Аннотация
В системе безопасной защиты системы электропередачи изоляционные материалы играют важную "опекунскую" роль. В этой статье подробно анализируются эксплуатационные характеристики шести основных изоляционных материалов: поливинилхлорида (ПВХ), сшитого полиэтилена (XLPE), полиэтилена (PE), акрилатного каучука (EPR), силиконового каучука (SIR) и политетрафторэтилена (PTFE). В сочетании со стандартами Международной электротехнической комиссии (IEC) и данными сертификации Underwriters Laboratories (UL), путем сравнения и анализа их ключевых показателей, таких как термостойкость, механическая прочность и экологичность, создается научная основа для инженерного выбора. Исследования показали, что пробивная прочность XLPE при длительной рабочей температуре 90°C может достигать 30 кВ/мм (источник данных: IEEE Std 404), в то время как PTFE может сохранять стабильные диэлектрические свойства в экстремальных условиях -200°C~260°C.
1. Поливинилхлорид (ПВХ): Модель экономичной изоляции
Как изоляционный материал с глобальным использованием 38% (источник данных: Grand View Research 2023), ПВХ создает линию защиты для низковольтных электрических систем благодаря своей превосходной рентабельности. Его объемное удельное сопротивление может достигать 1×10¹²Ω-м, а диапазон номинального напряжения 0,6-1 кВ идеально соответствует потребностям электропроводки зданий. Однако следует отметить, что его верхний температурный предел в 70°C должен использоваться с антипиренами в высокотемпературных сценариях. Новая экологически чистая формула ПВХ от Dow Chemical прошла сертификацию RoHS, благодаря снижению содержания свинцового стабилизатора до менее чем 0,01%.
2. Сшитый полиэтилен (XLPE): Покровитель систем среднего и высокого напряжения
Благодаря облучению или химической технологии сшивания кристаллическая структура XLPE образует трехмерную сетевую систему. Его термическое удлинение снижается с 400% обычного полиэтилена до менее чем 50% (стандарт испытаний: IEC 60811), а срок его службы может достигать 40 лет в условиях длительной эксплуатации при 90°C. Особенно в области высоковольтных кабелей выше 35 кВ тангенс диэлектрических потерь (tanδ) XLPE на 50% ниже, чем у бумажной изоляции с масляной пропиткой, что значительно снижает потери при передаче сигнала. Японская компания Sumitomo Electric успешно использует подводный кабель XLPE на 500 кВ в проектах ветроэнергетики в Северном море.
3. Полиэтилен (PE): Предпочтительное решение для низкотемпературных сред
Материал HDPE сохраняет хорошую гибкость при температуре -50℃, а его плотность 1,0 г/см³ и водопоглощение 0,02% (ASTM D570) особенно подходят для укладки в холодных районах. Однако следует опасаться присущего ему недостатка - кислородного индекса всего 17%. Немецкая компания BASF повысила класс огнестойкости до UL94 V-0 с помощью технологии модификации нано-монтмориллонитом, успешно расширив сценарии его применения в фотоэлектрических кабелях.
4. ЭПР (EPR): Прорыв в области гибкой изоляции
Уникальная структура материала EPR "мягкий сегмент-твердый сегмент" обеспечивает ему удлинение при разрыве 200% (ISO 37), что хорошо подходит для железнодорожных перевозок с частыми вибрациями. Его маслостойкость прошла тест ASTM D471, а изменение объема после погружения в масло IRM903 на 168 часов составляет <10%. Локомотивный кабель Prysmian с изоляцией EPR прошел сертификацию на огнестойкость по стандарту EN 45545-2, плотность дыма составляет менее 50%.
5. Силиконовая резина (SIR): Оптимальное решение для высокотемпературной изоляции
Структура силиконовой основной цепи позволяет материалам SIR сохранять стабильные характеристики при высоких температурах 180°C, а значение CTI (сравнительный индекс отслеживания) достигает 600 В (IEC 60112). В высокотемпературной зоне сталелитейного завода кабель из силиконовой резины Shin-Etsu Chemical может выдержать мгновенное воздействие пламени температурой 1000°C, а его керамические свойства позволяют сформировать изолирующий защитный слой в огне.
6. Политетрафторэтилен (PTFE): Король специальной изоляции
Энергия связи F-C в PTFE достигает 485 кДж/моль, что делает его превосходно инертным. В сильных кислотных и щелочных средах его поверхностная устойчивость остается на уровне 1×10¹⁶Ω (ASTM D257). Коаксиальный кабель, разработанный компанией Gore с использованием технологии расширенного PTFE, имеет диэлектрическую проницаемость 1,3 в диапазоне миллиметровых волн 5G, что позволяет снизить затухание сигнала на 40%.
Матрица принятия решений по выбору материала
| Индекс | ПВХ | XLPE | ПНД | EPR | SIR | PTFE |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Диапазон температур (℃) | -15~70 | -50~90 | -50~75 | -35~130 | -60~180 | -200~260 |
| Пробивная прочность (кВ/мм) | 20 | 30 | 25 | 22 | 18 | 40 |
| Индекс стоимости | 1.0 | 2.5 | 1.2 | 3.0 | 4.5 | 8.0 |
| Уровень защиты окружающей среды | B | A | A | B | A | C |
Резюме
От экономической универсальности ПВХ до экстремальных характеристик PTFE, шесть типов изоляционных материалов позволили создать многомерную систему защиты для передачи электроэнергии. При выборе необходимо всесторонне учитывать стандарт "GB/T 12706-2020" и конкретные условия работы: ПВХ/ПЭ предпочтительнее для низковольтного распределения электроэнергии, XLPE следует выбирать для передачи электроэнергии среднего и высокого напряжения, EPR подходит для динамичных сцен, SIR - стандарт для высокотемпературных сред, а PTFE - для особых потребностей. В связи с ужесточением ограничений на пластификаторы в соответствии с регламентом ЕС REACH, безгалогенный огнестойкий XLPE (источник данных: European Cables 2023 Annual Report) заменяет традиционные материалы с ежегодным темпом роста 7%, что свидетельствует о том, что изоляционные материалы продолжают развиваться в направлении высоких эксплуатационных характеристик и защиты окружающей среды.
(Авторитетные ссылки:
- Стандарт силового кабеля IEC 60502 https://www.iec.ch
- Стандарт UL 44 Кабель с резиновой изоляцией https://www.ul.com
- Белая книга по технологии ПВХ от Dow Chemical https://www.dow.com
- Пример применения XLPE от Sumitomo Electric https://global-sei.com
- Отчет об огневых испытаниях силиконовой резины Shin-Etsu https://www.shinetsu.co.jp )