحة الاتحاد الأوروبي REACH على الملدنات، فإن مادة XLPE الخالية من الهالوجين المثبطة للهب (مصدر البيانات: التقرير السنوي للكابلات الأوروبية 2023) تحل محل المواد التقليدية بمعدل نمو سنوي يبلغ 7%، مما يشير إلى أن مواد العزل مستمرة في التطور نحو الأداء العالي وحماية البيئة.
(مراجع موثوقة:
- معيار IEC 60502 لكابل الطاقة IEC 60502 https://www.iec.ch
- الكابلات المعزولة بالمطاط UL 44 القياسية https://www.ul.com
- الورقة البيضاء لتكنولوجيا البولي كلوريد الفينيل متعدد الفينيل متعدد الكلور من داو كيميكال https://www.dow.com
- حالة تطبيق سوميتومو إلكتريك XLPE https://global-sei.com
- تقرير اختبار حريق مطاط السيليكون من شين-إيتسو شين-إيتسو https://www.shinetsu.co.jp )