Rezumat
În sistemul de protecție a siguranței sistemului de transmisie a energiei electrice, materialele izolante joacă un rol vital de "gardian". Acest articol analizează în profunzime caracteristicile de performanță a șase materiale izolante majore: clorură de polivinil (PVC), polietilenă reticulată (XLPE), polietilenă (PE), cauciuc acrilat (EPR), cauciuc siliconic (SIR) și politetrafluoroetilenă (PTFE). În combinație cu standardele Comisiei Electrotehnice Internaționale (CEI) și cu datele de certificare ale Underwriters Laboratories (UL), prin compararea și analizarea indicatorilor lor cheie, cum ar fi rezistența la temperatură, rezistența mecanică și performanța de protecție a mediului, se oferă o bază științifică pentru selecția tehnică. Studiile au arătat că rezistența la rupere a XLPE la o temperatură de lucru pe termen lung de 90°C poate atinge 30kV/mm (sursă de date: IEEE Std 404), în timp ce PTFE poate menține proprietăți dielectrice stabile în medii extreme de -200°C~260°C.
1. Clorura de polivinil (PVC): Un model de izolare economică
Ca material izolant cu o utilizare globală de 38% (sursă de date: Grand View Research 2023), PVC-ul construiește o linie de siguranță pentru sistemele electrice de joasă tensiune, cu un excelent raport cost-eficiență. Rezistivitatea sa de volum poate ajunge la 1×10¹²Ω-m, iar cu un interval de tensiune nominală de 0,6-1kV, este perfect adaptat nevoilor de cablare a clădirilor. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că limita sa superioară de temperatură de 70°C trebuie utilizată cu substanțe ignifuge în scenarii cu temperaturi ridicate. Noua formulă ecologică de PVC de la Dow Chemical a trecut certificarea RoHS, reducând conținutul de stabilizator de plumb la mai puțin de 0,01%.
2. Polietilenă reticulată (XLPE): Sfântul patron al sistemelor de medie și înaltă tensiune
Prin iradiere sau tehnologie chimică de reticulare, structura cristalină a XLPE formează un sistem de rețea tridimensională. Alungirea sa termică este redusă de la 400% în cazul PE obișnuit la mai puțin de 50% (standard de testare: IEC 60811), iar durata sa de viață poate ajunge la 40 de ani în condiții de funcționare pe termen lung la 90°C. În special în domeniul cablurilor de înaltă tensiune de peste 35kV, tangenta de pierdere dielectrică (tanδ) a XLPE este cu 50% mai mică decât cea a izolației din hârtie impregnată cu ulei, ceea ce reduce semnificativ pierderile de transmisie. Cablul submarin XLPE de 500kV al companiei Sumitomo Electric din Japonia a fost utilizat cu succes în proiectele de energie eoliană din Marea Nordului.
3. Polietilenă (PE): Soluția preferată pentru medii cu temperaturi scăzute
Materialul HDPE încă păstrează o bună flexibilitate la -50 ℃, iar densitatea sa de 1,0 g/cm³ și absorbția de apă de 0,02% (ASTM D570) sunt deosebit de potrivite pentru așezarea în zonele reci. Cu toate acestea, trebuie să fim atenți la defectul său inerent de doar 17% indice de oxigen. BASF din Germania a ridicat gradul său de ignifugare la UL94 V-0 prin tehnologia de modificare a nano-montmorillonitului, extinzând cu succes scenariile sale de aplicare în cablurile fotovoltaice.
4. EPR (EPR): O descoperire în domeniul izolației flexibile
Structura unică "segment moale - segment dur" a materialului EPR îi conferă o alungire la rupere de 200% (ISO 37), care funcționează bine în domeniul transportului feroviar cu vibrații frecvente. Rezistența sa la ulei a trecut testul ASTM D471, iar schimbarea de volum după imersia în ulei IRM903 timp de 168 de ore este <10%. Cablul de locomotivă cu izolație EPR de la Prysmian a trecut testul de certificare ignifugă EN 45545-2, cu o densitate a fumului mai mică de 50%.
5. Cauciuc siliconic (SIR): Soluția supremă pentru izolarea la temperaturi ridicate
Structura lanțului principal de silicon permite materialelor SIR să mențină performanțe stabile la temperaturi ridicate de 180°C, iar valoarea sa CTI (indice de urmărire comparativă) este de până la 600V (IEC 60112). În zona cu temperaturi ridicate a uzinei siderurgice, cablul din cauciuc siliconic de la Shin-Etsu Chemical poate rezista la un impact instantaneu al flăcării de 1000°C, iar proprietățile sale ceramice pot forma un strat protector izolant în foc.
6. Politetrafluoroetilenă (PTFE): Regele izolațiilor speciale
Energia de legătură F-C a PTFE este la fel de mare ca 485kJ/mol, făcându-l inert excelent. În medii puternic acide și alcaline, rezistența sa de suprafață rămâne la 1×10¹⁶Ω (ASTM D257). Cablul coaxial dezvoltat de Gore folosind tehnologia PTFE expandat are o constantă dielectrică de până la 1,3 în banda de frecvență a undelor milimetrice 5G, reducând atenuarea semnalului cu 40%.
Matricea de decizie privind selectarea materialelor
| Index | PVC | XLPE | HDPE | EPR | SIR | PTFE |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Intervalul de temperatură (℃) | -15~70 | -50~90 | -50~75 | -35~130 | -60~180 | -200~260 |
| Rezistența la rupere (kV/mm) | 20 | 30 | 25 | 22 | 18 | 40 |
| Indicele de cost | 1.0 | 2.5 | 1.2 | 3.0 | 4.5 | 8.0 |
| Nivelul de protecție a mediului | B | A | A | B | A | C |
Rezumat
De la universalitatea economică a PVC la performanța extremă a PTFE, șase tipuri de materiale izolante au construit un sistem de protecție multidimensional pentru transmisia de putere. La selecție, este necesar să se ia în considerare în mod cuprinzător standardul "GB / T 12706-2020" și condițiile de lucru specifice: PVC / PE este preferat pentru distribuția de energie de joasă tensiune, XLPE trebuie selectat pentru transportul de energie de medie și înaltă tensiune, EPR este potrivit pentru scene dinamice, SIR este standard pentru medii cu temperaturi ridicate, iar PTFE este blocat pentru nevoi speciale. Odată cu escaladarea restricțiilor privind plastifianții din Regulamentul REACH al UE, XLPE ignifug fără halogen (sursa datelor: Raportul anual European Cables 2023) înlocuiește materialele tradiționale cu o rată de creștere anuală de 7%, ceea ce indică faptul că materialele de izolare continuă să evolueze către performanțe ridicate și protecția mediului.
(Referințe autoritare:
- Standardul pentru cabluri de alimentare IEC 60502 https://www.iec.ch
- Cablu izolat cu cauciuc UL 44 Standard https://www.ul.com
- Cartea albă Dow Chemical privind tehnologia PVC https://www.dow.com
- Sumitomo Electric XLPE Caz de aplicare https://global-sei.com
- Raport de testare la foc a cauciucului siliconic Shin-Etsu https://www.shinetsu.co.jp )