Resumen
En el sistema de protección de seguridad del sistema de transmisión eléctrica, los materiales aislantes desempeñan un papel vital de "guardianes". Este artículo analiza en profundidad las características de rendimiento de seis materiales aislantes principales: cloruro de polivinilo (PVC), polietileno reticulado (XLPE), polietileno (PE), caucho de acrilato (EPR), caucho de silicona (SIR) y politetrafluoroetileno (PTFE). En combinación con las normas de la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) y los datos de certificación de los Underwriters Laboratories (UL), mediante la comparación y el análisis de sus indicadores clave, como la resistencia a la temperatura, la resistencia mecánica y las prestaciones de protección medioambiental, se proporciona una base científica para la selección de ingeniería. Los estudios han demostrado que la resistencia a la ruptura del XLPE a una temperatura de trabajo a largo plazo de 90°C puede alcanzar los 30kV/mm (fuente de los datos: IEEE Std 404), mientras que el PTFE puede seguir manteniendo propiedades dieléctricas estables en entornos extremos de -200°C~260°C.
1. Cloruro de polivinilo (PVC): Un modelo de aislamiento económico
Como material aislante con un uso global de 38% (fuente de datos: Grand View Research 2023), el PVC construye una línea de defensa de seguridad para los sistemas eléctricos de baja tensión gracias a su excelente rentabilidad. Su resistividad volumétrica puede alcanzar 1×10¹²Ω-m, y con un rango de tensión nominal de 0,6-1kV, se adapta perfectamente a las necesidades del cableado de edificios. Sin embargo, hay que tener en cuenta que su límite superior de temperatura de 70°C debe utilizarse con retardantes de llama en escenarios de altas temperaturas. La nueva fórmula de PVC ecológico de Dow Chemical ha superado la certificación RoHS, reduciendo el contenido de estabilizador de plomo a menos de 0,01%.
2. Polietileno reticulado (XLPE): El patrón de los sistemas de media y alta tensión
Mediante irradiación o tecnología de reticulación química, la estructura cristalina del XLPE forma un sistema de red tridimensional. Su alargamiento térmico se reduce de 400% del PE ordinario a menos de 50% (norma de ensayo: IEC 60811), y su vida útil puede alcanzar los 40 años en condiciones de funcionamiento a largo plazo a 90°C. Especialmente en el campo de los cables de alta tensión de más de 35 kV, la tangente de pérdida dieléctrica (tanδ) del XLPE es 50% inferior a la del aislamiento de papel impregnado en aceite, lo que reduce significativamente las pérdidas de transmisión. El cable submarino XLPE de 500kV de la japonesa Sumitomo Electric se ha utilizado con éxito en proyectos de energía eólica en el Mar del Norte.
3. Polietileno (PE): La solución preferida para entornos de baja temperatura
El material HDPE sigue manteniendo una buena flexibilidad a -50℃, y su densidad de 1,0g/cm³ y absorción de agua de 0,02% (ASTM D570) son especialmente adecuados para la colocación en zonas frías. Sin embargo, hay que tener cuidado con su defecto inherente de sólo 17% de índice de oxígeno. BASF, de Alemania, ha elevado su grado ignífugo a UL94 V-0 mediante la tecnología de modificación con nanomontmorillonita, ampliando con éxito sus escenarios de aplicación en cables fotovoltaicos.
4. EPR (EPR): Un gran avance en el aislamiento flexible
La estructura única de "segmento blando-segmento duro" del material EPR le confiere un alargamiento a la rotura de 200% (ISO 37), que ofrece un buen rendimiento en el ámbito del tránsito ferroviario con vibraciones frecuentes. Su resistencia al aceite ha superado la prueba ASTM D471, y el cambio de volumen tras la inmersión en aceite IRM903 durante 168 horas es <10%. El cable de locomotora con aislamiento EPR de Prysmian ha superado la certificación ignífuga EN 45545-2, con una densidad de humo inferior a 50%.
5. Goma de silicona (SIR): La solución definitiva para el aislamiento a altas temperaturas
La estructura de la cadena principal de silicona permite a los materiales SIR mantener un rendimiento estable a altas temperaturas de 180°C, y su valor CTI (índice de seguimiento comparativo) alcanza los 600V (IEC 60112). En la zona de altas temperaturas de la planta siderúrgica, el cable de caucho de silicona de Shin-Etsu Chemical puede resistir el impacto instantáneo de las llamas a 1000°C, y sus propiedades cerámicas pueden formar una capa protectora aislante en el incendio.
6. Politetrafluoroetileno (PTFE): El rey de los aislamientos especiales
La energía de enlace F-C del PTFE alcanza los 485kJ/mol, lo que lo convierte en un excelente inerte. En entornos con ácidos y álcalis fuertes, su resistencia superficial se mantiene en 1×10¹⁶Ω (ASTM D257). El cable coaxial desarrollado por Gore con tecnología de PTFE expandido tiene una constante dieléctrica tan baja como 1,3 en la banda de frecuencia de ondas milimétricas 5G, lo que reduce la atenuación de la señal en 40%.
Matriz de decisión para la selección de materiales
| Índice | PVC | XLPE | HDPE | EPR | SIR | PTFE |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Rango de temperatura (℃) | -15~70 | -50~90 | -50~75 | -35~130 | -60~180 | -200~260 |
| Resistencia a la ruptura (kV/mm) | 20 | 30 | 25 | 22 | 18 | 40 |
| Índice de costes | 1.0 | 2.5 | 1.2 | 3.0 | 4.5 | 8.0 |
| Nivel de protección medioambiental | B | A | A | B | A | C |
Resumen
Desde la universalidad económica del PVC hasta el rendimiento extremo del PTFE, seis tipos de materiales aislantes han construido un sistema de protección multidimensional para la transmisión de potencia. A la hora de seleccionarlos, es necesario considerar exhaustivamente la norma "GB/T 12706-2020" y las condiciones de trabajo específicas: El PVC/PE es preferible para la distribución de energía de baja tensión, el XLPE debe seleccionarse para la transmisión de energía de media y alta tensión, el EPR es adecuado para escenas dinámicas, el SIR es estándar para entornos de alta temperatura y el PTFE está bloqueado para necesidades especiales. Con la escalada de restricciones sobre plastificantes del reglamento REACH de la UE, el XLPE retardante de llama sin halógenos (fuente de los datos: Informe Anual European Cables 2023) está sustituyendo a los materiales tradicionales a un ritmo de crecimiento anual de 7%, lo que indica que los materiales aislantes siguen evolucionando hacia el alto rendimiento y la protección del medio ambiente.
(Referencias autorizadas:
- Norma IEC 60502 sobre cables de alimentación https://www.iec.ch
- Norma UL 44 sobre cables con aislamiento de goma https://www.ul.com
- Libro Blanco sobre la tecnología del PVC de Dow Chemical https://www.dow.com
- Caso de aplicación XLPE de Sumitomo Electric https://global-sei.com
- Informe de ensayo de incendio de la goma de silicona Shin-Etsu https://www.shinetsu.co.jp )