Resumo
No sistema de proteção de segurança do sistema de transmissão de energia, os materiais de isolamento desempenham um papel vital de "guardiões". Este artigo analisa em profundidade as caraterísticas de desempenho dos seis principais materiais de isolamento: cloreto de polivinilo (PVC), polietileno reticulado (XLPE), polietileno (PE), borracha de acrilato (EPR), borracha de silicone (SIR) e politetrafluoroetileno (PTFE). Em combinação com as normas da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) e os dados de certificação dos Underwriters Laboratories (UL), comparando e analisando os seus indicadores-chave, tais como a resistência à temperatura, a resistência mecânica e o desempenho de proteção ambiental, é fornecida uma base científica para a seleção de engenharia. Estudos demonstraram que a resistência à rutura do XLPE a uma temperatura de trabalho a longo prazo de 90°C pode atingir 30kV/mm (fonte de dados: IEEE Std 404), enquanto o PTFE pode ainda manter propriedades dieléctricas estáveis em ambientes extremos de -200°C~260°C.
1. Policloreto de vinilo (PVC): Um modelo de isolamento económico
Como material isolante com uma utilização global de 38% (fonte de dados: Grand View Research 2023), o PVC constrói uma linha de segurança de defesa para sistemas eléctricos de baixa tensão com a sua excelente relação custo-eficácia. A sua resistividade volumétrica pode atingir 1×10¹²Ω-m e, com uma gama de tensão nominal de 0,6-1kV, está perfeitamente adaptado às necessidades da cablagem dos edifícios. No entanto, é de notar que o seu limite superior de temperatura de 70°C deve ser utilizado com retardadores de chama em cenários de alta temperatura. A nova fórmula de PVC ecológico da Dow Chemical passou a certificação RoHS, reduzindo o teor de estabilizador de chumbo para menos de 0,01%.
2. Polietileno reticulado (XLPE): O santo padroeiro dos sistemas de média e alta tensão
Através da irradiação ou da tecnologia de reticulação química, a estrutura cristalina do XLPE forma um sistema de rede tridimensional. O seu alongamento térmico é reduzido de 400% do PE normal para menos de 50% (norma de ensaio: IEC 60811), e a sua vida útil pode atingir 40 anos em condições de funcionamento a longo prazo a 90°C. Especialmente no campo dos cabos de alta tensão acima de 35kV, a tangente de perda dieléctrica (tanδ) do XLPE é 50% inferior à do isolamento de papel impregnado de óleo, o que reduz significativamente as perdas de transmissão. O cabo submarino XLPE de 500 kV da Sumitomo Electric do Japão tem sido utilizado com êxito em projectos de energia eólica no Mar do Norte.
3. Polietileno (PE): A solução preferida para ambientes de baixa temperatura
O material HDPE ainda mantém uma boa flexibilidade a -50℃, e a sua densidade de 1,0g/cm³ e absorção de água de 0,02% (ASTM D570) são particularmente adequadas para a colocação em áreas frias. No entanto, temos de ter cuidado com o seu defeito inerente de apenas 17% de índice de oxigénio. A BASF da Alemanha elevou o seu grau de retardador de chama para UL94 V-0 através da tecnologia de modificação de nano-montmorilonite, expandindo com sucesso os seus cenários de aplicação em cabos fotovoltaicos.
4. EPR (EPR): Um avanço no isolamento flexível
A estrutura única de "segmento macio-segmento duro" do material EPR dá-lhe um alongamento de rutura de 200% (ISO 37), que tem um bom desempenho no domínio do trânsito ferroviário com vibrações frequentes. A sua resistência ao óleo passou no teste ASTM D471, e a alteração de volume após imersão em óleo IRM903 durante 168 horas é <10%. O cabo de locomotiva com isolamento EPR da Prysmian foi aprovado na certificação EN 45545-2 à prova de fogo, com uma densidade de fumaça inferior a 50%.
5. Borracha de silicone (SIR): A solução definitiva para o isolamento a altas temperaturas
A estrutura da cadeia principal de silicone permite que os materiais SIR mantenham um desempenho estável a altas temperaturas de 180°C, e o seu valor CTI (índice de rastreio comparativo) é tão elevado como 600V (IEC 60112). Na área de alta temperatura da fábrica de aço, o cabo de borracha de silicone da Shin-Etsu Chemical pode suportar o impacto instantâneo de uma chama a 1000°C, e as suas propriedades cerâmicas podem formar uma camada protetora isolante no fogo.
6. Politetrafluoroetileno (PTFE): O rei dos isolamentos especiais
A energia de ligação F-C do PTFE é tão alta quanto 485kJ / mol, tornando-o excelente inerte. Em ambientes ácidos e alcalinos fortes, sua resistência superficial permanece em 1 × 10¹⁶Ω (ASTM D257). O cabo coaxial desenvolvido pela Gore usando a tecnologia PTFE expandida tem uma constante dielétrica tão baixa quanto 1,3 na banda de frequência de ondas milimétricas 5G, reduzindo a atenuação do sinal em 40%.
Matriz de decisão de seleção de materiais
| Índice | PVC | XLPE | PEAD | RPE | SIR | PTFE |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Gama de temperaturas (℃) | -15~70 | -50~90 | -50~75 | -35~130 | -60~180 | -200~260 |
| Resistência à rutura (kV/mm) | 20 | 30 | 25 | 22 | 18 | 40 |
| Índice de custos | 1.0 | 2.5 | 1.2 | 3.0 | 4.5 | 8.0 |
| Nível de proteção ambiental | B | A | A | B | A | C |
Resumo
Desde a universalidade económica do PVC até ao desempenho extremo do PTFE, seis tipos de materiais de isolamento criaram um sistema de proteção multidimensional para a transmissão de energia. Ao selecionar, é necessário considerar de forma abrangente a norma "GB/T 12706-2020" e as condições de trabalho específicas: O PVC/PE é preferido para a distribuição de energia de baixa tensão, o XLPE deve ser selecionado para a transmissão de energia de média e alta tensão, o EPR é adequado para cenários dinâmicos, o SIR é padrão para ambientes de alta temperatura e o PTFE é bloqueado para necessidades especiais. Com a escalada das restrições aos plastificantes do regulamento REACH da UE, o XLPE retardador de chama sem halogéneos (fonte de dados: Relatório Anual da European Cables 2023) está a substituir os materiais tradicionais a uma taxa de crescimento anual de 7%, o que indica que os materiais de isolamento continuam a evoluir para um elevado desempenho e proteção ambiental.
(Referências autorizadas:
- Norma de cabos de alimentação IEC 60502 https://www.iec.ch
- Norma UL 44 para cabos com isolamento de borracha https://www.ul.com
- Livro Branco sobre a Tecnologia do PVC da Dow Chemical https://www.dow.com
- Caso de aplicação do XLPE da Sumitomo Electric https://global-sei.com
- Relatório do teste de fogo da borracha de silicone Shin-Etsu https://www.shinetsu.co.jp )