Abstrakt
I kraftoverføringssystemets sikkerhedsbeskyttelsessystem spiller isoleringsmaterialer en vigtig "vogterrolle". Denne artikel analyserer grundigt ydeevnen for seks store isoleringsmaterialer: polyvinylchlorid (PVC), tværbundet polyethylen (XLPE), polyethylen (PE), akrylatgummi (EPR), silikonegummi (SIR) og polytetrafluorethylen (PTFE). Kombineret med International Electrotechnical Commission (IEC) standarder og certificeringsdata fra Underwriters Laboratories (UL), ved at sammenligne og analysere deres nøgleindikatorer som temperaturbestandighed, mekanisk styrke og miljøbeskyttelsesydelse, tilvejebringes et videnskabeligt grundlag for teknisk udvælgelse. Undersøgelser har vist, at nedbrydningsstyrken for XLPE ved en langvarig arbejdstemperatur på 90 °C kan nå 30 kV/mm (datakilde: IEEE Std 404), mens PTFE stadig kan opretholde stabile dielektriske egenskaber i ekstreme miljøer på -200 °C~260 °C.
1. Polyvinylchlorid (PVC): En model for økonomisk isolering
Som isoleringsmateriale med et globalt forbrug på 38% (datakilde: Grand View Research 2023) udgør PVC en sikkerhedslinje for elektriske lavspændingssystemer med sin fremragende omkostningseffektivitet. Dens volumenresistivitet kan nå op på 1×10¹²Ω-m, og med et nominelt spændingsområde på 0,6-1kV er den perfekt tilpasset behovene i bygningsledninger. Det skal dog bemærkes, at dets øvre temperaturgrænse på 70 °C skal bruges sammen med flammehæmmere i højtemperaturscenarier. Dow Chemicals nye miljøvenlige PVC-formel har bestået RoHS-certificeringen og reduceret indholdet af blystabilisator til mindre end 0,01%.
2. Tværbundet polyethylen (XLPE): Mellem- og højspændingssystemernes skytshelgen
Gennem bestråling eller kemisk tværbindingsteknologi danner XLPE's krystalstruktur et tredimensionelt netværkssystem. Dens termiske forlængelse reduceres fra 400% af almindelig PE til mindre end 50% (teststandard: IEC 60811), og dens ældningslevetid kan nå 40 år under langvarige driftsforhold ved 90 °C. Især inden for højspændingskabler over 35 kV er den dielektriske tabstangent (tanδ) for XLPE 50% lavere end for olieimprægneret papirisolering, hvilket reducerer transmissionstabene betydeligt. Japanske Sumitomo Electrics 500 kV XLPE-undervandskabel er blevet brugt med succes i vindkraftprojekter i Nordsøen.
3. Polyethylen (PE): Den foretrukne løsning til miljøer med lave temperaturer
HDPE-materialet bevarer stadig en god fleksibilitet ved -50 °C, og dets tæthed på 1,0 g/cm³ og vandabsorption på 0,02% (ASTM D570) er særligt velegnet til udlægning i kolde områder. Vi skal dog være på vagt over for dets iboende fejl på kun 17% iltindeks. BASF i Tyskland har hævet sin flammehæmmende kvalitet til UL94 V-0 ved hjælp af nano-montmorillonit-modifikationsteknologi og har med succes udvidet sine anvendelsesmuligheder i solcellekabler.
4. EPR (EPR): Et gennembrud inden for fleksibel isolering
EPR-materialets unikke "bløde segment-hårde segment"-struktur giver det en brudforlængelse på 200% (ISO 37), hvilket fungerer godt inden for jernbanetransport med hyppige vibrationer. Dets oliebestandighed har bestået ASTM D471-testen, og volumenændringen efter nedsænkning i IRM903-olie i 168 timer er <10%. Prysmians EPR-isolerede lokomotivkabel har bestået EN 45545-2 brandsikkerhedscertificering med en røgtæthed på mindre end 50%.
5. Silikongummi (SIR): Den ultimative løsning til isolering ved høje temperaturer
Silikonehovedkædestrukturen gør det muligt for SIR-materialer at opretholde en stabil ydeevne ved høje temperaturer på 180 °C, og dens CTI-værdi (sammenlignende sporingsindeks) er så høj som 600 V (IEC 60112). I stålværkets højtemperaturområde kan Shin-Etsu Chemicals silikonegummikabel modstå en øjeblikkelig flammepåvirkning på 1000 °C, og dets keramiske egenskaber kan danne et isolerende beskyttelseslag i ilden.
6. Polytetrafluorethylen (PTFE): Kongen af specialisolering
PTFE's F-C-bindingsenergi er så høj som 485 kJ/mol, hvilket gør det fremragende inert. I stærke syre- og alkalimiljøer forbliver dets overfladebestandighed på 1×10¹⁶Ω (ASTM D257). Det koaksialkabel, som Gore har udviklet ved hjælp af ekspanderet PTFE-teknologi, har en dielektrisk konstant på helt ned til 1,3 i 5G-millimeterbølgefrekvensbåndet, hvilket reducerer signaldæmpningen med 40%.
Beslutningsmatrix for materialevalg
| Indeks | PVC | XLPE | HDPE | EPR | SIR | PTFE |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Temperaturområde (℃) | -15~70 | -50~90 | -50~75 | -35~130 | -60~180 | -200~260 |
| Nedbrydningsstyrke (kV/mm) | 20 | 30 | 25 | 22 | 18 | 40 |
| Omkostningsindeks | 1.0 | 2.5 | 1.2 | 3.0 | 4.5 | 8.0 |
| Miljøbeskyttelsesniveau | B | A | A | B | A | C |
Sammenfatning
Fra den økonomiske universalitet af PVC til den ekstreme ydeevne af PTFE har seks typer isoleringsmaterialer bygget et flerdimensionelt beskyttelsessystem til kraftoverførsel. Når du vælger, er det nødvendigt at overveje "GB/T 12706-2020"-standarden og specifikke arbejdsforhold grundigt: PVC/PE foretrækkes til lavspændingsdistribution, XLPE skal vælges til mellem- og højspændingstransmission, EPR er velegnet til dynamiske scener, SIR er standard til højtemperaturmiljøer, og PTFE er låst til særlige behov. Med EU's REACH-forordnings optrapning af restriktioner på blødgørere erstatter halogenfri flammehæmmende XLPE (datakilde: European Cables 2023 Annual Report) traditionelle materialer med en årlig vækstrate på 7%, hvilket indikerer, at isoleringsmaterialer fortsætter med at udvikle sig i retning af høj ydeevne og miljøbeskyttelse.
(Autoritative referencer:
- IEC 60502 standard for strømkabler https://www.iec.ch
- UL 44 Gummiisoleret kabel Standard https://www.ul.com
- Hvidbog om PVC-teknologi fra Dow Chemical https://www.dow.com
- Sumitomo Electric XLPE-anvendelsestilfælde https://global-sei.com
- Rapport om brandtest af Shin-Etsu silikonegummi https://www.shinetsu.co.jp )