Kabelių movose naudojamų izoliacinių medžiagų dielektrinio atsparumo palyginimas

Įvadas

Manote, kad visos kabelių riebokšlių izoliacinės medžiagos yra vienodos? Vienas aukštos įtampos elektros gedimas gali kainuoti milijonus dėl prastovų ir įrangos sugadinimo. Nuo izoliacinių medžiagų dielektrinio stiprio priklauso, kokią elektros įtampą jos gali atlaikyti prieš katastrofišką gedimą, todėl ši savybė labai svarbi elektros energijos paskirstymo, pramonės automatikos ir pavojingose zonose.

Dielektrinis stipris¹ kabelių riebokšlių izoliacinės medžiagos labai skiriasi - nuo 15-25 kV/mm standartinio nailono iki daugiau kaip 40 kV/mm specializuotų fluoropolimerų, o medžiagos pasirinkimas turi tiesioginės įtakos sistemos saugumui, vardinei įtampai ir ilgalaikiam elektros įrenginių patikimumui. Norint tinkamai pasirinkti medžiagą ir išvengti brangiai kainuojančių elektros gedimų, labai svarbu suprasti šiuos skirtumus.

Praėjusį mėnesį su mumis susisiekė Arizonoje esančio saulės energijos ūkio elektros inžinierius Markusas, nes jo nuolatinės srovės kombainų dėžėse nuolat kartojosi izoliacijos gedimai. Jų naudojamos standartinės nailoninės kabelių movos neatlaikė didelės nuolatinės srovės įtampos ir dykumos temperatūros ekstremalių sąlygų, todėl stebėjimas², karbonizacija ir galimas sistemos išsijungimas. Toks dielektriko gedimas gali kaskadiškai pasireikšti ištisose elektros sistemose, todėl sukūrėme išsamius visų mūsų izoliacinių medžiagų bandymų protokolus, taikomus įvairioms įtampoms ir aplinkos sąlygoms.

Turinys

• Kas lemia kabelių riebokšlių medžiagų dielektrinį stiprį?
• Kaip skiriasi skirtingų polimerinių medžiagų elektrinės savybės?
• Kokie aplinkos veiksniai turi įtakos izoliacijos veikimui laikui bėgant?
• Kaip tikrinamos ir sertifikuojamos kabelių movų dielektrinės savybės?
• Kokioms svarbiausioms reikmėms reikalingas didelis dielektrinis atsparumas?
• Išvada
• DUK apie kabelių riebokšlių dielektrinį stiprį

Kas lemia kabelių riebokšlių medžiagų dielektrinį stiprį?

Kabelių riebokšlių medžiagų dielektrinį stiprį lemia molekulinė struktūra, medžiagos grynumas, apdirbimo sąlygos, kristalingumo lygis ir polinių grupių buvimas, o šie veiksniai bendrai lemia medžiagos gebėjimą atsispirti elektriniam gedimui esant aukštos įtampos įtampai.

Dielektrinės varžos mokslas apima supratimą, kaip elektriniai laukai sąveikauja su polimerų grandinėmis ir kaip elektronai juda per izoliacines medžiagas.

Molekulinės struktūros poveikis

Polimerų grandinės architektūra:
Polimerų grandinių išsidėstymas turi tiesioginės įtakos dielektrinėms savybėms. Linijinės grandinės su minimaliu šakojimusi paprastai pasižymi geresnėmis izoliacinėmis savybėmis nei labai šakotos struktūros. Mūsų nailono kabelių movose naudojami kruopščiai atrinkti polimerų tipai su optimizuota grandinių struktūra, užtikrinančia didžiausią dielektrinį atsparumą.

Kristališkumo poveikis:
Kristalinės polimerų sritys paprastai pasižymi didesniu dielektriniu stipriu nei amorfinės sritys. Apdorojimo metu galima kontroliuoti kristališkumo laipsnį, kad būtų optimizuotos elektrinės savybės:

• Didelis kristalingumas: Geresnė dielektrinė varža, bet mažesnis lankstumas.
• Mažas kristalingumas: Lankstesnė, bet galimai mažesnė pramušimo įtampa.
• Subalansuotas kristališkumas: Optimalus kompromisas kabelių movoms

Medžiagų grynumas ir apdorojimas

Priemaišų kontrolė:
Net ir nedideli laidžiųjų priemaišų kiekiai gali smarkiai sumažinti dielektrinį stiprį. Mūsų gamybos procesą sudaro:

• Žaliavų valymas
• Švarių patalpų apdorojimo aplinka
• Užterštumo stebėsena visos gamybos metu
• Galutinio gaminio elektrinis bandymas

Apdorojimo temperatūros poveikis:
Per aukšta apdorojimo temperatūra gali suardyti polimero grandines ir sumažinti dielektrinį stiprį. Kad išsaugotume medžiagos savybes, tiksliai kontroliuojame temperatūrą liejimo metu.

Pagrindinės elektrinės savybės

Pagrindinės elektrinės savybės, lemiančios dielektrines savybes, yra šios:

Hassanas, kuris vadovauja elektros instaliacijai keliose Kuveito naftos chemijos gamyklose, sužinojo šių savybių svarbą, kai atliekant įprastinius aukštos įtampos bandymus sugedo standartiniai kabelių riebokšliai. Dirbome kartu, kad galėtume nurodyti aukštos kokybės medžiagas su patikrintomis dielektrinėmis savybėmis ir užtikrinti, kad jo įrenginiai atitiktų griežčiausius elektros saugos standartus.

Kaip skiriasi skirtingų polimerinių medžiagų elektrinės savybės?

Skirtingos polimerinės medžiagos pasižymi labai skirtingomis elektrinėmis charakteristikomis: fluoropolimerai, pavyzdžiui, PTFE, pasižymi didžiausiu dielektriniu atsparumu (40+ kV/mm), po jų seka specializuoti nailonai (20-30 kV/mm), o standartiniai termoplastai, priklausomai nuo sudėties ir apdorojimo, paprastai pasižymi 15-25 kV/mm.

Aukštos kokybės medžiagos

Fluoropolimerai (PTFE, FEP, PFA):
Šios medžiagos yra auksinis elektros izoliacijos standartas:

• Dielektrinis stipris: 40-60 kV/mm
• Puikus atsparumas cheminėms medžiagoms
• Platus temperatūros diapazonas (nuo -200 °C iki +260 °C)
• Beveik nulinė drėgmės absorbcija
• Puikus ilgalaikis stabilumas

Specializuoti inžineriniai plastikai:
Pažangios formulės, skirtos elektrotechnikos reikmėms:

• Modifikuotas nailonas: 25-35 kV/mm
• Polifenileno oksidas (PPO): (PPO): 30-40 kV/mm
• Polieterimidas (PEI): 25-30 kV/mm
• Puikios mechaninės savybės kartu su elektrinėmis savybėmis

Standartinės pramoninės medžiagos

Nailonas 6/6 ir nailonas 12:
Mūsų dažniausiai naudojamos kabelių riebokšlių medžiagos pasižymi geromis elektrinėmis savybėmis:

• Standartinės klasės: 15-20 kV/mm
• Stiklu užpildytos klasės: 18-25 kV/mm
• Ugniai atsparios klasės: 12-18 kV/mm
• Ekonomiškai efektyvus daugeliui programų

Polipropilenas ir polietilenas:
Pigesni variantai konkrečioms reikmėms:

• Polipropilenas: 20-25 kV/mm
• HDPE: 18-22 kV/mm
• Geras atsparumas cheminėms medžiagoms
• Ribotas temperatūros diapazonas

Medžiagų atrankos kriterijai

Reikalavimai įtampai:

• Žemos įtampos (<1 kV): Standartinis nailonas tinkamas
• Vidutinė įtampa (1-35 kV): Įranga: sustiprintas nailonas arba inžineriniai plastikai
• Aukšta įtampa (>35 kV): Fluoropolimerai arba specialūs junginiai

Aplinkosaugos aspektai:

• Naudojimas patalpose: Dažnai pakanka standartinių medžiagų
• Naudojimas lauke: Reikalingos UV spindulius stabilizuojančios medžiagos
• Cheminis poveikis: Pageidautina fluoropolimerai
• Aukšta temperatūra: Reikalingos termiškai stabilizuotos formulės

Našumo ir sąnaudų analizė

Marcusas iš Arizonos saulės jėgainių ūkio pastebėjo, kad investicijos į aukštesnės kokybės medžiagas iš tikrųjų sumažino bendrą nuosavybės kainą. Nors pradinės išlaidos medžiagoms buvo 3 kartus didesnės, gedimų ir techninės priežiūros eliminavimas daugiau nei pateisino investicijas per 25 metų sistemos eksploatavimo laikotarpį.

Kokie aplinkos veiksniai turi įtakos izoliacijos veikimui laikui bėgant?

Aplinkos veiksniai, įskaitant temperatūros svyravimus, UV spindulių poveikį, drėgmės absorbciją, cheminį užterštumą ir mechaninę apkrovą, laikui bėgant labai pablogina izoliacijos savybes, o dielektrinis stipris, priklausomai nuo medžiagos tipo ir poveikio sąlygų, gali sumažėti 20-50%.

Temperatūros poveikis dielektriko savybėms

Terminis senėjimas:
Padidėjusi temperatūra pagreitina polimero grandinės irimą:

• Grandinės skilimas sumažina molekulinę masę
• Oksidacija sukuria laidžius takus
• Kristališkumo pokyčiai turi įtakos elektrinėms savybėms
• Dėl šiluminio plėtimosi atsiranda mechaninis įtempimas

Temperatūros ciklo poveikis:
Dėl pasikartojančių šildymo ir šaldymo ciklų:

• Diferencinis plėtimosi įtempis
• Mikroįtrūkimų susidarymas
• Sąsajos sluoksniavimasis
• Spartesnis senėjimo poveikis

Mūsų bandymai rodo, kad dielektrinė varža paprastai sumažėja 2-5%, kai temperatūra pakyla 10 °C, o tiksli priklausomybė priklauso nuo medžiagos tipo ir temperatūros laikymo laiko.

Drėgmės ir drėgmės poveikis

Vandens absorbcijos mechanizmai:
Skirtingos medžiagos yra skirtingai jautrios drėgmei:

• Nailonas: 2-8% vandens absorbcija (didelis poveikis)
• Fluoropolimerai: <0,01% (minimalus poveikis)
• Inžineriniai plastikai: 0,1-2% (vidutinio stiprumo smūgis)

Drėgmės poveikis elektrai:
Vandens absorbcija daro įtaką elektrinėms savybėms:

• Sumažinta tūrio varža
• Padidėję dielektriniai nuostoliai
• Mažesnė gedimo įtampa
• Padidintas sekimo jautrumas

UV spindulių ir radiacijos poveikis

Fotodegradacijos mechanizmai:
UV spinduliuotė suardo polimerų grandines ir sukuria:

• Laisvieji radikalai, platinantys žalą
• Karbonilo grupės, mažinančios izoliaciją
• Paviršiaus kreidos ir įtrūkimai
• Spalvos pokyčiai, rodantys skilimą

Poveikio mažinimo strategijos:

• UV stabilizatoriai medžiagų sudėtyje
• Juodoji anglies pigmentacija, skirta naudoti lauke
• Apsauginės dangos, jei taikoma
• Reguliarūs tikrinimo ir keitimo grafikai

Poveikis cheminei aplinkai

Agresyvus cheminių medžiagų poveikis:
Pramoninėje aplinkoje dažnai būna cheminių medžiagų, kurios pažeidžia izoliacines medžiagas:

• Rūgštys: sukelia jautrių polimerų hidrolizę
• Bazės: Atakuoja esterines jungtis
• Tirpikliai: Sukelia išbrinkimą ir plastifikaciją
• Aliejai: Įsiskverbia ir sumažina elektrines savybes

Medžiagų suderinamumo vertinimas:
Turime išsamias visų savo medžiagų cheminio suderinamumo duomenų bazes, padedančias klientams pasirinkti konkrečioms aplinkoms tinkamas rūšis.

Ilgalaikės veiklos prognozavimas

Pagreitinto senėjimo bandymai:
Ilgalaikiam veikimui prognozuoti naudojame standartizuotus bandymų metodus:

• Terminis senėjimas pagal ASTM D3045
• UV spindulių poveikis pagal ASTM G154
• Drėgmės bandymai pagal ASTM D2565 standartą
• Kombinuotas testavimas nepalankiausiomis sąlygomis realiomis sąlygomis

Eksploatavimo trukmės įvertinimas:
Remiantis mūsų bandymais, tipinis eksploatavimo laikas yra:

• Standartinis nailonas: 10-15 metų (patalpose), 5-8 metai (lauke).
• Patobulintas nailonas: 15-20 metų (patalpose), 8-12 metų (lauke).
• Inžineriniai plastikai: 20-25 metai (patalpose), 12-18 metų (lauke)
• Fluoropolimerai: 25+ metų daugumoje aplinkų

Kaip tikrinamos ir sertifikuojamos kabelių movų dielektrinės savybės?

Kabelių movų dielektrinės savybės tikrinamos standartizuotais metodais, įskaitant ASTM D149⁴ dielektrinio stiprumo, IEC 60695 - sekimo varžos ir UL 746A - elektrinių charakteristikų, o bandymai atliekami įvairiose temperatūrose, drėgmės lygiuose ir įtampos apkrovos sąlygomis, siekiant užtikrinti patikimą veikimą.

Standartiniai bandymų metodai

ASTM D149 - Dielektrinio pramušimo įtampa:
Šiuo pagrindiniu bandymu matuojama įtampa, kuriai esant įvyksta elektrinis gedimas:

• Trumpalaikiai testai: Greitas įtampos padidėjimas iki gedimo
• Žingsnis po žingsnio testai: Laipsniškas įtampos didinimas
• Lėto kilimo greičio testai: Ilgesnis laikas kiekviename įtampos lygyje
• Rezultatai pateikiami kV/mm, kad būtų galima palyginti medžiagas

IEC 60112 - Lyginamasis sekimo indeksas (CTI):
Matuojamas atsparumas slydimui drėgnomis sąlygomis:

• Ant paviršiaus užteptas elektrolito tirpalas
• Elektros įtampa tarp elektrodų
• Užregistruotas laikas iki sekimo gedimo
• Labai svarbus lauko ir drėgnoje aplinkoje naudojamiems įrenginiams

UL 746A - Elektrinės charakteristikos:
Išsamus vertinimas, įskaitant:

• Dielektrinė varža esant įvairioms temperatūroms
• Varžos lankui matavimai
• Didelės srovės lanko uždegimo bandymas
• Ilgalaikio elektrinio senėjimo tyrimai

Mūsų "Bepto" testavimo galimybės

Vidaus bandymų laboratorija:
Investavome į išsamią elektros testavimo įrangą:

• Aukštos įtampos AC/DC bandymų rinkiniai iki 100 kV
• Aplinkosaugos kameros (nuo -40°C iki +200°C, 95% RH)
• Sekimo ir erozijos bandymo įranga
• Automatizuotos duomenų rinkimo sistemos

Kokybės kontrolės bandymai:
Kiekviena gamybos partija:

• Dielektrinio stiprumo patikrinimas
• Tūrio varžos matavimas
• Lyginamojo sekimo indekso testavimas
• Vizualus defektų tikrinimas

Sertifikavimo reikalavimai

Tarptautinių standartų laikymasis:
Mūsų kabelių riebokšliai atitinka įvairius tarptautinius elektros standartus:

• IEC 62444: Elektros instaliacijos kabelių riebokšliai
• UL 514B: Konduitų, vamzdžių ir kabelių jungiamosios detalės
• CSA C22.2 Nr. 18: Išleidimo dėžutės, jungiamosios detalės ir dangteliai
• ATEX/IECEx: sprogimui atspari elektros įranga

Testavimo dokumentacija:
Pateikiame išsamias bandymų ataskaitas, įskaitant:

• Medžiagų sertifikatai su elektrinėmis savybėmis
• Gamybinės partijos bandymų rezultatai
• Ilgalaikio senėjimo tyrimo duomenys
• Konkrečios taikomosios programos našumo patvirtinimas

Aplinkos bandymų protokolai

Kombinuotas testavimas nepalankiausiomis sąlygomis:
Realiomis sąlygomis vienu metu patiriama daug stresų:

• Temperatūra + drėgmė + elektros įtampa
• UV spindulių poveikis + terminis ciklas + įtampa
• Cheminis poveikis + mechaninė įtampa + elektrinis laukas
• Vibracija + temperatūra + aukšta įtampa

Pagreitinto veikimo bandymas:
Ilgalaikiam darbingumui prognozuoti naudojame padidinto streso sąlygas:

• Arrhenius modeliavimas dėl temperatūros poveikio
• Pecko drėgmės greitėjimo modelis
• Eringo modelis keliems streso veiksniams
• Statistinė patikimumo intervalų analizė

Po kelių pramoninių incidentų, susijusių su elektros gedimais, "Hassan" gamyklose dabar reikalaujama pateikti išsamius visų kabelių riebokšlių elektros bandymų dokumentus. Mūsų išsamios bandymų ataskaitos ir sertifikavimo paketai padėjo jo pirkimų komandai priimti pagrįstus sprendimus, kartu laikantis griežtų saugos reikalavimų.

Kokioms svarbiausioms reikmėms reikalingas didelis dielektrinis atsparumas?

Svarbiausiose srityse, kuriose reikalingi didelio dielektrinio atsparumo kabelių riebokšliai, yra elektros energijos gamybos ir paskirstymo sistemos, atsinaujinančiosios energijos įrenginiai, pramoniniai variklių valdymo centrai, pavojingose zonose esanti elektros įranga ir aukštos įtampos bandymų įrenginiai, kuriuose elektros gedimai gali sukelti katastrofiškus gedimus, pavojų saugai ir brangiai kainuojančias prastovas.

Energijos gamyba ir paskirstymas

Elektros pastotės:
Aukštos įtampos komutacinei įrangai reikalinga išskirtinė izoliacija:

• Įtampos lygiai: nuo 4,16 kV iki 765 kV
• Dielektrinio atsparumo reikalavimai: >30 kV/mm
• Aplinkosaugos iššūkiai: Poveikis lauke, užterštumas
• Saugos kritiškumas: Nesėkmė gali paveikti tūkstančius klientų

Elektrinėms taikomos priemonės:
Generatorių ir transformatorių jungtims reikia patikimos izoliacijos:

• Didelė elektrinės įtampos koncentracija
• Padidėjusi darbinė temperatūra
• Aušinimo sistemų cheminis poveikis
• Vibracija ir mechaninis poveikis

Atsinaujinančiosios energijos sistemos

Vėjo turbinų įrengimas:
Unikalūs iššūkiai kabelių riebokšlių izoliacijai:

• Didelis aukštis ir sumažėjęs oro tankis
• Ekstremalūs temperatūros svyravimai
• Nuolatinė vibracija ir judėjimas
• Žaibo smūgio poveikis
• Sudėtinga prieiga techninei priežiūrai atlikti

Marcuso patirtis saulės energijos ūkyje atskleidė specifinius nuolatinės srovės sistemų iššūkius:

• Didesnis gedimo pavojus dėl nuolatinės srovės įtampos
• Sekimo ir karbonizavimo klausimai
• Saulės šildymo cikliškumas
• Ultravioletinių spindulių skilimas dykumų aplinkoje

Saulės fotovoltinės sistemos:
Nuolatinės srovės elektros sistemoms kyla unikalių izoliacijos iššūkių:

• Nuolatinės įtampos įtampa skiriasi nuo kintamosios
• Didesnė sekimo gedimų rizika
• Ekstremalios temperatūros lauko įrenginiuose
• 25+ metų eksploatavimo trukmės reikalavimai

Pramoninių variklių valdymas

Kintamo dažnio pavara (VFD)⁵ Paraiškos:
Aukšto dažnio perjungimas sukelia elektros įtampą:

• Įtampos šuoliai dėl PWM perjungimo
• Didelė dv/dt apkrova izoliacijai
• Elektromagnetinių trukdžių problemos
• Harmoninių iškraipymų poveikis

Aukštos įtampos variklio jungtys:
Vidutinės įtampos varikliams reikia specialios izoliacijos:

• Nuo 2,3 kV iki 13,8 kV darbinės įtampos
• Perjungimo operacijų sukelta viršįtampa
• Dalinio iškrovimo aspektai
• Vainikinės pradžios įtampos ribos

Pavojingų zonų įrengimas

Sprogimui atsparūs reikalavimai:
Elektros sauga pavojingose zonose reikalauja išskirtinės izoliacijos:

• Liepsnos kelio vientisumo priežiūra
• Lanko sulaikymo galimybės
• Paviršiaus temperatūros apribojimai
• Ilgalaikis patikimumas atšiaurioje aplinkoje

Chemijos perdirbimo gamyklos:
Korozinė aplinka kelia iššūkių izoliacinėms medžiagoms:

• Cheminio suderinamumo reikalavimai
• Ekstremalios temperatūros ir slėgio sąlygos
• Saugos sistemos kritiškumas
• Atitikties teisės aktų reikalavimams reikalavimai

Bandymų ir matavimo priemonės

Aukštos įtampos bandymų laboratorijos:
Mokslinių tyrimų ir bandymų įrenginiams reikia aukščiausios kokybės:

• Įtampos lygiai, viršijantys 1MV
• Tikslumo matavimo reikalavimai
• Personalo ir įrangos sauga
• Užterštumo kontrolės poreikiai

Elektros įrangos gamyba:
Gamybiniams bandymams reikia patikimos izoliacijos:

• Pasikartojantys aukštos įtampos bandymai
• Nuoseklūs veiklos reikalavimai
• Automatizuotas testavimo sistemos integravimas
• Kokybės užtikrinimo dokumentai

Specifinių medžiagų parinkimas

Išvada

Kabelių movose naudojamų izoliacinių medžiagų dielektrinio atsparumo supratimas yra labai svarbus elektros sistemos saugai ir patikimumui. Nuo standartinių nailono medžiagų, užtikrinančių pakankamas savybes žemos įtampos sistemoms, iki specializuotų fluoropolimerų, pasižyminčių išskirtiniu dielektriniu atsparumu kritinėms aukštos įtampos sistemoms, medžiagų pasirinkimas turi tiesioginės įtakos sistemos veikimui ir saugumui. "Bepto" visapusiški bandymų pajėgumai ir gilus medžiagų mokslo išmanymas užtikrina, kad mūsų klientai gautų kabelių riebokšlius, kurių elektrinės charakteristikos atitinka jų konkrečius reikalavimus. Nesvarbu, ar dirbate su atsinaujinančiosios energijos sistemomis, pramoniniu variklių valdymu, ar pavojingų zonų įrenginiais, tinkamas medžiagos parinkimas, pagrįstas dielektrinio atsparumo reikalavimais, yra būtinas ilgalaikei sistemos sėkmei ir saugumui užtikrinti.

DUK apie kabelių riebokšlių dielektrinį stiprį