Abstract
In het veiligheidsbeschermingssysteem van het elektriciteitstransmissiesysteem spelen isolatiematerialen een belangrijke rol als "bewaker". In dit artikel worden de prestatiekenmerken van zes belangrijke isolatiematerialen diepgaand geanalyseerd: polyvinylchloride (PVC), vernet polyethyleen (XLPE), polyethyleen (PE), acrylaatrubber (EPR), siliconenrubber (SIR) en polytetrafluorethyleen (PTFE). In combinatie met de normen van de Internationale Elektrotechnische Commissie (IEC) en de certificeringsgegevens van de Underwriters Laboratories (UL), wordt door het vergelijken en analyseren van hun belangrijkste indicatoren zoals temperatuurbestendigheid, mechanische sterkte en milieubeschermingsprestaties, een wetenschappelijke basis geleverd voor technische selectie. Studies hebben aangetoond dat de doorslagsterkte van XLPE bij een langdurige werktemperatuur van 90°C 30 kV/mm kan bereiken (gegevensbron: IEEE Std 404), terwijl PTFE nog steeds stabiele diëlektrische eigenschappen kan behouden in extreme omgevingen van -200°C~260°C.
1. Polyvinylchloride (PVC): Een model voor economische isolatie
Als isolatiemateriaal met een wereldwijd gebruik van 38% (gegevensbron: Grand View Research 2023), vormt PVC met zijn uitstekende kosteneffectiviteit een veilige verdedigingslinie voor elektrische laagspanningssystemen. De volumeweerstand kan 1×10¹²Ω-m bereiken en met een nominaal spanningsbereik van 0,6-1kV is het perfect aangepast aan de behoeften van bedrading in gebouwen. Er moet echter worden opgemerkt dat de maximumtemperatuur van 70°C in combinatie met vlamvertragers moet worden gebruikt in scenario's met hoge temperaturen. De nieuwe milieuvriendelijke PVC-formule van Dow Chemical heeft de RoHS-certificering doorstaan, waardoor het loodstabilisatorgehalte is teruggebracht tot minder dan 0,01%.
2. Vernet polyethyleen (XLPE): De beschermheilige van midden- en hoogspanningssystemen
Door bestraling of chemische verknopingstechnologie vormt de kristalstructuur van XLPE een driedimensionaal netwerksysteem. De thermische rek wordt verminderd van 400% van gewoon PE tot minder dan 50% (testnorm: IEC 60811) en de verouderingslevensduur kan 40 jaar bereiken onder omstandigheden van langdurig gebruik bij 90°C. Vooral bij hoogspanningskabels boven 35 kV is de diëlektrische verlies-tangens (tanδ) van XLPE 50% lager dan die van met olie geïmpregneerd papier, wat de transmissieverliezen aanzienlijk vermindert. De 500kV XLPE onderzeese kabel van het Japanse Sumitomo Electric is met succes gebruikt in windenergieprojecten in de Noordzee.
3. Polyethyleen (PE): De voorkeursoplossing voor omgevingen met lage temperaturen
HDPE-materiaal behoudt nog steeds een goede flexibiliteit bij -50℃, en de dichtheid van 1,0g/cm³ en waterabsorptie van 0,02% (ASTM D570) zijn bijzonder geschikt voor aanleg in koude gebieden. We moeten echter op onze hoede zijn voor het inherente gebrek van slechts 17% zuurstofindex. Het Duitse BASF heeft zijn vlamvertragende kwaliteit verhoogd tot UL94 V-0 door middel van nanomontmorilloniet modificatietechnologie, waardoor de toepassingsscenario's in fotovoltaïsche kabels met succes zijn uitgebreid.
4. EPR (EPR): Een doorbraak in flexibele isolatie
De unieke "zachte segment-harde segment"-structuur van het EPR-materiaal geeft het een breukrek van 200% (ISO 37), wat goed presteert op het gebied van spoorwegtransport met frequente trillingen. De oliebestendigheid is getest volgens ASTM D471 en de volumeverandering na 168 uur onderdompeling in IRM903-olie is <10%. De EPR geïsoleerde locomotiefkabel van Prysmian heeft de EN 45545-2 certificering voor brandwerendheid doorstaan, met een rookdichtheid van minder dan 50%.
5. Siliconenrubber (SIR): De ultieme oplossing voor isolatie bij hoge temperaturen
De hoofdketenstructuur van siliconen zorgt ervoor dat SIR-materialen stabiel blijven presteren bij hoge temperaturen van 180°C en de CTI-waarde (comparative tracking index) is maar liefst 600V (IEC 60112). In het hoge-temperatuurgebied van de staalfabriek is de siliconenrubberkabel van Shin-Etsu Chemical bestand tegen een onmiddellijke vlammeninslag van 1000°C en de keramische eigenschappen kunnen een isolerende beschermlaag vormen in het vuur.
6. Polytetrafluorethyleen (PTFE): De koning van speciale isolatie
De F-C bindingsenergie van PTFE is maar liefst 485 kJ/mol, waardoor het uitstekend inert is. In omgevingen met sterke zuren en alkaliën blijft de oppervlakteweerstand op 1×10¹⁶Ω (ASTM D257). De coaxkabel die door Gore is ontwikkeld met behulp van geëxpandeerde PTFE-technologie heeft een diëlektrische constante van slechts 1,3 in de 5G millimetergolffrequentieband, waardoor de signaalverzwakking met 40% wordt verminderd.
Beslismatrix materiaalselectie
| Index | PVC | XLPE | HDPE | EPR | SIR | PTFE |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Temperatuurbereik (℃) | -15~70 | -50~90 | -50~75 | -35~130 | -60~180 | -200~260 |
| Doorslagsterkte (kV/mm) | 20 | 30 | 25 | 22 | 18 | 40 |
| Kostenindex | 1.0 | 2.5 | 1.2 | 3.0 | 4.5 | 8.0 |
| Milieubeschermingsniveau | B | A | A | B | A | C |
Samenvatting
Van de economische universaliteit van PVC tot de extreme prestaties van PTFE, zes soorten isolatiematerialen hebben een multidimensionaal beschermingssysteem voor krachtoverbrenging opgebouwd. Bij het selecteren is het noodzakelijk om de "GB/T 12706-2020" standaard en specifieke werkomstandigheden uitgebreid te overwegen: PVC/PE heeft de voorkeur voor laagspanningsstroomdistributie, XLPE moet worden geselecteerd voor midden- en hoogspanningsstroomtransmissie, EPR is geschikt voor dynamische omgevingen, SIR is standaard voor omgevingen met hoge temperaturen en PTFE is afgesloten voor speciale behoeften. Met de escalatie van de beperkingen op weekmakers door de REACH-verordening van de EU, vervangt halogeenvrij vlamvertragend XLPE (gegevensbron: European Cables 2023 Annual Report) traditionele materialen met een jaarlijks groeipercentage van 7%, wat aangeeft dat isolatiematerialen zich blijven ontwikkelen in de richting van hoge prestaties en milieubescherming.
(Gezaghebbende referenties:
- IEC 60502-norm voor voedingskabels https://www.iec.ch
- UL 44 Rubbergeïsoleerde kabel standaard https://www.ul.com
- Witboek PVC-technologie van Dow Chemical https://www.dow.com
- Sumitomo Electric XLPE-toepassing https://global-sei.com
- Shin-Etsu Silicone Rubber brandtestrapport https://www.shinetsu.co.jp )