Streszczenie
W systemie ochrony bezpieczeństwa systemu przesyłu energii, materiały izolacyjne odgrywają istotną rolę "strażnika". W niniejszym artykule dogłębnie przeanalizowano właściwości sześciu głównych materiałów izolacyjnych: polichlorku winylu (PVC), usieciowanego polietylenu (XLPE), polietylenu (PE), kauczuku akrylowego (EPR), kauczuku silikonowego (SIR) i politetrafluoroetylenu (PTFE). W połączeniu z normami Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC) i danymi certyfikacyjnymi Underwriters Laboratories (UL), poprzez porównanie i analizę ich kluczowych wskaźników, takich jak odporność na temperaturę, wytrzymałość mechaniczna i ochrona środowiska, zapewniono naukowe podstawy do wyboru inżynieryjnego. Badania wykazały, że wytrzymałość na przebicie XLPE w długotrwałej temperaturze roboczej 90°C może osiągnąć 30 kV/mm (źródło danych: IEEE Std 404), podczas gdy PTFE może nadal utrzymywać stabilne właściwości dielektryczne w ekstremalnych środowiskach -200°C ~ 260°C.
1. Polichlorek winylu (PVC): Model ekonomicznej izolacji
Jako materiał izolacyjny o globalnym zużyciu 38% (źródło danych: Grand View Research 2023), PVC tworzy linię bezpieczeństwa dla niskonapięciowych systemów elektrycznych dzięki doskonałej opłacalności. Jego rezystywność objętościowa może osiągnąć 1×10¹²Ω-m, a przy zakresie napięcia znamionowego 0,6-1kV jest idealnie dostosowany do potrzeb okablowania budynków. Należy jednak zauważyć, że jego górna granica temperatury wynosząca 70°C musi być stosowana ze środkami zmniejszającymi palność w scenariuszach wysokotemperaturowych. Nowa przyjazna dla środowiska formuła PVC firmy Dow Chemical przeszła certyfikację RoHS, zmniejszając zawartość stabilizatora ołowiowego do mniej niż 0,01%.
2. Usieciowany polietylen (XLPE): Patron systemów średniego i wysokiego napięcia
Dzięki napromieniowaniu lub technologii sieciowania chemicznego, struktura krystaliczna XLPE tworzy trójwymiarowy system sieciowy. Jego wydłużenie termiczne jest zmniejszone z 400% zwykłego PE do mniej niż 50% (norma testowa: IEC 60811), a jego żywotność może osiągnąć 40 lat w warunkach długotrwałej pracy w temperaturze 90°C. Szczególnie w dziedzinie kabli wysokiego napięcia powyżej 35 kV, tangens strat dielektrycznych (tanδ) XLPE jest o 50% niższy niż w przypadku izolacji papierowej impregnowanej olejem, co znacznie zmniejsza straty przesyłowe. Podmorski kabel XLPE 500kV japońskiej firmy Sumitomo Electric został z powodzeniem wykorzystany w projektach związanych z energią wiatrową na Morzu Północnym.
3. Polietylen (PE): Preferowane rozwiązanie dla środowisk niskotemperaturowych
Materiał HDPE nadal zachowuje dobrą elastyczność przy -50 ℃, a jego gęstość 1,0 g/cm³ i absorpcja wody 0,02% (ASTM D570) są szczególnie odpowiednie do układania w zimnych obszarach. Musimy jednak uważać na jego nieodłączną wadę wynoszącą tylko 17% indeksu tlenowego. Firma BASF z Niemiec podniosła klasę trudnopalności do UL94 V-0 dzięki technologii modyfikacji nanomontmorylonitem, z powodzeniem rozszerzając scenariusze zastosowań w kablach fotowoltaicznych.
4. EPR (EPR): Przełom w elastycznej izolacji
Unikalna struktura materiału EPR "miękki segment-twardy segment" zapewnia mu wydłużenie przy zerwaniu 200% (ISO 37), co sprawdza się w dziedzinie transportu kolejowego z częstymi wibracjami. Odporność na olej przeszła test ASTM D471, a zmiana objętości po zanurzeniu w oleju IRM903 na 168 godzin wynosi <10%. Izolowany kabel lokomotywy EPR firmy Prysmian przeszedł certyfikację ognioodporności EN 45545-2, z gęstością dymu mniejszą niż 50%.
5. Kauczuk silikonowy (SIR): Najlepsze rozwiązanie do izolacji wysokotemperaturowej
Silikonowa struktura głównego łańcucha umożliwia materiałom SIR utrzymanie stabilnej wydajności w wysokich temperaturach 180°C, a ich wartość CTI (porównawczy wskaźnik śledzenia) wynosi aż 600V (IEC 60112). W wysokotemperaturowym obszarze stalowni, przewód z gumy silikonowej Shin-Etsu Chemical może wytrzymać natychmiastowe uderzenie płomienia o temperaturze 1000°C, a jego właściwości ceramiczne mogą tworzyć izolacyjną warstwę ochronną w ogniu.
6. Politetrafluoroetylen (PTFE): Król specjalnej izolacji
Energia wiązania F-C PTFE wynosi aż 485 kJ/mol, co czyni go doskonale obojętnym. W środowiskach silnych kwasów i zasad jego odporność powierzchniowa pozostaje na poziomie 1×10¹⁶Ω (ASTM D257). Kabel koncentryczny opracowany przez Gore przy użyciu technologii rozszerzonego PTFE ma stałą dielektryczną tak niską, jak 1,3 w paśmie częstotliwości fal milimetrowych 5G, zmniejszając tłumienie sygnału o 40%.
Matryca decyzyjna wyboru materiału
| Indeks | PVC | XLPE | HDPE | EPR | SIR | PTFE |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Zakres temperatur (℃) | -15~70 | -50~90 | -50~75 | -35~130 | -60~180 | -200~260 |
| Wytrzymałość na przebicie (kV/mm) | 20 | 30 | 25 | 22 | 18 | 40 |
| Wskaźnik kosztów | 1.0 | 2.5 | 1.2 | 3.0 | 4.5 | 8.0 |
| Poziom ochrony środowiska | B | A | A | B | A | C |
Podsumowanie
Od ekonomicznej uniwersalności PVC po ekstremalną wydajność PTFE, sześć rodzajów materiałów izolacyjnych stworzyło wielowymiarowy system ochrony dla przenoszenia mocy. Przy wyborze należy kompleksowo uwzględnić normę "GB/T 12706-2020" i specyficzne warunki pracy: PVC/PE jest preferowany do dystrybucji energii niskiego napięcia, XLPE należy wybrać do przesyłu energii średniego i wysokiego napięcia, EPR nadaje się do dynamicznych scen, SIR jest standardem dla środowisk o wysokiej temperaturze, a PTFE jest zablokowany dla specjalnych potrzeb. Wraz z eskalacją ograniczeń dotyczących plastyfikatorów w rozporządzeniu UE REACH, bezhalogenowy trudnopalny XLPE (źródło danych: European Cables 2023 Annual Report) zastępuje tradycyjne materiały w rocznym tempie wzrostu 7%, co wskazuje, że materiały izolacyjne nadal ewoluują w kierunku wysokiej wydajności i ochrony środowiska.
(Autorytatywne odniesienia:
- Standard kabla zasilającego IEC 60502 https://www.iec.ch
- UL 44 Standard kabla z izolacją gumową https://www.ul.com
- Biała księga technologii PCW firmy Dow Chemical https://www.dow.com
- Przypadek zastosowania XLPE Sumitomo Electric https://global-sei.com
- Raport z testu ogniowego gumy silikonowej Shin-Etsu https://www.shinetsu.co.jp )