Abstrakt
Im Sicherheitsschutzsystem des Stromübertragungssystems spielen Isoliermaterialien eine wichtige "Wächterrolle". In diesem Artikel werden die Leistungsmerkmale von sechs wichtigen Isoliermaterialien eingehend analysiert: Polyvinylchlorid (PVC), vernetztes Polyethylen (XLPE), Polyethylen (PE), Acrylatkautschuk (EPR), Silikonkautschuk (SIR) und Polytetrafluorethylen (PTFE). In Verbindung mit den Normen der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) und den Zertifizierungsdaten der Underwriters Laboratories (UL) wird durch den Vergleich und die Analyse ihrer Schlüsselindikatoren, wie Temperaturbeständigkeit, mechanische Festigkeit und Umweltschutzleistung, eine wissenschaftliche Grundlage für die technische Auswahl geschaffen. Studien haben gezeigt, dass die Durchschlagfestigkeit von XLPE bei einer langfristigen Betriebstemperatur von 90°C 30kV/mm erreichen kann (Datenquelle: IEEE Std 404), während PTFE auch in extremen Umgebungen von -200°C~260°C stabile dielektrische Eigenschaften beibehalten kann.
1. Polyvinylchlorid (PVC): Ein Modell für wirtschaftliche Isolierung
Als Isoliermaterial mit einer weltweiten Verwendung von 38% (Datenquelle: Grand View Research 2023) bildet PVC mit seinem ausgezeichneten Kosten-Nutzen-Verhältnis eine sichere Verteidigungslinie für elektrische Niederspannungssysteme. Sein Durchgangswiderstand kann bis zu 1×10¹²Ω-m betragen, und mit einem Nennspannungsbereich von 0,6-1kV ist es perfekt an die Anforderungen der Gebäudeverkabelung angepasst. Es ist jedoch zu beachten, dass seine obere Temperaturgrenze von 70°C in Hochtemperaturszenarien mit Flammschutzmitteln verwendet werden muss. Die neue umweltfreundliche PVC-Formel von Dow Chemical hat die RoHS-Zertifizierung erhalten und den Gehalt an Bleistabilisatoren auf weniger als 0,01% reduziert.
2. Vernetztes Polyethylen (XLPE): Der Schutzpatron der Mittel- und Hochspannungssysteme
Durch Bestrahlung oder chemische Vernetzungstechnologie bildet die Kristallstruktur von XLPE ein dreidimensionales Netzwerksystem. Die thermische Dehnung wird von 400% des gewöhnlichen PE auf weniger als 50% reduziert (Prüfnorm: IEC 60811), und die Alterungsbeständigkeit kann unter Langzeitbetriebsbedingungen bei 90°C 40 Jahre erreichen. Insbesondere bei Hochspannungskabeln über 35 kV ist der dielektrische Verlusttangens (tanδ) von XLPE um 50% niedriger als der von ölimprägnierten Papierisolierungen, was die Übertragungsverluste erheblich reduziert. Das 500-kV-XLPE-Seekabel des japanischen Unternehmens Sumitomo Electric wurde bereits erfolgreich bei Windkraftprojekten in der Nordsee eingesetzt.
3. Polyethylen (PE): Die bevorzugte Lösung für Umgebungen mit niedrigen Temperaturen
HDPE-Material behält auch bei -50℃ eine gute Flexibilität, und seine Dichte von 1,0 g/cm³ und seine Wasseraufnahme von 0,02% (ASTM D570) eignen sich besonders für die Verlegung in kalten Gebieten. Allerdings muss man sich vor dem inhärenten Mangel eines Sauerstoffindexes von nur 17% hüten. Die deutsche BASF hat ihren Flammschutzgrad durch eine Nano-Montmorillonit-Modifikationstechnologie auf UL94 V-0 erhöht und damit die Anwendungsszenarien in Photovoltaikkabeln erfolgreich erweitert.
4. EPR (EPR): Ein Durchbruch bei der flexiblen Isolierung
Die einzigartige "Weichsegment-Hartsegment"-Struktur des EPR-Materials verleiht ihm eine Bruchdehnung von 200% (ISO 37), die sich im Bereich des Schienenverkehrs mit häufigen Vibrationen gut bewährt. Seine Ölbeständigkeit hat den ASTM D471-Test bestanden, und die Volumenänderung nach 168 Stunden Eintauchen in IRM903-Öl beträgt <10%. Das EPR-isolierte Lokomotivkabel von Prysmian hat die EN 45545-2-Brandschutzzertifizierung bestanden und weist eine Rauchdichte von weniger als 50% auf.
5. Silikongummi (SIR): Die ultimative Lösung für die Hochtemperaturisolierung
Die Hauptkettenstruktur des Silikons ermöglicht es den SIR-Materialien, auch bei hohen Temperaturen von 180 °C eine stabile Leistung aufrechtzuerhalten, und ihr CTI-Wert (Comparative Tracking Index) liegt bei bis zu 600 V (IEC 60112). Im Hochtemperaturbereich des Stahlwerks kann das Silikonkautschukkabel von Shin-Etsu Chemical einer sofortigen Flammeneinwirkung von 1000°C standhalten, und seine keramischen Eigenschaften können im Feuer eine isolierende Schutzschicht bilden.
6. Polytetrafluorethylen (PTFE): Der König der Spezialisolierung
Die F-C-Bindungsenergie von PTFE beträgt bis zu 485 kJ/mol, was es sehr inert macht. In Umgebungen mit starken Säuren und Laugen bleibt seine Oberflächenbeständigkeit bei 1×10¹⁶Ω (ASTM D257). Das von Gore entwickelte Koaxialkabel mit expandierter PTFE-Technologie hat eine Dielektrizitätskonstante von nur 1,3 im 5G-Millimeterwellen-Frequenzband und reduziert die Signaldämpfung um 40%.
Entscheidungsmatrix für die Materialauswahl
| Index | PVC | XLPE | HDPE | EPR | SIR | PTFE |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Temperaturbereich (℃) | -15~70 | -50~90 | -50~75 | -35~130 | -60~180 | -200~260 |
| Durchschlagsfestigkeit (kV/mm) | 20 | 30 | 25 | 22 | 18 | 40 |
| Kostenindex | 1.0 | 2.5 | 1.2 | 3.0 | 4.5 | 8.0 |
| Niveau des Umweltschutzes | B | A | A | B | A | C |
Zusammenfassung
Von der wirtschaftlichen Universalität von PVC bis zur extremen Leistung von PTFE haben sechs Arten von Isoliermaterialien ein mehrdimensionales Schutzsystem für die Energieübertragung geschaffen. Bei der Auswahl müssen die Norm "GB/T 12706-2020" und die spezifischen Arbeitsbedingungen umfassend berücksichtigt werden: PVC/PE wird für die Niederspannungs-Energieverteilung bevorzugt, XLPE muss für die Mittel- und Hochspannungs-Energieübertragung ausgewählt werden, EPR eignet sich für dynamische Szenen, SIR ist Standard für Hochtemperaturumgebungen und PTFE ist für spezielle Anforderungen gesperrt. Mit der Verschärfung der Beschränkungen für Weichmacher durch die REACH-Verordnung der EU ersetzt halogenfreies, flammwidriges XLPE (Datenquelle: European Cables 2023 Annual Report) die traditionellen Materialien mit einer jährlichen Wachstumsrate von 7%, was darauf hindeutet, dass sich die Isoliermaterialien weiter in Richtung Hochleistung und Umweltschutz entwickeln.
(Maßgebliche Referenzen:
- IEC 60502 Stromkabel-Norm https://www.iec.ch
- UL 44 Gummi-isoliertes Kabel Standard https://www.ul.com
- Dow Chemical PVC-Technologie Weißbuch https://www.dow.com
- Sumitomo Electric XLPE Anwendungsfall https://global-sei.com
- Shin-Etsu Silikongummi Brandtestbericht https://www.shinetsu.co.jp )