Kabeļu vados izmantoto izolācijas materiālu dielektriskās izturības salīdzinājums

Ievads

Domājat, ka visi kabeļu gļotu izolācijas materiāli ir vienādi? Viens elektriskais bojājums augstsprieguma spriegumā var izmaksāt miljoniem miljonus dīkstāves un iekārtu bojājumu dēļ. Izolācijas materiālu dielektriskā izturība nosaka, cik lielu elektrisko spriegumu tie var izturēt pirms katastrofālas bojāejas, tāpēc šī īpašība ir ļoti svarīga enerģijas sadales, rūpnieciskās automatizācijas un bīstamās zonās.

Dielektriskā izturība¹ Kabeļu vadu izolācijas materiāli ir ļoti atšķirīgi, sākot no 15-25 kV/mm standarta neilonam līdz vairāk nekā 40 kV/mm specializētiem fluorpolimēriem, un materiālu izvēle tieši ietekmē sistēmas drošību, sprieguma rādītājus un ilgtermiņa uzticamību elektroinstalācijās. Izpratne par šīm atšķirībām ir būtiska, lai pareizi izvēlētos materiālu un izvairītos no dārgiem elektrības bojājumiem.

Pagājušajā mēnesī ar mums sazinājās saules enerģijas saimniecības Arizonā elektroinženieris Markuss, kurš atkārtoti saskārās ar izolācijas bojājumiem līdzstrāvas kombinātoru kastēs. Standarta neilona kabeļu ieliktņi, ko viņi izmantoja, nespēja izturēt augstus līdzstrāvas spriegumus un tuksneša temperatūru ekstrēmumus, kā rezultātā radās izsekošana², karbonizācija un iespējama sistēmas izslēgšanās. Šāda veida dielektriskie bojājumi var kaskādes veidā ietekmēt veselas elektriskās sistēmas, tāpēc esam izstrādājuši visaptverošus testēšanas protokolus visiem mūsu izolācijas materiāliem dažādos sprieguma un vides apstākļos.

Satura rādītājs

• Kas nosaka dielektrisko stiprību kabeļu ieliktņu materiālos?
• Kā dažādu polimēru materiālu elektriskās veiktspējas rādītāji ir salīdzināmi?
• Kādi vides faktori ietekmē izolācijas veiktspēju laika gaitā?
• Kā tiek pārbaudītas un sertificētas kabeļu vada dielektriskās īpašības?
• Kādi ir kritiskie lietojumi, kuros nepieciešama augsta dielektriskā izturība?
• Secinājums
• Bieži uzdotie jautājumi par kabeļu vadu dielektrisko stiprību

Kas nosaka dielektrisko stiprību kabeļu ieliktņu materiālos?

Kabeļu kabeļu dziedzeru materiālu dielektrisko stiprību nosaka molekulārā struktūra, materiāla tīrība, apstrādes apstākļi, kristāliskuma līmenis un polāro grupu klātbūtne, un šie faktori kopā nosaka materiāla spēju pretoties elektriskajam bojājumam augstsprieguma apstākļos.

Dielektriskās izturības zinātniskais pamatojums ietver izpratni par to, kā elektriskie lauki mijiedarbojas ar polimēru ķēdēm un kā elektroni pārvietojas caur izolācijas materiāliem.

Molekulārās struktūras ietekme

Polimēru ķēžu arhitektūra:
Polimēru ķēžu izvietojums tieši ietekmē dielektriskās īpašības. Lineāras ķēdes ar minimālu sazarojumu parasti nodrošina labākas izolācijas īpašības nekā ļoti sazarotas struktūras. Mūsu neilona kabeļu ieliktņos tiek izmantoti rūpīgi atlasīti polimēru veidi ar optimizētu ķēžu arhitektūru maksimālai dielektriskajai izturībai.

Kristāliskuma ietekme:
Kristāliskajiem polimēru apgabaliem parasti ir augstāka dielektriskā izturība nekā amorfajiem apgabaliem. Pārstrādes laikā var kontrolēt kristāliskuma pakāpi, lai optimizētu elektriskās īpašības:

• Augsta kristāliskuma pakāpe: Labāka dielektriskā izturība, bet mazāka elastība
• Zema kristāliskuma pakāpe: Elastīgāka, bet potenciāli zemāks sadalīšanās spriegums
• Līdzsvarota kristāliskums: Optimāls kompromiss kabeļu ieliktņu lietojumiem

Materiālu tīrība un apstrāde

Piemaisījumu kontrole:
Pat neliels daudzums vadošu piemaisījumu var ievērojami samazināt dielektrisko izturību. Mūsu ražošanas process ietver:

• Izejvielu attīrīšana
• Tīro telpu apstrādes vide
• Piesārņojuma uzraudzība visā ražošanas laikā
• Galaprodukta elektriskā testēšana

Apstrādes temperatūras ietekme:
Pārmērīga apstrādes temperatūra var degradēt polimēru ķēdes, samazinot dielektrisko izturību. Lai saglabātu materiāla īpašības, injekcijas formēšanas laikā mēs nodrošinām precīzu temperatūras kontroli.

Elektriskās pamatīpašības

Galvenās elektriskās īpašības, kas nosaka dielektriskās īpašības, ir šādas:

Hasans, kurš vada elektroinstalācijas vairākās naftas ķīmijas rūpnīcās Kuveitā, uzzināja, cik svarīgas ir šīs īpašības, kad standarta kabeļu vadi sabojājās ikdienas augstsprieguma testēšanas laikā. Mēs sadarbojāmies, lai precizētu augstas veiktspējas materiālus ar pārbaudītām dielektriskām īpašībām, nodrošinot, ka viņa instalācijas atbilst stingrākajiem elektrodrošības standartiem.

Kā dažādu polimēru materiālu elektriskās veiktspējas rādītāji ir salīdzināmi?

Dažādiem polimēru materiāliem ir ļoti atšķirīgas elektriskās veiktspējas īpašības, un vislielākā dielektriskā izturība ir fluorpolimēriem, piemēram, PTFE (vairāk nekā 40 kV/mm), kam seko specializēti neiloni (20-30 kV/mm), savukārt standarta termoplasti parasti nodrošina 15-25 kV/mm atkarībā no sastāva un apstrādes.

Augstas veiktspējas materiāli

Fluorpolimēri (PTFE, FEP, PFA):
Šie materiāli ir elektriskās izolācijas zelta standarts:

• Dielektriskā izturība: 40-60 kV/mm
• Lieliska ķīmiskā izturība
• Plašs temperatūras diapazons (-200°C līdz +260°C)
• Praktiski nulles mitruma absorbcija
• Lieliska ilgtermiņa stabilitāte

Specializētās inženiertehniskās plastmasas:
Uzlabotas formulas, kas paredzētas elektrotehnikas lietojumiem:

• Modificēts neilons: 25-35 kV/mm
• Polifenilēnoksīds (PPO): 30-40 kV/mm
• Polieterimīds (PEI): 25-30 kV/mm
• Izcilas mehāniskās īpašības apvienojumā ar elektrisko veiktspēju

Standarta rūpnieciskie materiāli

Neilons 6/6 un neilons 12:
Mūsu izplatītākie kabeļu ieliktņu materiāli nodrošina labu elektrisko veiktspēju:

• Standarta klases: 15-20 kV/mm
• Ar stiklu pildītas šķirnes: 18-25 kV/mm
• Ugunsdrošas klases: 12-18 kV/mm
• Rentabilitāte lielākajai daļai lietojumu

Polipropilēns un polietilēns:
Zemāku izmaksu iespējas konkrētiem lietojumiem:

• Polipropilēns: 20-25 kV/mm
• HDPE: 18-22 kV/mm
• Laba ķīmiskā izturība
• Ierobežots temperatūras diapazons

Materiālu atlases kritēriji

Prasības attiecībā uz spriegumu:

• Zema sprieguma (<1 kV): Standarta neilons ir piemērots
• Vidējā sprieguma (1-35kV): Pastiprināts neilons vai inženiertehniskā plastmasa
• Augstspriegums (> 35 kV): Fluorpolimēri vai specializēti savienojumi

Vides apsvērumi:

• Iekštelpu lietojumi: Bieži vien pietiek ar standarta materiāliem
• Lietošana ārpus telpām: Nepieciešami UV stacionāri materiāli
• Ķīmiska iedarbība: Priekšroka dodama fluoropolimēriem
• Augsta temperatūra: Nepieciešami termiski stabilizēti preparāti

Izpildes un izmaksu analīze

Markuss no Arizonas saules enerģijas saimniecības atklāja, ka ieguldījumi augstākas kvalitātes materiālos faktiski samazināja kopējās īpašuma izmaksas. Lai gan sākotnējās materiālu izmaksas bija 3 reizes lielākas, kļūmju un apkopes novēršana vairāk nekā attaisnoja ieguldījumus sistēmas 25 gadu kalpošanas laikā.

Kādi vides faktori ietekmē izolācijas veiktspēju laika gaitā?

Vides faktori, tostarp temperatūras cikliskums, UV starojuma iedarbība, mitruma absorbcija, ķīmiskais piesārņojums un mehāniskā slodze, laika gaitā ievērojami pasliktina izolācijas veiktspēju, un dielektriskā izturība var samazināties par 20-50% atkarībā no materiāla veida un iedarbības apstākļiem.

Temperatūras ietekme uz dielektrisko veiktspēju

Termiskā novecošanās:
Paaugstināta temperatūra paātrina polimēru ķēdes degradāciju:

• Ķēdes skaldīšanās samazina molekulmasu
• Oksidēšana rada vadošus ceļus
• Kristāliskuma izmaiņas ietekmē elektriskās īpašības
• Termiskā izplešanās rada mehānisko spriedzi

Temperatūras cikliskuma ietekme:
Atkārtoti sildīšanas un dzesēšanas cikli izraisa:

• Diferenciālais izplešanās spriegums
• Mikroplaisu veidošanās
• Saskarnes noslāņošanās
• Paātrināta novecošanās ietekme

Mūsu testi liecina, ka dielektriskā izturība parasti samazinās par 2-5% uz 10°C temperatūras paaugstināšanos, precīza attiecība ir atkarīga no materiāla veida un temperatūras uzturēšanas laika.

Mitruma un mitruma ietekme

Ūdens absorbcijas mehānismi:
Dažādiem materiāliem ir dažāda jutība pret mitrumu:

• Neilons: 2-8% ūdens absorbcija (ievērojama ietekme)
• Fluoropolimēri: (minimāla ietekme): <0,01% (minimāla ietekme).
• Inženiertehniskā plastmasa: 0,1-2% (mērena ietekme).

Mitruma ietekme uz elektrību:
Ūdens absorbcija ietekmē elektriskās īpašības, jo:

• Samazināta tilpuma pretestība
• Palielināti dielektriskie zudumi
• Zemāks sadalīšanās spriegums
• Uzlabota izsekošanas jutība

UV un starojuma iedarbība

Fotodegradācijas mehānismi:
UV starojums sarauj polimēru ķēdes un rada:

• Brīvie radikāļi, kas vairo bojājumus
• Karbonilgrupas, kas samazina izolāciju
• Virsmas krīta un plaisu veidošanās
• Krāsas izmaiņas, kas norāda uz degradāciju

Samazināšanas stratēģijas:

• UV stabilizatori materiālu sastāvā
• Oglekļa melnā pigmentācija izmantošanai ārpus telpām
• Aizsargpārklājumi, ja piemērojams
• Regulāras pārbaudes un nomaiņas grafiki

Ietekme uz ķīmisko vidi

Agresīva ķīmisko vielu iedarbība:
Rūpnieciskajā vidē bieži vien ir ķīmiskas vielas, kas iedarbojas uz izolācijas materiāliem:

• Skābes: izraisa jutīgu polimēru hidrolīzi.
• Bāzes: Uzbrukuma esteru saites
• Šķīdinātāji: Veido uzbriešanu un plastifikāciju
• Eļļas: Iekļūst un samazina elektriskās īpašības

Materiālu saderības novērtējums:
Mēs uzturam plašas visu mūsu materiālu ķīmiskās saderības datubāzes, palīdzot klientiem izvēlēties atbilstošas kategorijas konkrētām vidēm.

Ilgtermiņa veiktspējas prognozēšana

Paātrinātas novecošanās testēšana:
Mēs izmantojam standartizētas testēšanas metodes, lai prognozētu ilgtermiņa veiktspēju:

• Termiskā novecošanās saskaņā ar ASTM D3045
• UV starojuma iedarbība saskaņā ar ASTM G154
• Mitruma testēšana saskaņā ar ASTM D2565
• Kombinēta stresa testēšana reālos apstākļos

Ekspluatācijas laika novērtējums:
Pamatojoties uz mūsu testēšanas rezultātiem, tipiskais paredzamais kalpošanas laiks ir:

• Standarta neilons: 10-15 gadi (iekštelpās), 5-8 gadi (ārpus telpām).
• Uzlabots neilons: 15-20 gadi (iekštelpās), 8-12 gadi (ārpus telpām).
• Inženiertehniskā plastmasa: 20-25 gadi (iekštelpās), 12-18 gadi (ārpus telpām).
• Fluoropolimēri: 25+ gadi lielākajā daļā vides.

Kā tiek pārbaudītas un sertificētas kabeļu vada dielektriskās īpašības?

Kabeļu vadu dielektriskās īpašības tiek pārbaudītas, izmantojot standartizētas metodes, tostarp. ASTM D149⁴ dielektriskajai izturībai, IEC 60695 izsekošanas pretestībai un UL 746A elektriskajām īpašībām, un testēšana veikta dažādās temperatūrās, mitruma līmeņos un sprieguma sprieguma apstākļos, lai nodrošinātu uzticamu veiktspēju.

Standarta testēšanas metodes

ASTM D149 - Dielektriskā caurrāvuma spriegums:
Ar šo pamattestu mēra spriegumu, pie kura rodas elektriskais bojājums:

• Īstermiņa testi: Straujš sprieguma pieaugums līdz bojājumam
• Soli pa solim veikti testi: Pakāpenisks sprieguma palielinājums
• Lēna pieauguma ātruma testi: Pagarināts laiks katrā sprieguma līmenī
• Materiālu salīdzināšanai rezultāti norādīti kV/mm

IEC 60112 - Salīdzinošais izsekošanas indekss (CTI):
Izmēra izturību pret izsekošanu mitros apstākļos:

• Uz virsmas uzklāts elektrolīta šķīdums
• Starp elektrodiem pieliktais elektriskais spriegums
• Reģistrēts laiks līdz neveiksmes izsekošanai
• Kritiski svarīgi lietojumiem ārpus telpām un mitrumā

UL 746A - Elektriskie raksturlielumi:
Visaptverošs novērtējums, tostarp:

• Dielektriskā izturība dažādās temperatūrās
• Loka pretestības mērījumi
• Augststrāvas loka aizdedzes testēšana
• Ilgtermiņa elektriskās novecošanās pētījumi

Bepto testēšanas iespējas

Iekšējā testēšanas laboratorija:
Esam ieguldījuši līdzekļus visaptverošā elektriskās testēšanas aprīkojumā:

• Augstsprieguma AC/DC testu komplekti līdz 100 kV
• Vides kameras (-40°C līdz +200°C, 95% RH)
• Izsekošanas un erozijas testēšanas iekārtas
• Automatizētas datu ieguves sistēmas

Kvalitātes kontroles testēšana:
Katrai ražošanas partijai tiek veikta:

• Dielektriskās izturības pārbaude
• Tilpuma pretestības mērījumi
• Salīdzinošā izsekošanas indeksa testēšana
• Vizuāla defektu pārbaude

Sertifikācijas prasības

Starptautisko standartu atbilstība:
Mūsu kabeļu ieliktņi atbilst dažādiem starptautiskajiem elektrotehnikas standartiem:

• IEC 62444: Kabeļu vāki elektroinstalācijām
• UL 514B: cauruļvadu, cauruļu un kabeļu savienotājelementi
• CSA C22.2 Nr. 18: Izplūdes kārbas, veidgabali un vāki
• ATEX/IECEx: sprādziendrošas elektroiekārtas

Testēšanas dokumentācija:
Mēs sniedzam visaptverošus testēšanas pārskatus, tostarp:

• Materiālu sertifikāti ar elektriskajām īpašībām
• Ražošanas partijas testēšanas rezultāti
• Ilgtermiņa novecošanās pētījuma dati
• Pielietojumam specifiska veiktspējas validācija

Vides testēšanas protokoli

Kombinētie stresa testi:
Reālās pasaules apstākļos vienlaicīgi rodas vairāki stresi:

• Temperatūra + mitrums + elektriskā spriedze
• UV starojuma iedarbība + termiskā cikliskums + spriegums
• Ķīmiskā iedarbība + mehāniskā spriedze + elektriskais lauks
• Vibrācija + temperatūra + augstspriegums

Paātrināta kalpošanas laika testēšana:
Mēs izmantojam paaugstinātas slodzes apstākļus, lai prognozētu ilgtermiņa veiktspēju:

• Arreniusa modelēšana temperatūras ietekmes noteikšanai
• Pecka mitruma paātrinājuma modelis
• Eiringa modelis vairākiem stresa faktoriem
• Statistiskā analīze ticamības intervālu noteikšanai

Pēc vairākiem nozares negadījumiem, kas saistīti ar elektriskajām kļūmēm, Hassan uzņēmumos tagad tiek pieprasīta visaptveroša visu kabeļu cauruļu vadu elektriskās testēšanas dokumentācija. Mūsu detalizētie testu ziņojumi un sertifikācijas paketes ir palīdzējušas viņa iepirkumu komandai pieņemt pamatotus lēmumus, vienlaikus ievērojot stingras drošības prasības.

Kādi ir kritiskie lietojumi, kuros nepieciešama augsta dielektriskā izturība?

Kritiski svarīgi lietojumi, kuros nepieciešami augstas dielektriskās izturības kabeļu ieliktņi, ietver elektroenerģijas ražošanas un sadales sistēmas, atjaunojamās enerģijas iekārtas, rūpnieciskos motoru vadības centrus, bīstamās zonas elektroiekārtas un augstsprieguma testēšanas iekārtas, kurās elektrības bojājumi var izraisīt katastrofālas kļūmes, apdraudēt drošību un dārgas dīkstāves.

Elektroenerģijas ražošana un sadale

Elektriskās apakšstacijas:
Augstsprieguma komutācijas iekārtām nepieciešama izcila izolācija:

• Sprieguma līmeņi: no 4,16 kV līdz 765 kV
• Dielektriskās izturības prasības: >30 kV/mm
• Vides problēmas: āra iedarbība, piesārņojums
• Drošības kritiskums: Bojājums var ietekmēt tūkstošiem klientu

Elektrostaciju lietojumprogrammas:
Ģeneratoru un transformatoru savienojumiem nepieciešama uzticama izolācija:

• Augsta elektriskā sprieguma koncentrācija
• Paaugstinātas darba temperatūras
• Ķīmisko vielu iedarbība no dzesēšanas sistēmām
• Vibrācija un mehāniskā slodze

Atjaunojamās enerģijas sistēmas

Vēja turbīnu uzstādīšana:
Unikāli izaicinājumi kabeļu vadu izolācijai:

• Liels augstums ar samazinātu gaisa blīvumu
• Ekstremālas temperatūras svārstības
• Pastāvīga vibrācija un kustība
• Zibens spēriena iedarbība
• Apgrūtināta piekļuve tehniskajai apkopei

Markusa pieredze saules enerģijas saimniecībā atklāja īpašās problēmas, kas saistītas ar līdzstrāvas sistēmām:

• Augstāks sadalīšanās risks līdzstrāvas sprieguma dēļ
• Izsekošanas un karbonizācijas jautājumi
• Temperatūras cikliskums no saules apkures
• UV starojuma degradācija tuksneša vidē

Saules fotoelementu sistēmas:
Līdzstrāvas elektriskās sistēmas rada unikālas izolācijas problēmas:

• Līdzstrāvas sprieguma spriegums atšķiras no maiņstrāvas sprieguma
• Lielāks izsekošanas kļūdu risks
• Temperatūras ekstrēmumi āra iekārtās
• Vairāk nekā 25 gadu kalpošanas laika prasības

Rūpniecisko motoru vadība

Mainīgas frekvences piedziņa (VFD)⁵ Pieteikumi:
Augstas frekvences pārslēgšana rada elektrisko spriedzi:

• Sprieguma svārstības no PWM pārslēgšanas
• Augsta dv/dt slodze uz izolāciju
• Elektromagnētisko traucējumu problēmas
• Harmonisko kropļojumu ietekme

Augstsprieguma motora savienojumi:
Vidsprieguma motoriem nepieciešama īpaša izolācija:

• 2,3 kV līdz 13,8 kV darba spriegums
• Pārsprieguma spriegums no pārslēgšanas operācijām
• Daļējas izlādes apsvērumi
• Koronas sākuma sprieguma robežas

Bīstamo zonu instalācijas

Sprādziendrošas prasības:
Elektrodrošība bīstamās zonās prasa izcilu izolāciju:

• liesmas ceļa integritātes uzturēšana
• Loka ierobežošanas iespējas
• Virsmas temperatūras ierobežojumi
• Ilgtermiņa uzticamība skarbos vides apstākļos

Ķīmiskās pārstrādes rūpnīcas:
Korozīvas vides ir izaicinājums izolācijas materiāliem:

• Ķīmiskās saderības prasības
• Temperatūras un spiediena ekstrēmas
• Drošības sistēmas kritiskums
• Tiesību aktu atbilstības prasības

Testēšanas un mērīšanas iekārtas

Augstsprieguma testēšanas laboratorijas:
Pētniecības un testēšanas iekārtām ir nepieciešama maksimāla veiktspēja:

• Sprieguma līmeņi, kas pārsniedz 1MV
• Precizitātes mērījumu prasības
• Personāla un aprīkojuma drošība
• Piesārņojuma kontroles vajadzības

Elektroiekārtu ražošana:
Ražošanas testēšanai nepieciešama uzticama izolācija:

• Atkārtota augstsprieguma testēšana
• Konsekventas veiktspējas prasības
• Automatizēta testēšanas sistēmas integrācija
• Kvalitātes nodrošināšanas dokumentācija

Pielietojumam specifiska materiālu izvēle

Secinājums

Izpratne par kabeļcauruļu izolācijas materiālu dielektrisko stiprību ir būtiska elektrosistēmu drošībai un uzticamībai. No standarta neilona materiāliem, kas nodrošina pietiekamu veiktspēju zemsprieguma lietojumiem, līdz specializētiem fluorpolimēriem, kas nodrošina izcilu dielektrisko izturību kritiskām augstsprieguma sistēmām, materiālu izvēle tieši ietekmē sistēmas veiktspēju un drošību. Bepto, mūsu plašās testēšanas iespējas un dziļā izpratne par materiālu zinātni nodrošina, ka mūsu klienti saņem kabeļu uzmavas ar elektriskajām īpašībām, kas atbilst to specifiskajām prasībām. Neatkarīgi no tā, vai strādājat ar atjaunojamo energoresursu sistēmām, rūpniecisko motoru vadību vai bīstamo zonu instalācijām, pareiza materiālu izvēle, pamatojoties uz dielektriskās izturības prasībām, ir būtiska sistēmas ilgtermiņa panākumu un drošības nodrošināšanai.

Bieži uzdotie jautājumi par kabeļu vadu dielektrisko stiprību