Sammanfattning
I kraftöverföringssystemets säkerhetsskyddssystem spelar isoleringsmaterial en viktig "väktarroll". Denna artikel analyserar djupt prestandaegenskaperna hos sex stora isoleringsmaterial: polyvinylklorid (PVC), tvärbunden polyeten (XLPE), polyeten (PE), akrylatgummi (EPR), silikongummi (SIR) och polytetrafluoretylen (PTFE). I kombination med International Electrotechnical Commission (IEC) standarder och certifieringsdata från Underwriters Laboratories (UL), genom att jämföra och analysera deras nyckelindikatorer som temperaturbeständighet, mekanisk hållfasthet och miljöskyddsprestanda, tillhandahålls en vetenskaplig grund för tekniskt urval. Studier har visat att XLPE:s genomslagsstyrka vid en långvarig arbetstemperatur på 90°C kan nå 30 kV/mm (datakälla: IEEE Std 404), medan PTFE fortfarande kan bibehålla stabila dielektriska egenskaper i extrema miljöer på -200°C~260°C.
1. Polyvinylklorid (PVC): En modell för ekonomisk isolering
PVC är ett isoleringsmaterial med en global användning på 38% (datakälla: Grand View Research 2023), som med sin utmärkta kostnadseffektivitet utgör en säkerhetslinje för lågspända elsystem. Dess volymresistivitet kan nå 1×10¹²Ω-m, och med ett nominellt spänningsintervall på 0,6-1kV är den perfekt anpassad till behoven hos byggnadens ledningar. Det bör dock noteras att dess övre temperaturgräns på 70°C måste användas tillsammans med flamskyddsmedel i högtemperaturscenarier. Dow Chemicals nya miljövänliga PVC-formel har klarat RoHS-certifieringen, vilket minskar blystabilisatorinnehållet till mindre än 0,01%.
2. Tvärbunden polyeten (XLPE): Skyddshelgon för medel- och högspänningssystem
Genom bestrålning eller kemisk tvärbindningsteknik bildar XLPE: s kristallstruktur ett tredimensionellt nätverkssystem. Dess termiska töjning reduceras från 400% av vanlig PE till mindre än 50% (teststandard: IEC 60811), och dess åldringsliv kan nå 40 år under långvariga driftsförhållanden vid 90 ° C. Speciellt när det gäller högspänningskablar över 35 kV är den dielektriska förlusttangenten (tanδ) för XLPE 50% lägre än för oljeimpregnerad pappersisolering, vilket avsevärt minskar överföringsförlusterna. Japanska Sumitomo Electrics 500 kV XLPE-sjökabel har framgångsrikt använts i vindkraftsprojekt i Nordsjön.
3. Polyeten (PE): Den föredragna lösningen för miljöer med låga temperaturer
HDPE-materialet bibehåller fortfarande god flexibilitet vid -50 °C, och dess densitet på 1,0 g/cm³ och vattenabsorption på 0,02% (ASTM D570) är särskilt lämpliga för läggning i kalla områden. Vi måste dock vara försiktiga med dess inneboende defekt på endast 17% syreindex. BASF i Tyskland har höjt sin flamskyddsklass till UL94 V-0 genom modifieringsteknik med nano-montmorillonit, vilket framgångsrikt har utökat dess användningsområden i solcellskablar.
4. EPR (EPR): Ett genombrott för flexibel isolering
EPR-materialets unika struktur med "mjukt segment - hårt segment" ger det en brottöjning på 200% (ISO 37), vilket är bra inom järnvägstransporter med frekventa vibrationer. Oljebeständigheten har klarat ASTM D471-testet och volymförändringen efter nedsänkning i IRM903-olja under 168 timmar är <10%. Prysmians EPR-isolerade lokomotivkabel har klarat EN 45545-2 brandskyddscertifiering med en rökdensitet på mindre än 50%.
5. Silikongummi (SIR): Den ultimata lösningen för isolering vid höga temperaturer
Huvudkedjestrukturen i silikon gör att SIR-materialen kan bibehålla stabil prestanda vid höga temperaturer på 180°C, och dess CTI-värde (comparative tracking index) är så högt som 600V (IEC 60112). I stålverkets högtemperaturområde kan Shin-Etsu Chemicals silikongummikabel motstå omedelbar 1000°C flampåverkan och dess keramiska egenskaper kan bilda ett isolerande skyddsskikt i elden.
6. Polytetrafluoretylen (PTFE): Kungen av specialisolering
PTFE:s F-C-bindningsenergi är så hög som 485 kJ/mol, vilket gör den utmärkt inert. I miljöer med starka syror och alkalier ligger dess ytmotstånd kvar på 1×10¹⁶Ω (ASTM D257). Den koaxialkabel som Gore har utvecklat med hjälp av expanderad PTFE-teknik har en dielektrisk konstant som är så låg som 1,3 i 5G-millimetervågsfrekvensbandet, vilket minskar signaldämpningen med 40%.
Beslutsmatris för materialval
| Index | PVC | XLPE | HDPE | EPR | SIR | PTFE |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Temperaturområde (℃) | -15~70 | -50~90 | -50~75 | -35~130 | -60~180 | -200~260 |
| Genomslagsstyrka (kV/mm) | 20 | 30 | 25 | 22 | 18 | 40 |
| Kostnadsindex | 1.0 | 2.5 | 1.2 | 3.0 | 4.5 | 8.0 |
| Miljöskyddsnivå | B | A | A | B | A | C |
Sammanfattning
Från den ekonomiska universaliteten hos PVC till den extrema prestandan hos PTFE har sex typer av isoleringsmaterial byggt ett flerdimensionellt skyddssystem för kraftöverföring. När du väljer är det nödvändigt att ta hänsyn till standarden "GB / T 12706-2020" och specifika arbetsförhållanden: PVC / PE föredras för lågspänningsdistribution, XLPE måste väljas för medel- och högspänningskraftöverföring, EPR är lämplig för dynamiska scener, SIR är standard för högtemperaturmiljöer och PTFE är låst för speciella behov. Med EU:s REACH-förordnings ökade restriktioner för mjukgörare ersätter halogenfri flamskyddad XLPE (datakälla: European Cables 2023 Annual Report) traditionella material med en årlig tillväxttakt på 7%, vilket tyder på att isoleringsmaterial fortsätter att utvecklas mot hög prestanda och miljöskydd.
(Auktoritativa referenser:
- IEC 60502 standard för strömkabel https://www.iec.ch
- UL 44 Gummiisolerad kabel Standard https://www.ul.com
- Dow Chemicals vitbok om PVC-teknik https://www.dow.com
- Sumitomo Electric XLPE Tillämpningsfall https://global-sei.com
- Rapport om brandtest av silikongummi från Shin-Etsu https://www.shinetsu.co.jp )