Кабели из сшитого полиэтилена характеристики: Маркировка кабеля из сшитого полиэтилена | Полезные статьи

Содержание

Кабели силовые с изоляцией из сшитого полиэтилена

Кабели СПЭ (с изоляцией из сшитого полиэтилена), или кабели из вулканизированного полиэтилена, производятся уже более 20 лет. Эти кабели – перспективная замена кабелям с бумажно-пропитанной изоляцией. На российском рынке кабельной продукции увеличение производства и потребления этих кабелей стабильно увеличивается. Кабели СПЭ обладают очень большим сроком службы, свыше 50 лет, по данным заводов-изготовителей.

Характеристики и свойства кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена

Сшитый полиэтилен представляет собой монолитную конструкцию с физическими и электрическими характеристиками, отличными от характеристик обычного полиэтилена. В качестве примера: обычный полиэтилен плавится при 140 °С, сшитый при 250 °С. Диэлектрическая проницаемость сшитого полиэтилена составляет 2,4, в то время как у изоляции из пропитанной бумаги порядка 4,0. Твердость СПЭ уступает твердости стали лишь на 5 единиц.

Сшивка полиэтилена осуществляется химическим способом, либо путем облучения жесткими гамма-лучами.

Радиационный способ сшивки самый эффективный, но кабель после облучения сохраняет остаточную радиацию, и может представлять опасность при эксплуатации.

Существуют 2 вида химической сшивки – пероксидная сшивка и силановая. Силановая сшивка осуществляется путем помещения наложенной на токоведущую шину изоляции в раствор солей кремниевой кислоты. Пероксидная сшивка осуществляется одновременно с наложением изоляции.

Пероксидная сшивка осуществляется лишь в присутствии катализатора – перекиси дикумила. Механическая обработка изоляции кабеля с пероксидной сшивкой (например, распиливание), приводит к распространению резкого специфического запаха, который не выносят насекомые и грызуны, и что позволяет прокладывать кабель в подвальных помещениях, без опасности повреждения его крысами или мышами.

Непосредственно после сшивки в изоляции присутствует газ метан, для удаления которого после сшивки кабель выдерживается в особой камере под давлением и температуре 70-80 °С. Возможно сохранение в изоляции некачественного кабеля остаточных количеств метана, что может привести при монтаже муфт с кабелем из СПЭ к возгоранию при воздействии пламени горелки.

Особое внимание в производстве кабеля СПЭ уделяется достижению сверхвысокой чистоты полиэтилена. В 1 куб. см материала допускается наличие не более 5 куб. мкм примесей, что примерно соответствует нахождению одного теннисного шарика в объеме огромного спортивного зала.

До появления кабелей СПЭ в линиях высокого напряжения применялись (и продолжают применяться) маслонаполненные кабели низкого и высокого давления. Но подобные кабели требуют больших материальных затрат на обслуживание, за 10 лет эксплуатации затраты сравнимы со стоимостью самой кабельной линии.

Конструкция кабелей СПЭ для напряжений от 6 до 500 кВ одинакова, разница состоит в толщине слоя основной изоляции:

  • кабель 6-10 кВ – толщина изоляции 3,4 мм;
  • кабель 20 кВ – толщина изоляции 5,5 мм;
  • кабель 110 кВ – толщина изоляции 15 мм;
  • кабель 500 кВ – толщина изоляции 42 мм.

Трехфазные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена

Наиболее распространены однофазные кабели СПЭ, выпускаются также и кабели для 3-фазных сетей, но только на напряжение до 35 кВ. На напряжения 110 и 500 кВ выпускаются только однофазные кабели.

Жила кабеля может быть секторной или круглой. Круглые жилы не имеют выступов, и электромагнитное поле не распространяется от них далеко. Секторные жилы имеют выступающие части, оттого кабели с подобными жилами менее эффективны. Также, круглые жилы в 3-фазном кабеле располагаются по углам равностороннего треугольника, что создает симметричное магнитное поле с низкими потерями.

Трехфазные СПЭ кабели с заполнением могут быть проложены в местах с повышенной влажностью, но при монтаже в воде необходимо герметизировать внутреннюю поверхность дополнительными защитными слоями.

Трехфазным кабелям без заполнения внутренних полостей свойственен ряд недостатков:

  • Затрудненная эксплуатация на протяженных трассах. Полости на сторонах треугольника жил возникают при установке муфт и манжет, что ухудшает их герметизацию. Без заполнения внутренних полостей такие кабели для прокладки в земле не предназначены.
  • По внешней форме кабель не круглый, а треугольный.
  • К настоящему времени отсутствует заводской инструмент для разделки секторных жил. Без инструмента изоляция с таких кабелей снимается вручную, при этом не все электромонтеры достаточно квалифицированы для выполнения этой работы.

Ввиду всего вышесказанного, наиболее распространены кабели с круглыми жилами и внутренним заполнением.

СПЭ-кабели, применение с изоляцией из сшитого полиэтилена

Практически любое эксплуатирующее электрические сети предприятие на напряжение 6, 10 кВ и выше, имеет дело с силовыми кабельными линиями. В целом КЛ имеют немало достоинств перед ВЛ: они имеют меньшие габариты, безопаснее, более надежны и удобны в эксплуатации. И это одни из основным причин, почему большая часть электрических сетей городов и крупных промышленных предприятий состоит из кабельных линий электропередач.

 

Большая часть кабелей проложенных в России и странах СНГ – имеют пропитанную бумажную изоляцию, и их конструкция, практически, остается неизменной в течение уже нескольких десятилетий. Эти кабели имеют множество недостатков: ограничения по разности уровней прокладки, частую повреждаемость, невысокая технологичность монтажа муфт, ограничения по передаваемой мощности.

Во времена отсутствия реальной альтернативы кабелям с бумажной изоляцией оставалось мириться с их слабыми местами и принимать дополнительные меры для обеспечения надежности электроснабжения потребителей и нагрузочных требований. Создавались резервирующие линии, прокладывали параллельные кабели, и, естественно, это приводило к существенному усложнению схемы электрической сети и росту капитальных вложений в сеть. С другой стороны, частая повреждаемость КЛ требовала наличия в штате квалифицированных специалистов по испытанию и отысканию мест повреждений в кабельных линиях, по ремонту кабельных линий, проведению земляных работ.

СПЭ-кабель

Эту ситуацию могло изменить только существенное изменение устройства кабелей, что и случилось с началом промышленного изготовления кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ). Кабели с СПЭ изоляцией не имеют многих недостатков характерных для кабелей с бумажной изоляцией, поэтому их применение позволяет решить многие назревшие проблемы по надежности электроснабжения, упрощения и оптимизации схемы сети, снижению расходов на реконструкцию и эксплуатацию кабельных линий.

Своими уникальными характеристиками СПЭ-кабели обязаны применяемому в них изоляционному материалу. На современных предприятиях производящих кабели процесс сшивки или вулканизации производится в среде нейтрального газа при высоком давлении и температуре. Такой способ вулканизации делает возможным получать достаточную степень сшивки по всей толщине изоляции и обеспечить отсутствие воздушных включений. Поперечные связи, образующиеся в процессе сшивки между молекулами полиэтилена, в основном и определяют характеристики нового материала. Кроме высоких диэлектрических свойств, это и больший, чем у других кабельных изоляционных материалов диапазон рабочих температур, и отличные механические свойства. Так, в нормальном режиме для сшитого полиэтилена допускается температура 90°С, в кратковременном режиме (протекание токов КЗ) 250°С, прокладка и монтаж КЛ могут проходить при температуре до –20°С. При этом монтаж кабелей допускается с радиусом изгиба до 7,5 наружных диаметров.

Однако основное преимущество СПЭ-кабелей перед бумажными – это их низкая повреждаемость. К сожалению, из-за недостаточного опыта эксплуатации, отсутствует достоверная информация о количестве повреждений таких кабелей в РФ. Согласно зарубежных данных, процент электрических пробоев СПЭ-кабелей на десятки и даже сотни раз ниже, чем на кабелях с бумажной изоляцией.

Сравнительные характеристики кабелей

Преимущественно кабели выпускаются в одножильном исполнении, а применение различных типов оболочек и возможность герметизации позволяет использовать кабель как для прокладки в земле, так и для кабельных сооружений, в том числе при групповой прокладке.

СПЭ-кабель может заменить кабель с бумажной изоляцией практически во всех случаях, однако на этапе внедрения кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на том или ином предприятии необходимо выделить те области, где их применение имеет наибольший смысл. Для этого проведем короткое технико-экономическое сравнение «обычных» и СПЭ-кабелей. К сожалению из-за различий в затратах на ремонты и содержание кабельных линий для конкретных предприятий, разницу в общих затратах на эксплуатацию оценить затруднительно, поэтому предлагаем сравнивать только первоначальные вложения в кабель.
Для корректного сравнения возьмем кабели с одинаковой пропускной способностью – бумажный АСБ 3х240 10 кВ и три однофазных кабеля АПвП 1х185/25–10 кВ. Сравнительные характеристики кабелей приведены в табл. 1.


Параметры сравнения
Кабель с бумажной изоляцией АСБ 3×240 — 10 кВ Одножильный кабель с СПЭ изоляцией, ЗхАПвП 1×185/25-10 кВ
Вид кабельной линии в разрезе
Сечение жил, мм2 240 185
Ток нагрузки при прокладке в земле, А 355 в плоскости / треугольником 375/360
Максимально-допустимый 1-сек ток КЗ, А 20,56 17,5
Наружный диаметр, мм 62 36
Строительная длина, м 500-600 до 1400 (бар. N22)
Минимальный радиус изгиба, м 1.64 0.54
Масса, кг/км 7050 1370 (4110)
Допустимая разность уровней, м 15 не ограничена
Сравнительная стоимость. % 100 160

 

Из приведенных данных видно, что при одинаковой пропускной способности и лучших остальных параметрах стоимость СПЭ-кабеля примерно на 60–70% выше. Это объясняется более дорогими материалами и технологией изготовления, большим расходом материалов при радиальной конструкции кабеля. Но с другой стороны, такая конструкция обеспечивает равномерное распределение электрического поля и, как следствие, увеличение электрической прочности.

Эта ситуация меняется кардинально при возрастании требований по пропускной способности кабельной линии. Так, параллельные кабели АСБ 1х240 10 кВ целесообразно заменить СПЭ кабелем большего сечения (см. табл. 2).


Параметры сравнения
Кабели с бумажной
изоляцией
2 х АСБ 3×240
Одножильный кабель
с СПЭ изоляцией,
3хАПвП 1×500 35
Вид кабельной линии в разрезе
Сечение жил, мм2 240 500
Ток нагрузки при прокладке в земле, А 639 в плоскости / треугольником
650/610
Максимально-допустимый 1-сек ток КЗ, А 20,56 47
Наружный диаметр, мм 62 46
Строительная длина, м 500-600 до 850 (бар. N22)
Минимальный радиус изгиба, м 1.64 0.74
Масса, кг/км 2×7050 2570 (7710)
Допустимая разность уровней, м 15 не ограничена
Сравнительная стоимость. % 100 115-120

 

Для СПЭ кабеля на напряжение 35 кВ картина еще более благоприятная (см. табл. 3).


Параметры сравнения
Кабели с бумажной изоляцией
АОСБ Зх150-35 кВ
Одножильный кабель
С СПЭ изоляцией.
ЗхАПвП 1×150/25 — 35 кВ
Вид кабельной линии в разрезе
Сечение жил, мм2 150 150
Ток нагрузки при прокладке в земле, А 250 в плоскости / треугольником
350/330
Максимально-допустимый 1-сек ток КЗ, А 7,58 14,2
Строительная длина, м 300 до 1000 (бар. N22)
Минимальный радиус изгиба, м 1.45 0.67
Масса, кг/км 6400 1805 (5415)
Допустимая разность уровней, м 15 не ограничена
Сравнительная стоимость. % 100 100-105

 

Это объясняется тем, что на этот класс напряжений применение конструкции с секторными жилами невозможно. Поэтому бумажные кабели изготавливаются с отдельно освинцованными жилами, что влечет за собой значительное удорожание по сравнению с кабелями 10 кВ. Стоимости кабелей с бумажной и полиэтиленовой изоляцией одинакового сечения приблизительно равны. Однако, как видно из табл. 3, полиэтиленовый кабель дает 40%-ное преимущество по нагрузочной способности.

Исходя из приведенного выше сравнения можно определить области, где применение СПЭ-кабеля может быть наиболее целесообразно и даст наибольший эффект.

  • исходя из стоимости, это уровни напряжений 15,20,35 кВ, где даже первоначальные капитальные затраты на кабель будут ниже.
  • при необходимости передачи большой мощности. Классическим примером может послужить вывод мощности от генератора на шины РУ тепловой электростанции. Несколько таких проектов уже были реализованы на российских предприятиях. При этом в качестве альтернативы рассматривались сооружение медного шинопровода, прокладка 8–12 бумажных кабелей или нескольких кабелей с СПЭ изоляцией сечением 630 или 800 мм2. Как показывает практика, применение полиэтиленовых кабелей позволяет достичь экономии не только за счет кабельных линий, но и за счет уменьшения затрат на строительную часть. При обслуживании затраты на содержание полиэтиленового кабеля минимальны.
  • СПЭ кабель поможет выйти из ситуации, когда кабель с бумажной изоляцией даже максимального сечения не проходит по пропускной способности. Так как пропускная способность полиэтиленового кабеля выше и максимальное сечение жилы может достигать 800 мм2. целесообразней использовать один кабель большого сечения. Это касается и случаев прокладки «спаренных» кабелей, когда взамен 2–х кабелей 240 мм2. целесообразней проложить 1 кабель сечением 500 мм2.

Еще одним случаем обязательного применения полиэтиленовых кабелей является наличие большой разности уровней по трассе прокладки. При использовании бумажно-масляных кабелей происходит осушение изоляции кабелей в высоких точках, что может повлечь за собой пробой. При этом даже небольшая разность уровней прокладки может стать причиной многочисленных повреждений на кабельных линиях. В качестве показательного примера можно привести ситуацию на одном из нефтехимических предприятий в Сибири, где находятся в эксплуатации большое количество бумажно-масляных кабелей 35 кВ. При заходе кабельных линий на подстанцию перепад уровней составляет 10–15 м. Несмотря на нестекающую изоляцию кабелей, каждая кабельная линия на подстанции повреждалась по несколько раз, в результате практически на каждой фазе были установлены соединительные муфты.

Для исключения случаев пробоя бумажных кабелей и обеспечения надежности электроснабжения руководством энергетического комплекса предприятия было принято решение о замене концевых участков кабельных линий на кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена.

  • использование кабелей с СПЭ изоляцией необходимо при особых требованиях к надежности электроснабжения, так как повреждаемость СПЭ-кабелей чрезвычайно мала.
  • при наличии требований по нераспространению горения, рекомендуется применять кабели с оболочкой из поливинилхлорида пластиката пониженной горючести, который прошел соответствующие испытания и имеет сертификат на соответствие нормам пожарной безопасности.

Из практики эксплуатации СПЭ-кабеля

Опыт внедрения кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена в других странах показал их большие возможности и преимущества. Однако не обошлось без ошибок при постановке этих кабелей в производство. Так, изначально при изготовлении кабелей многие производители применяли более дешевую технологию «силановой сшивки» полиэтиленовой изоляции. Ее отличительной особенностью является то, что наложение изоляции происходило на обычной экструзионной линии, при этом в полиэтиленовый пластикат добавлялись специальные смеси для обеспечения сшивки при нормальной температуре.

Для сравнения сейчас в основной массе сшивка кабелей производится в среде нейтрального газа при температуре 300–400 °С и давлении 8–9 атмосфер. Для обеспечения необходимых эксплуатационных качеств сшивка должна происходить равномерно по толщине изоляции. При применении силановой сшивки это требование обеспечить чрезвычайно трудно при толщине изоляции, которая применяется для кабелей на напряжении 10 киловольт. В результате неравномерной сшивки эксплуатационные качества, срок службы, степень подверженности изоляции воздействию водотриингов, электрическая прочность оказывались значительно хуже расчетных, что приводило к большому числу электрических пробоев. Поэтому на сегодняшний день подавляющее большинство производителей используют технологию сшивки в среде нейтрального газа.

Этот опыт был учтен и при постановке в производство данного кабеля в России, также как и другие требования, предъявляемые к кабелям среднего напряжения российскими заказчиками. В результате конструкция кабеля, производимого в России отличается от европейской.

Так как кабель применяется в основном в сетях 10 кВ, толщина изоляции была увеличена с 3,4 до 4,0 мм. При прокладке в земле применяется оболочка из полиэтилена высокой плотности, обеспечивающая необходимую защиту кабеля от механических повреждений, как при прокладке, так и в процессе эксплуатации. Если необходима герметизация экрана, используются два слоя водонабухающих лент под и поверх медного экрана, накладываемых с перекрытием. При прокладке кабеля в кабельных сооружениях применяется оболочка из ПВХ пониженной горючести.

Их всего сказанного выше можно сделать выводы, что кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена являются предпочтительными и имеют большие перспективы при строительстве и реконструкции кабельных линий на напряжение 6, 10, 35 кВ. Благодаря уникальным характеристикам, высокой электрической прочности изоляции, невысокой повреждаемости, длительному сроку службы СПЭ-кабелей, их применение становится не только технически обоснованным, но и экономически выгодным.

В КОМПАНИИ  ООО»КОРОПОРАЦИЯ «ЭНЕРГОСВЯЗЬКАБЕЛЬ» Вы всегда можете получить бесплатную консультацию по вопросам кабельной продукции, провода.

Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена: технические характеристики, его маркировка

В настоящее время на рынке есть огромный ассортимент моделей силовых кабелей. Среди них можно найти изделия для наземной, воздушной и водной прокладки. В этой статье говорится о том, что такое СЭП кабель и где его используют.

Что такое кабель из сшитого полиэтилена

В последние годы при изготовлении кабелей начали использовать дорогостоящие материалы. Кабель из сшитого полиэтилена стал одной из новинок последних лет. Благодаря новым технологиям получилось применить пластик в качестве обмотки при помощи вулканизации. Изделия выдерживают температуру до 140 градусов. Несмотря на то, что такие модели появились недавно, но они уже успели зарекомендовать себя на рынке, даже не смотря на высокую цену. Ниже подробно описаны все плюсы и минусы проводов СПЭ, что поможет определиться с выбором.

Как выглядит кабель из сшитого полиэтилена

Плюсы и минусы СПЭ кабеля

Основные преимущества изделия:

  • небольшая емкость;
  • для пропуска больших токов нагрузки у провода из сшитого полиэтилена необходимо маленькое сечение жил. Рабочая температура составляет 95 градусов;
  • он довольно мало весит, поэтому с ним легче работать;
  • внутри нет масла и разного вида жидкостей;
  • большая длина провода, что облегчает работу;
  • устойчив к низким температурам. Кабель можно прокладывать при −25 градусах.
Конструкция изделия

Минусы СПЭ:

  • поскольку модель новая, то ни у кого нет опыта прокладки и отзывов по эксплуатации;
  • во время работы могут возникать повреждения, для исключения которых необходимы затраты при последующем планировании проводов;
  • в отличие от других моделей, кабель СПЭ имеет высокую цену. Это происходит, потому что при производстве используется дорогое сырье.

Технические характеристики

Основные технические параметры представлены в таблицы, еще больше можно прочесть в спецификации изделия:

Минимальное переменное напряжение, кВ9,5
Температура работы кабеля85-90 градусов
Максимальная температура работы140 градусов
Критическая температура кабеля во время КЗ260 градусов
Оптимальная температура при прокладке кабеля-20 градусов
Разрешенное число загибов (в диаметрах)14 наружных
Срок эксплуатации30-35 лет
Расшифровка маркировки

Маркировка

Символы, которыми обозначают СПЭ модели:

  • А — жила выполнена из алюминия, если буквы нет, то из меди;
  • Пв — полиэтиленовая изоляция;
  • П — обозначение слоя из полиэтилена;
  • Пу — слой из полиэтилена повышенной плотности;
  • В — внутренний ПВХ слой;
  • Внг-Ls — указывает на то, что оболочка устойчива к возгораниям;
  • 2г — двойная герметизация провода.

При покупке изделия необходимо читать спецификацию, где полностью описаны все марки.

Сфера применения кабеля СПЭ

Такие модели изделия в основном используют в кабельных каналах распределительных электрических линий, которые могут:

  • передавать высокую электрическую мощность;
  • создать повышенный класс надежности передачи электроэнергии по кабельным контурам;
  • выполнить схему линий электропередачи с высоким классом экологической и пожарной безопасности.
Опоры при прокладке кабельных линий

Многожильные провода с маркировкой ПвП, АПвП, ПвПу и АПвПу желательно использовать при установке кабельной линии в почти независимой от уровня коррозионной деятельности грунтов.

Разрешается прокладка этих моделей по воздуху, но при условии выполнения дополнительной защиты от возникновения пожаров и коротких замыканий.

Провода указанных моделей с приставками «г» и «2г» используются для прокладки в почве, в воде (в несудоходных озерах, реках) при соблюдении правил, исключающих механические дефекты изделий.

Также модели СПЭ кабелей используются для прокладки на сложных территориях кабельных дорог, в которых есть:

  • больше трех разворотов под углом больше 30 градусов;
  • прямолинейные зоны с тремя переходами или больше, в туннелях от 20 м;
  • выше двух трубных проходов от 35 метров и больше.
Процесс прокладки в туннеле

Правила прокладки кабеля из сшитого полиэтилена

СПЭ провода желательно прокладывать при нулевой температуре в окружающей среде. Разрешается проводить работы с изоляцией СПЭ без прогрева при температуре окружающей среды до −20 градусов. Желательно, чтобы была дополнительная защита из ПВХ.

Если температура достаточно низка и сильные морозы, то перед работой изделие нужно прогреть в помещении в течении двух суток, для этого есть специальный прибор. В таком случае на прокладку отводится примерно 45 минут.

По окончанию работы провод должен быть быстро засыпан первым слоем земли. Последнюю засыпку и уплотнение почвы выполняют после охлаждения изделия.

СПЭ в разрезе

Внимание! При температуре −40 и ниже работы производить категорически запрещено.

Разрешенный радиус загиба провода с изоляцией из СПЭ материалов при работе должен составлять не меньше 14 диаметров для моножильных и трехжильных изделий и 10 для трех соединенных вместе одножильных проводов.

Если необходимы загибы, то в их местах нужно нагреть изделие до 25 градусов, чтобы облегчить процесс.

Изделия СПЭ типа необходимо прокладывать с запасом по длине в 0.9 %. В туннелях и внутри помещений запас провода делается в виде зигзага, а по кабельным каналам этот запас делается с небольшим провисанием. Прокладывать изделие в виде колец недопустимо.

При работе необходимо выкладывать провод подальше от острых камней или инструментов, так как они могут нанести механические повреждения оболочке.

Правильное хранение

Важно! При покупке изделия желательно попросить у продавца лицензию и узнать срок гарантии. Если он меньше двух лет, то, возможно, это подделка. Опытные мастера рекомендуют не экономить на таких вещах. Провод прокладывается на многие годы, а дешевое изделие может привести к коротким замыканиям или пожарам. 

В заключение необходимо отметить, что хоть кабель СПЭ относительно новый, он уже зарекомендовал себя на крупных промышленных объектах. В отличие от ВВГ типов, он имеет довольно много преимуществ.

Характеристики изоляционных кабелей из сшитого полиэтилена

Эффект поперечной сшивки

XLPE — признанная аббревиатура для сшитого полиэтилена. Этот и другие сшитые синтетические материалы, из которых EPR (этиленпропиленовый каучук) является заметным примером, все чаще используются в качестве кабельных изоляторов для широкого диапазона напряжений.

Характеристики кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена в соответствии со стандартами Великобритании (на фото: алюминиевый кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена толщиной 10 кВ)

Полиэтилен обладает хорошими электрическими свойствами и, в частности, низким коэффициентом диэлектрических потерь, который дает ему потенциал для использования при гораздо более высоких напряжениях, чем ПВХ. Полиэтилен был и остается в качестве кабельного изолятора, но в качестве термопластичного материала его применение ограничено тепловыми ограничениями .

Сшивание — это эффект, создаваемый вулканизацией резины, а для материалов, таких как XLPE, процесс сшивания часто описывается как «вулканизация» или «отверждение». Небольшое количество химических добавок к полимере позволяет сшивать молекулярные цепи в образование решетки путем соответствующей обработки после экструзии.

Эффект сшивания заключается в том, чтобы ингибировать движение молекул друг относительно друга при стимуляции тепла, что дает улучшенную стабильность при повышенных температурах по сравнению с термопластичными материалами. Это позволяет повысить рабочие температуры, как при нормальной нагрузке, так и в условиях короткого замыкания, так что кабель XLPE имеет более высокий номинальный ток, чем эквивалентный аналог ПВХ.

Следует также учитывать эффекты старения, ускоряемые повышенной температурой, но в этом отношении также имеет хорошие характеристики XLPE .

BS 5467 определяет конструкцию и требования к кабельным кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена и ЭПР с напряжением до 3, 3 кВ. Конструкция в основном похожа на конструкцию кабелей ПВХ на BS 6346, за исключением разницы в изоляторе. Из-за повышенной вязкости XLPE толщина изоляции немного снижена по сравнению с ПВХ.

33kV кабель XLPE (фото кредит: openelectrical.org)

Стандарт также охватывает кабели с изоляцией HEPR (твердый этиленпропиленовый каучук), но наиболее широко используется XLPE. От 3, 8 кВ до 33 кВ, изоляционные кабели XLPE и EPR покрываются BS 6622, который определяет конструкцию, размеры и требования.

Полимерные формы изоляции кабелей более восприимчивы к электрическим разрядам, чем пропитанная бумага, и при более высоких напряжениях, где электрические напряжения достаточно велики для ускорения разряда, важно минимизировать газовые пространства внутри изоляции или на ее внутренней и внешней поверхностях.

С этой целью кабели XLPE для 6, 6 кВ и выше имеют полупроводниковые экраны над проводником и над каждым изолированным сердечником. Экран проводника представляет собой тонкий слой, экструдированный в той же операции, что и изоляция и сшитый с ним, так что эти два компонента тесно связаны. Экран над сердечником может быть аналогичным экструдированным слоем или слоем полупроводниковой краски с нанесенной поверх нее полупроводниковой лентой.

Используются одножильные и трехжильные конструкции, и существует возможность для конструктивных изменений в зависимости от условий использования, при условии, что сердечники окружены индивидуально или в виде трехжильного узла металлическим слоем, который может быть броней, оболочкой или медной проволокой или лентами.

Типичная бронированная конструкция, которая поставляется в значительных количествах, показана на рисунке 1 ниже.

Рисунок 1 — Конструкция кабеля XLPE

Где:

  1. Круговой многожильный проводник
  2. Полупроводниковый экран XLPE
  3. Изоляция XLPE
  4. Экран полупроводниковой ленты
  5. Экран медной ленты
  6. ПВХ-наполнитель
  7. связующее вещество
  8. Экструдированная оболочка из ПВХ
  9. Оцинкованная стальная проволочная броня 10. Экструдированный каркас из ПВХ

В Великобритании этот тип кабеля, в основном в одноядерном виде, предпочтительнее для кабелей электростанций, где важны легкость и удобство завершения. Трехъядерные конструкции также используются для материалов сайта.

Подземные кабели с прямой подкачкой

Для подземного распределения при напряжении 11 кВ кабель XLPE экономически не конкурирует с кабельным кабелем с алюминиевой оболочкой с бумажной изоляцией, но в процессе подготовки к любым изменениям в этой ситуации выполняется работа по стандартизации и оценке конструкции кабеля из сшитого полиэтилена, включая пробные установки. За рубежом, где обстоятельства различны, кабель XLPE является типом в основном спросе.

Поскольку производственные мощности, все более ориентированные на этот рынок, изоляционные кабели из сшитого полиэтилена составляют значительную часть производства в Великобритании.

Проволока с двойным сердечником из XLPE

Ссылка: Newnes Electrical Pocket Book — EA Reeves DFH (с отличием), CEng, MIEE Martin J. Heathcote BEng, CEng, FIEE

Связанные электрические направляющие и изделия

Кабель из сшитого полиэтилена

— рабочие характеристики Провода и кабель

Кабель из сшитого полиэтилена

(сшитый полиэтилен) представляет собой гидравлическую трубку, изготовленную из полиэтиленового пластика с трехмерной молекулярной связью, которая создается внутри структуры пластика. Эта молекулярная связь улучшает ряд свойств, таких как тепловая деформация, истирание, химическая стойкость и устойчивость к растрескиванию под напряжением. Производственный процесс сшивания также приводит к увеличению низкотемпературных свойств, ударной прочности и прочности на разрыв, а также к снижению усадки.Кабельные трубки из сшитого полиэтилена обладают характеристиками памяти формы, которым требуется только тепло, чтобы вернуть им первоначальную форму.

XLPE Quote

XLPE начинает набирать популярность во многих отраслях промышленности. В настоящее время сшитый полиэтилен преобладает в системах трубопроводов зданий, системах водяного отопления и охлаждения, в трубопроводах бытового водоснабжения и изоляции для электрических кабелей высокого напряжения. Природный газ, морские нефтяные месторождения, транспортировка химикатов и транспортировка сточных вод и шламов также используют сшитый полиэтилен.

Кабель из сшитого полиэтилена Основные преимущества и особенности

  • Высокая и низкая температура
  • Устойчивость к гидролизу
  • Высокие электрические и изоляционные свойства
  • Высокая стойкость к истиранию
  • Допуск для питьевой воды
  • Высокая скорость экструзии на стандартных линиях
  • Более низкая стоимость
  • Механически более прочный

Performance Wire and Cable фокусируется на использовании сшитого полиэтилена для изоляции наших кабелей USE-2, RHW-2 и RHH.Поставляемые нами трубы из сшитого полиэтилена используются для обеспечения прочной, долговечной и теплопроводящей изоляции вокруг наших кабелей. Наши кабели USE-2, RHW-2 или RHH используются в кабельных каналах, каналах, прямом заглублении и в воздушных установках. Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена имеют номинальную максимальную температуру жилы 90 градусов Цельсия и аварийную нагрузку до 140 градусов Цельсия, в зависимости от используемого стандарта. Технология сшивки позволяет кабелям выдерживать ток короткого замыкания 250 градусов Цельсия.Для получения дополнительной информации о наших предложениях по изоляции просмотрите каждый продукт справа или свяжитесь с нами сегодня.

Кабель из сшитого полиэтилена и часто задаваемые вопросы (FAQ)

Performance Wire and Cable — ведущий производитель и поставщик многих различных типов кабелей, включая кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена. Поскольку изоляция из сшитого полиэтилена становится все более и более популярной, будет правильным обучать людей как внутри, так и за пределами отрасли производства проводов и кабелей.

Щелкните вопросы ниже, чтобы перейти непосредственно к ответу.

Что такое кабель из сшитого полиэтилена?

Каковы преимущества сшитого полиэтилена?

Когда следует использовать кабель из сшитого полиэтилена?

В чем разница между изоляцией из сшитого полиэтилена и изоляцией из ПВХ?

Какие бывают типы кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена?

Где заказать кабель из сшитого полиэтилена?


Что такое кабель из сшитого полиэтилена?

Кабель из сшитого полиэтилена означает кабель из сшитого полиэтилена. Это гидравлическая трубка, изготовленная из полиэтиленовой пластмассы. XLPE имеет трехмерную структуру молекулярных связей и характеристики памяти формы.

Каковы преимущества сшитого полиэтилена?

Изоляция из сшитого полиэтилена работает как при высоких, так и при низких температурах. Благодаря своей структуре сшитый полиэтилен чрезвычайно устойчив к истиранию и прочему износу. Он также может похвастаться стойкостью к электричеству высокого напряжения, химикатам и другим опасным материалам. Утеплитель из сшитого полиэтилена также является более доступным вариантом.

Когда следует использовать кабель из сшитого полиэтилена?

Этот вопрос задают так часто, что он получил отдельную запись в блоге! Ознакомьтесь с разделом «Применение сшитого полиэтилена.”

Короче говоря, кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена должен использоваться в отраслях, где провода и кабели подвергаются воздействию:

  • Экстремальные температурные условия (высокие и низкие)
  • Электрические приложения высокого напряжения
  • Истирание и нагрузки
  • Вода и другие жидкости
  • Химические вещества и другие опасные материалы

Кабель из сшитого полиэтилена может использоваться в водопроводе, горнодобывающей промышленности и в различных электрических системах. Кабели из сшитого полиэтилена также можно найти в химической промышленности и в сфере отопления коммерческих и жилых помещений.Не забывайте о стоматологических кабинетах и ​​других медицинских учреждениях, уходе за территориями стадионов и других площадок и многом другом.

В чем разница между изоляцией из сшитого полиэтилена и изоляцией из ПВХ?

XLPE, как объяснено выше, представляет собой сшитый полиэтиленовый материал. ПВХ — изоляция из поливинилхлорида.

Основное различие между ними заключается в том, что сшитый полиэтилен может использоваться как для высокого, так и для низкого напряжения. Его структура обеспечивает высокую устойчивость к истиранию, нагрузке и прочему износу.Изоляция ПВХ не выдерживает такого большого давления, поэтому она подходит только для приложений с низким напряжением.

Другие отличия:

  • Изоляция из сшитого полиэтилена обычно служит дольше, чем изоляция из ПВХ
  • Поскольку сшитый полиэтилен не содержит хлоридов, он более безопасен для окружающей среды
  • Изоляция из сшитого полиэтилена может выдерживать более высокие температуры
  • Сшитый полиэтилен обладает большей влагостойкостью

Какие бывают типы кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена?

Performance Wire and Cable использует изоляцию из сшитого полиэтилена на проводах USE-2, кабелях RHW-2 и кабелях RHH.

Где заказать кабель из сшитого полиэтилена?

Прямо здесь! Компания Performance Wire and Cable предлагает различные типы кабелей из сшитого полиэтилена. Свяжитесь с нами сегодня или позвоните нам. Наши специалисты по проводам и кабелям помогут вам определить, какой кабель из сшитого полиэтилена идеально подходит для вашей следующей работы.

Получите бесплатное ценовое предложение Позвоните нам сегодня

Исследование механических, физико-химических и электрических свойств кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена при термическом старении

Стабилизация кабелей из сшитого полиэтилена (сшитый полиэтилен) имеет решающее значение для безопасная работа энергосистем.Чтобы исследовать характеристики старения изоляции кабеля в процессе эксплуатации, кабели из сшитого полиэтилена 10 кВ подвергали термическому старению при переменном напряжении 26,1 кВ и трех температурах: 103 ° C, 114 ° C и 135 ° C. Образцы кабелей на пяти стадиях старения были разрезаны на кусочки и испытаны для определения их механических, физико-химических свойств и диэлектрической прочности. Изменения этих свойств были проанализированы с точки зрения времени старения. Механическая прочность и время индукции окисления имеют одинаковую тенденцию к уменьшению, поскольку химические связи изоляционного материала кабеля разрушаются при старении кабеля из сшитого полиэтилена.Объемный заряд переменного тока имеет тенденцию к постепенному накоплению со временем старения. Напряженность поля пробоя после приложения переменного напряжения монотонно уменьшается со временем старения, что может быть характеристическим показателем для оценки степени деградации изоляции кабеля. Это исследование способствует пониманию механизма деградации и выявлению критериев оценки старения, что имеет большое значение при оценке свойств изоляции и обнаружении повреждений силовых кабелей.

1.Введение

Обычно используемые силовые кабели можно разделить по типу изоляции на категории кабелей с масляно-бумажной изоляцией, кабелей с резиновой изоляцией и кабелей с пластиковой изоляцией. Кабели с пластмассовой изоляцией можно разделить на кабели с изоляцией из поливинилхлорида (ПВХ), кабели с полиэтиленовой (PE) изоляцией и кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE). Из них кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена стали преобладающей разновидностью силовых кабелей. В последние годы они широко используются в системах передачи и распределения электроэнергии из-за относительно простого производственного процесса и их превосходных механических, электрических и тепловых характеристик [1, 2].Во время использования кабели подвергаются воздействию электричества, тепла, влаги и других факторов, возникающих в результате старения и ухудшения электрических характеристик. Это в конечном итоге приводит к поломке кабеля и может серьезно навредить безопасной и стабильной работе энергосистемы [3]. Следовательно, механизм деградации изоляции кабеля под воздействием электрических и тепловых воздействий важен при оценке степени деградации и обнаружения неисправностей в кабеле.

В лабораторных условиях метод ускоренного электротермического старения обычно используется для исследования характеристик старения изоляционных материалов [4].Был проведен ряд исследований эффектов ускоренного термического или электрического старения на пленочный материал из полиэтилена низкой плотности или сшитого полиэтилена. Было обнаружено, что часть образцов пленки для старения получена из горячего прессования порошка полиэтилена низкой плотности [5], а часть образцов пленки отрезана от реальной изоляции кабеля [6]. Процесс старения изоляции кабеля можно до некоторой степени смоделировать с помощью испытаний на старение пленочного материала PE. Есть некоторые экспериментальные результаты по термическому старению и электрическому старению.Shwehdi et al. исследовали термическое старение образцов ПВХ и СПЭ [7]. Бессисса и др. предложил метод нечеткой логики для прогнозирования срока службы кабеля при тепловом старении [8]. Zhan et al. исследовали взаимосвязь структурных изменений и диэлектрической прочности изоляции кабеля при термоокислительном старении [9]. Wang et al. и другие исследовали характеристики пространственного заряда пленок XPLE при длительном постоянном напряжении и высокой температуре [10].

Существуют некоторые различия в условиях старения материалов из полиэтиленовой пленки и коаксиальной изоляции кабеля из сшитого полиэтилена [11].В частности, поверхность пленочного материала при старении находится в прямом контакте либо с воздухом, либо с изоляционным маслом, в то время как изоляция кабеля изолирована от воздуха внешним экранирующим слоем. Это может привести к изменению механизма старения. Трудно отразить механизмы старения изоляции кабеля, проверяя только материал полиэтиленовой пленки. Поэтому важно изучить характеристики старения реальной коаксиальной изоляции кабеля. Montanari et al. в Болонском университете посмотрели на 1.Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена толщиной 5 мм и исследовали долгосрочное поведение кабеля при электротермическом старении. В эксперименте изучали метод определения плотности, энтальпии плавления, электрической прочности и СЭМ (растровый электронный микроскоп) [12, 13]. Однако кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена толщиной 1,5 мм имеет очень тонкую изоляцию и не подходит для систем распределения электроэнергии (изоляция с изоляцией из сшитого полиэтилена толщиной ≥6 кВ и толщиной 2,5 мм).

В настоящее время исследования старения изоляции кабелей ограничиваются одним методом старения, таким как электрическое старение или термическое старение [14, 15].Исследования старения изоляции кабелей при комбинированном электрическом и тепловом воздействии практически отсутствуют. Кроме того, объектом исследования старения изоляционного материала является не кабель, а нарезанный материал [16, 17], что может привести к отклонению от результата эксплуатации в полевых условиях. В настоящее время исследования по электротермическому старению кабелей передачи энергии остаются пустыми. Таким образом, механизм электротермического старения всего кабеля до сих пор не ясен. Следовательно, необходимы дальнейшие исследования для изучения механизма старения изоляции кабеля и предложения схемы раннего предупреждения о повреждении изоляции кабеля.

Для изучения механизма деградации силовых кабелей при комбинированном воздействии тепла и электричества мы провели испытание на электротермическое старение кабеля 10 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена, провели серию экспериментов на образцах кабелей при различном старении. этапов, проанализировали изменения механических свойств и исследовали физико-химические свойства и электрическую прочность в зависимости от времени старения.

2. Экспериментальное введение
2.1. Приготовление образца

Полиэтилен, сшитый пероксидом, изготовлен из полиэтилена низкой плотности, и его кристалличность ниже, чем у полиэтилена.Существует два типа сшивания полиэтилена: сшивание под действием излучения и сшивание пероксидом. Метод сшивки пероксидом превосходит сшивание с помощью излучения с точки зрения экономической эффективности и технологичности. Самым популярным сшивающим агентом является дикумилпероксид. В среде с высокой температурой и высоким давлением атомы водорода в цепи полиэтилена «ограблены», и молекулы полиэтилена, потерявшие атомы водорода, объединяются, что способствует образованию поперечных связей.Для испытания на старение использовался кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена напряжением 10 кВ, произведенный Qingdao Cable Limited by Share Ltd., с основной изоляцией из сшитого полиэтилена толщиной 4,5 мм. Производится методом перекисного сшивания. На рисунке 1 показано, как был приготовлен образец кабеля. Общая длина кабеля 340 мм. Левый и правый концы внешнего полупроводящего слоя были зачищены, обнажая изоляцию из сшитого полиэтилена длиной 90 ~ 100 мм. Искажение напряженности электрического поля под действием высокого напряжения переменного тока легко приводило к образованию корон на краю внешнего полупроводящего слоя, вплоть до возникновения пробоев.Чтобы создать однородное электрическое поле и предотвратить пробой, две стороны полупроводящего слоя были спроектированы и установлены на конусе напряжения. Распределение электрического поля до и после установки конуса напряжения показано на рисунке 2.



После того, как образцы корпуса кабеля на каждой стадии старения были извлечены, изоляционный слой кабеля был разрезан на тонкие срезы. чтобы сформировать петлю, как показано на рисунке 3. Все образцы взяты из центрального изоляционного слоя из-за различий между внутренним и внешним слоями кабеля в процессе производства, а также различий между внутренним и внешним слоями в условия электрического напряжения [18] в процессе старения.


2.2. Условия старения

XLPE — это тип полимера, состоящего из кристаллов и аморфной области. Его кристаллизационные свойства являются важным фактором старения диэлектрика и его характеристик переноса пространственного заряда [19]. Кристаллизационные свойства сшитого полиэтилена можно измерить с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) [20]. На рисунке 4 показана зависимость между скоростью потока и температурой, полученная при испытании DSC несостаренного кабеля из сшитого полиэтилена.После 10 ° C скорость теплового потока непрерывно снижается. Скорость теплового потока достигает пика около 103 ° C; после 103 ° C скорость постепенно увеличивается. Когда температура достигает 114 ° C, скорость теплового потока стабилизируется, что означает, что кристаллическая область образца полностью растрескивается после 114 ° C [21].


В этом исследовании мы выбираем три температуры старения и проводим сравнительное испытание на старение. Первый выбор температуры составляет 103 ° C, что является максимальной температурой дезагрегации кристаллической области колонки.Второй выбор температуры составляет 114 ° C, что является температурой полной дезагрегации кристаллической области колонки. Третий выбор температуры был 135 ° C, что является указанной температурой обработки термическим старением в IEC 60502-2-2005. В этом исследовании номинальное фазное напряжение кабеля составляло. Принимая во внимание время старения, максимальное напряжение, которое кабель мог выдержать, высокое давление корпуса конуса напряжения и длительную работу высоковольтного ввода, мы установили приложенное напряжение равным 26.1 кВ, что в 3 раза превышает номинальное напряжение.

Время электротермического старения было разделено на пять этапов. Температура времени выдержки образца и интервал времени отбора проб показаны в таблице 1. Схема устройства платформы для старения с электронагревом показана на рисунке 5.


Температура старения 103 ° C 114 ° C 135 ° C
Электрическое напряжение Напряжение переменного тока 26.1 кВ
Общее время старения (дни) 375 200 150
Интервал выборки (дни) 75 40 30
9001
2.3. Введение в эксперимент

Относительное удлинение при разрыве и предел прочности при растяжении — это два показателя, обычно используемые для отражения механических свойств изоляционных материалов. В соответствии с IEC 60811-1-1: 2001 («Общие методы испытаний изоляции и материалов оболочки электрических и оптических кабелей, часть 1-1: Общие методы испытаний — измерение толщины и размеров — испытание на механические характеристики»), удлинение при разрыве и Прочность на разрыв можно измерить с помощью универсальной электронной испытательной машины для микрокомпьютера CWT6502, а скорость на разрыв составляет мм / мин.

Дифференциальный сканирующий калориметр (DSC) может точно и удобно измерять время индукции окисления (OIT) кабелей из сшитого полиэтилена. При определенной температуре время индукции окисления относится к времени, когда испытуемый образец переключается из азотной среды в кислородную, ко времени, когда реакция окисления происходит автоматически. Начальной температурой эксперимента является комнатная температура, и температура повышается со скоростью 10 ° C / мин до 200 ° C.

Мы смогли проанализировать микроструктуру и информацию о ячейках кристалла с помощью рентгеновской дифракции кристаллов (XRD).В полукристаллических полимерах, таких как сшитый полиэтилен, кристалличность можно получить с помощью дифракции рентгеновских лучей. Условия испытания дифракции рентгеновских лучей: излучение CuK α (нм), напряжение трубки 40 кВ, ток трубки 30 мА, диапазон сканирования 10 ° ~ 30 °, скорость сканирования 4 ° / мин и отбор проб 0,02 °. Космос.

Изменение структуры анализировали путем получения характеристик инфракрасного спектра материала пика поглощения, содержащего функциональные группы [20, 22]. Образцы с разных стадий старения очищали безводным спиртом.После сушки при комнатной температуре они были помещены в инфракрасный спектрометр с преобразованием Фурье для тестирования. Условиями испытаний были число сканирований: 32, разрешение: 4 и диапазон волновых чисел: 4000 ~ 400.

Напряжение пробоя образца отражает диэлектрическую прочность. В этом исследовании использовались два метода для проверки напряжения пробоя образца кабеля. Первый метод соответствовал стандартному методу испытания напряженности поля пробоя IEC 60243-1-1998 («Методы испытаний на электрическую прочность изоляционных материалов»).В этом методе подавалось переменное напряжение 50 Гц, а скорость нарастания напряжения составляла 500 В / с [23]. Второй метод, называемый методом «пробивной прочности перед переменным напряжением», проверяет напряженность поля пробоя после приложения переменного напряжения. Перед испытанием на пробой к образцу прикладывали электрическое поле 40 кВ / мм в течение 4 часов. Затем на основе 40 кВ / мм при испытании на скорость увеличения напряжения 500 В / с был взят образец напряженности поля пробоя. Для исследования влияния заряда переменного тока, введенного в образец, и его влияния на напряженность поля пробоя, был использован метод пред-переменного напряжения пробоя.

Данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования, включены в статью.

3. Результаты и анализ
3.1. Механические свойства
3.1.1. Относительное удлинение при разрыве и предел прочности на разрыв

На рисунках 6 и 7 показано, что относительное удлинение при разрыве и предел прочности при растяжении стареющих образцов при трех температурах представляют собой аналогичное правило изменения — в целом, сначала наблюдается рост, а затем тенденция к снижению, поскольку время старения увеличивается. Относительное удлинение при разрыве и предел прочности при растяжении увеличиваются на первом этапе отбора проб, а затем они начинают снижаться на втором этапе.Относительное удлинение при разрыве и предел прочности на позднем старении ниже, чем у нестаренного образца. По мере увеличения температуры старения скорость уменьшения удлинения при разрыве и прочности на разрыв быстро уменьшается. На пятой стадии старения удлинение при разрыве образцов для старения снижается с 490% нестареющего образца до 281%, 325% и 376% при 103 ° C, 114 ° C и 135 ° C соответственно. Прочность на растяжение снижается с 20,0 Н / м 2 нестаренного образца до 17.7, 15,5 и 14,6 Н / м 2 , что свидетельствует о значительном снижении механической прочности.



На рисунках 6 и 7 показано, что правило изменения удлинения при разрыве и прочности на разрыв имеет изменяющуюся тенденцию: начальное увеличение с последующим уменьшением. На ранней стадии старения молекулы полиэтилена рекомбинируют, структура сетки укрепляется, а механическая прочность материала повышается. При среднем и позднем старении химическая связь разрыва кабеля из сшитого полиэтилена и сетевой структуры нарушается, что снижает механическую прочность материала.

3.2. Физико-химические свойства
3.2.1. Время индукции окисления

Время индукции окисления стареющих кабелей было проверено с помощью теста OIT, который может показать сопротивление окислению кабеля из сшитого полиэтилена. Как показано на Рисунке 8, по мере увеличения времени старения время индукции окисления в целом уменьшается. На ранних и средних стадиях старения тенденция к снижению очевидна. При позднем старении время индукции окисления немного увеличивается.


На ранних и средних стадиях старения есть две причины тенденции к снижению.По мере увеличения времени старения количество антиоксидантов, добавляемых в процессе производства, постепенно уменьшается, что снижает стойкость к окислению сшитого полиэтилена и время индукции окисления. При старении кабелей из сшитого полиэтилена химическая связь изоляционного материала кабеля разрушается. Макромолекулярные цепи разбиваются на небольшие молекулярные цепи, образуя большие разветвленные цепи и свободные радикалы, которые легко окисляются, поэтому время индукции окисления уменьшается. При позднем старении антиоксиданты почти полностью расходуются, а антиоксиданты мало влияют на устойчивость к окислению.Есть небольшие молекулярные цепи, которые легко рекомбинируются в большие молекулярные цепи, а большие молекулярные цепи нелегко окисляются. Следовательно, стойкость к окислению сшитого полиэтилена увеличивается, а время индукции окисления немного увеличивается. Время индукции окисления и относительное удлинение при разрыве и предел прочности при растяжении стареющих образцов при трех температурах представляют собой аналогичное правило изменения — есть тенденция к уменьшению с увеличением времени старения. Это показывает, что когда кабели из сшитого полиэтилена состарены, химическая связь кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена ломается, а структура сети повреждается, что снижает механическую прочность и стойкость материала к окислению.

3.2.2. Степень кристалличности

Нарезанные образцы стареющих кабелей были испытаны методом дифракции рентгеновских лучей. На рисунках 9 (a) –9 (c) показаны дифрактограммы рентгеновских лучей на разных стадиях старения образцов при 103 ° C, 114 ° C и 135 ° C.

Кривая XRD трех температур на каждой стадии старения имеет два дифракционных пика: около 21 ° есть пик, который соответствует плоскости кристалла (110); около 23 ° дифракционный пик соответствует плоскости (200). Положение дифракционного пика для каждой стадии старения не имеет очевидных изменений, что показывает, что кристаллическая форма остается прежней.Есть некоторое смещение и небольшие изменения межплоскостного расстояния.

Кристалличность может быть рассчитана по кривой XRD с использованием метода разделения пиков [24]. Мы использовали программное обеспечение для обработки рентгенограмм Jade5.0 и разделили аппроксимированные пики на кривой XRD, как показано на рисунке 9. Мы использовали формулу для расчета степени кристалличности при ее изменении с температурой; его кривая показана на рисунке 10.


Как показано на рисунке 11, при каждой из трех температур тенденция кристалличности сначала уменьшается, затем увеличивается, а затем снова уменьшается на стадиях старения, образуя N-образную форму. .На первом этапе кристаллизация уменьшается при каждой из трех температур. При более высоких температурах степень кристалличности снижается быстрее. На второй стадии старения степень кристалличности увеличивается. При 103 ° C и 135 ° C степень кристалличности снижается на третьей стадии старения. При 114 ° C степень кристалличности снижается на четвертой стадии старения. В нестаренных образцах кристалличность составляла 50,21% до пятой стадии старения. В состаренном образце кристалличность при 103 ° C, 114 ° C и 135 ° C соответственно снижается до 50.10%, 48,14% и 45,72%.


На ранней стадии старения степень кристалличности сначала снижается, а затем увеличивается. XLPE изготавливается из полиэтилена низкой плотности, который сшивается при высокой температуре. Молекулярные цепи полиэтилена не могут быть полностью сшиты из-за ограничений в производственном процессе. Большинство молекулярных цепей полиэтилена сшиты, образуя стабильную сшитую сетчатую структуру, которая дает аморфную область. Однако некоторые из молекулярных цепей полиэтилена не являются сшитыми — они заполняют пустоты в сетке между сшитым полиэтиленом.Полиэтилен низкой плотности (LDPE) — полукристаллический полимер. Кристаллическая структура LDPE представляет собой ламинированный слой, в котором длинная полимерная цепь образуется за счет параллельного складывания, а кристаллические области окружены аморфными областями. Молекулы несшитого полиэтилена вносят вклад в степень кристалличности. Рекомбинация молекулярных цепей полиэтилена играет важную роль на первой стадии старения, приводя к увеличению степени сшивки и соответствующему снижению доли несшитых сегментов, а также к снижению степени кристалличности.На второй стадии старения основную роль играет разрушение молекулярных цепей полиэтилена, что приводит к снижению степени сшивки и соответствующему увеличению доли несшитых сегментов, вызывая повышение степени кристалличности. . На поздней стадии старения при длительных эффектах старения высокотемпературного образца с высокой напряженностью поля кристаллическая структура кристаллических областей разрушается, и целостность кристаллических областей ухудшается. Это приводит к снижению степени кристалличности.Результаты экспериментов показывают, что при более высоких температурах старения происходит более серьезное повреждение кристаллической области на поздней стадии старения.

3.2.3. Инфракрасный спектр

Если в материале из сшитого полиэтилена присутствует большое количество молекул кислорода, таких как окислители, разветвленный алкил будет вступать в реакцию окисления при высоких температурах с образованием карбонильной группы. Карбонильные производные имеют характерный пик поглощения при 1720 см -1 . Из рисунков 12 (b) –12 (d) мы можем видеть, что при 1720 см -1 наблюдались явные пики поглощения в состаренных образцах кабеля.Это говорит о том, что большое количество карбонильных групп не образовывалось на разных стадиях старения при 103 ° C, 114 ° C и 135 ° C. На это есть две причины. Кабель на 10 кВ из сшитого полиэтилена присоединился к антиоксиданту в процессе производства, который препятствует окислению цепной реакции сшитого полиэтилена. Кроме того, внешний слой кабеля из сшитого полиэтилена плотно обернут изоляционным полупроводящим слоем, который изолирует его от воздуха. Усовершенствованная технология производства делает микроструктуру изоляционного материала плотной, уменьшает количество микроотверстий и снижает количество кислорода, воды и других примесей.Все эти факторы сводят к минимуму реакцию окисления. Результаты этого исследования показали, что после термического старения образца кабеля образование карбонила минимальное, а степень термического окисления низкая благодаря современной технологии производства.

3.3. Электрические свойства
3.3.1. Величина космического заряда при трех температурах

Объемный заряд тесно связан со свойствами старения материалов, а количество заряда отражает плотность ловушки [25].В этом эксперименте мы применяем новый метод обработки данных, метод среднего фазового среднего, который усредняет формы сигналов заряда 32 симметричных фаз, а форма волны пространственного заряда, полученная методом усреднения средней фазы, имеет очевидные характеристики. В этом разделе используются средние по фазе формы волны общего количества заряда при 6-часовом давлении переменного тока, чтобы отразить стадию старения кабеля. На рисунке 13 показаны средние по всем фазам формы волны кабеля при 103 ° C, 114 ° C и 135 ° C за 6 часов.

Согласно следующей формуле, рассчитывается общий объем пространственного заряда каждой волны на рисунке 13 и могут быть получены характеристики изменения общего объема объемного заряда переменного тока в зависимости от времени старения.На рисунке 14 изображена кривая средних по всем фазам сигналов участка кабеля при 103 ° C, 114 ° C и 135 ° C под давлением переменного тока в течение 6 часов.

Видно, что величина объемного заряда трех температур увеличивается со временем старения. Вначале объем пространственного заряда переменного тока немного уменьшился. Начиная со второй стадии, количество заряда постепенно увеличивалось, и количество объемного заряда на пятой стадии при каждой температуре было намного больше, чем количество заряда до старения.Это указывает на то, что количество дефектов в изоляционных материалах из сшитого полиэтилена уменьшается на ранней стадии старения и значительно увеличивается на средней и поздней стадиях старения.

После старения плотность захвата изоляции кабеля увеличивается, что улучшает способность изоляционной среды кабеля улавливать объемный заряд. Тест OIT также может показать, что химическая связь изоляционного материала кабеля разрывается, поэтому количество разветвленных цепей и свободных радикалов увеличивается, что увеличивает плотность захвата изоляции кабеля.По мере того, как старение углублялось, количество ловушек увеличивалось, а также количество электронов, остающихся в цикл-волне, и количество заряда, накопленного в течение длительного времени, что привело к увеличению способности накапливать заряд в электрической прочности. Накопление пространственного заряда вызвало искажение электрического поля, передачу и выделение энергии, в результате чего появилось больше ловушек. Следовательно, накопление заряда и увеличение плотности ловушек формируют положительную обратную связь, а объемный заряд переменного тока представляет собой тенденцию постепенного накопления со временем старения.

3.3.2. Диэлектрическая прочность

На рисунке 15 показаны образцы при 103 ° C, 114 ° C и 135 ° C с использованием традиционных методов определения напряженности поля пробоя. На рисунке показано, что в целом напряженность поля пробоя образцов уменьшается со временем старения с некоторыми колебаниями. На первых четырех стадиях пробоя напряженность поля постепенно уменьшалась при 103 ° C, но на пятой фазе увеличивалась. Напряженность поля пробоя попеременно увеличивается и уменьшается при 135 ° C. При 114 ° C напряженность поля пробоя сильно зависит от времени старения; на пятой стадии старения амплитуда напряженности поля пробоя несколько уменьшается по сравнению с нестаренным образцом.Следовательно, традиционный метод испытания прочности на пробой в зависимости от времени старения не приводит к немонотонному снижению и не может хорошо охарактеризовать степень старения.


В дополнение к традиционному методу проверки напряженности поля пробоя, мы также проверили напряженность поля пробоя после приложения переменного напряжения (пробивная прочность до переменного напряжения). На рис. 16 представлена ​​кривая изменения напряженности поля пробоя со временем старения. На этом рисунке можно видеть, что пробивная прочность образца перед переменным напряжением при трех температурах монотонно уменьшается со временем старения, и скорость уменьшения пропорциональна температуре старения.Это связано с тем, что объемный заряд переменного тока вводится внутрь материала и улавливается дефектами, возникающими при электротермическом старении. По мере увеличения степени старения в изоляции кабеля остается больше зарядов. Это искажает электрическое поле, что приводит к уменьшению напряженности поля пробоя. Наше исследование показывает, что корреляция между пробивной прочностью перед переменным напряжением и временем старения намного больше, чем у традиционной напряженности поля пробоя.Пробивная прочность перед переменным напряжением больше подходит для использования в качестве характеристического показателя степени старения изоляции кабеля.


4. Заключение

В этой статье кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 10 кВ были выдержаны при напряжении переменного тока 26,1 кВ и при трех температурах 103 ° C, 114 ° C и 135 ° C и испытаны на пяти этапах старения. для степени механической прочности, дифракции рентгеновских лучей, времени индукции окисления, инфракрасной спектроскопии, пространственного заряда и диэлектрической прочности. Путем анализа результатов этих экспериментов были получены следующие характеристики старения кабеля из сшитого полиэтилена: (1) Время индукции окисления и механические свойства имеют одинаковую тенденцию к изменению со временем старения, которое в целом уменьшается.Это явление может быть связано с разрывом химической связи кабеля из сшитого полиэтилена и повреждением сетевой структуры. При старении кабеля химическая связь изоляционного материала кабеля разрушается. Макромолекулярные цепи разбиваются на небольшие молекулярные цепи, образуя более разветвленные цепи и увеличивая количество свободных радикалов. Следовательно, механическая прочность ослабевает, а время окисления уменьшается. (2) Накопление заряда и увеличение плотности ловушки имеют положительную обратную связь, а объемный заряд переменного тока представляет собой тенденцию постепенного накопления со временем старения.После старения химическая связь изоляционного материала кабеля разрушается, поэтому образуются разветвленные цепи и свободные радикалы, что увеличивает плотность захвата изоляции кабеля (3). количество карбонильных групп. Это может быть вызвано двумя причинами: во-первых, в изоляционные материалы кабеля в процессе производства были добавлены антиоксиданты, которые сыграли роль в ингибировании реакции окисления; во-вторых, изоляционный слой кабеля из сшитого полиэтилена плотно обернут полупроводящим слоем; таким образом, он изолирован от кислорода воздуха.Усовершенствованная производственная технология делает микроструктуру изоляционного материала чистой и уменьшает количество микропор, которые могут обеспечивать место пребывания примесей, таких как кислород и вода. (4) Напряженность поля пробоя образца кабеля имеет тенденцию к уменьшению со временем старения. В частности, было обнаружено, что пробивная прочность перед переменным напряжением монотонно уменьшается, и скорость уменьшения пропорциональна температуре старения. Причина в том, что дефекты образуются в образцах кабеля при старении и захватывают объемный заряд в процессе приложения переменного напряжения, который искажает электрическое поле, поэтому прочность пробоя, очевидно, снизилась.Следовательно, пробивная прочность перед напряжением переменного тока может быть характеристическим показателем, отражающим степень деградации изоляции кабеля.

Доступность данных

Данные, используемые для подтверждения результатов этого исследования, включены в статью.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Это исследование финансировалось Национальным фондом естественных наук Китая (грант № 51907105) и Фондом естественных наук провинции Шаньдун (грант №ZR2019QEE013).

E84-P059-064_T11.indd

% PDF-1.3 % 1 0 объект >] / PageLabels 6 0 R / Pages 3 0 R / Type / Catalog / ViewerPreferences >>> эндобдж 2 0 obj > поток 2017-04-25T14: 47: 22 + 09: 002017-04-25T14: 47: 26 + 09: 002017-04-25T14: 47: 26 + 09: 00Adobe InDesign CC 2017 (Windows) uuid: dfcf3b31-9255-414d -80a7-0e297dfe7d14xmp.did: F87F117407206811958D90A86CA06A77xmp.id: 773d9e26-f43f-ef4c-9006-28669a09c57dproof: pdf1xmp.сделал: ead98494-d64e-5a49-8fb3-c75ac8e63207xmp.did: F87F117407206811958D90A86CA06A77 по умолчанию

  • преобразовано из приложения / x-indesign в приложение / pdfAdobe InDesign CC 2017 (Windows) / 2017-04-25 +: 47: 47 application / pdf
  • E84-P059-064_T11.indd
  • Библиотека Adobe PDF 15.0FalsePDF / X-1: 2001PDF / X-1: 2001PDF / X-1a: 2001 конечный поток эндобдж 6 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 8 0 объект > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text] / Properties> / XObject >>> / TrimBox [0.0 0,0 595,276 841,89] / Тип / Страница >> эндобдж 9 0 объект > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / TrimBox [0.0 0.0 595.276 841.89] / Type / Page >> эндобдж 10 0 obj > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / TrimBox [0.0 0.0 595.276 841.89] / Type / Page >> эндобдж 11 0 объект > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC / ImageI] / XObject >>> / TrimBox [0.0 0.0 595.276 841.89] / Type / Page >> эндобдж 12 0 объект > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / TrimBox [0.П37 \ 1 = T2! F 奉 6lx6q4t ܌ ‘e! _ƼEis ܼ m_m0eYeuj /} * f’j; Y; fyCva /’ ΌVYa R38g> GWYi9k ڛ cg3C {f󨲴f̛wgϠpj% Y6K% yM3_ ~, 91r> T dxt \ «5 ݬɭ57 oFj $ | 9_mnu {IX2 {0 ݎ & e`lIJ2 䄜

    Почему существуют токопроводящие кабели разных типов, такие как EPR, XLPE

    Что касается изоляционного материала кабелей, то некоторые кабели с изоляцией из EPR и XLPE имеют схожие свойства. В этом отношении существуют различные типы электрических кабелей, такие как ETFE, FP, HOFR, LSF, LSOH, MI, PILC, TRS, VR, CTS, CSP, PTFE и т. д.

    Однако может потребоваться приблизительное сравнение (изоляция) кабелей из ПВХ и сшитого полиэтилена, чтобы прояснить картину.
    1. Многожильные кабели в оболочке из ПВХ / SWA / ПВХ производятся всех размеров до 400 мм² в соответствии с BS 6346, допустимая рабочая температура до 70 ° C.
    2. Кабели из сшитого полиэтилена используются при макс. температура окружающей среды. 90 ° C и изготовлены в соответствии с BS 5467. Эти кабели обладают лучшими изоляционными качествами, чем ПВХ, и доступны с размерами до 400 мм² или 1000 мм², одножильные.

    Кабели обоих типов легко прокладывать и сгибать, и они имеют меньший радиус изгиба в 8 раз больше номинального диаметра.

    Эти различные типы кабелей основаны не только на изоляционном материале, но также классифицируются как кабели с алюминиевыми проводниками или медными проводниками. Тем не менее, каждый из них имеет свои собственные характеристики, которые могут соответствовать диапазону установки / применения, поскольку существует множество систем электропроводки, которые могут быть приняты. При выборе конкретного типа системы электропроводки необходимо учитывать множество факторов. E.г ….

    а. Ожидаются ли изменения и расширения. Также, будет ли он выполняться во время строительства, в завершенном проекте или как расширение существующей системы.
    б. Тип проекта / здания, функции, цели и условия окружающей среды.
    c. Ожидаемая продолжительность (время жизни) Установки.
    d. Требуемый макет, безопасность и ограничения.
    е. Осуществимость и стоимость

    В конце концов, я подтверждаю, что армированные кабели с изоляцией из ПВХ и сшитого полиэтилена теперь широко используются для фидеров, вспомогательных кабелей и промышленных установок.
    Такой кабель состоит из многожильных проводов, изолированных ПВХ или сшитым полиэтиленом, с оболочкой из ПВХ и броней из стальной проволоки (SWA), а также с оболочкой из ПВХ в целом.

    Оценка графена / сшитого полиэтилена для потенциальных применений изоляции кабелей постоянного тока высокого напряжения

    Тепловые характеристики

    Полученные кривые дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) образцов графена / сшитого полиэтилена (0%, 0,002%, 0,004%, 0,006%, 0,008% и 0,01%) показаны на рис. 1а. По результатам рассчитывается кристалличность образцов, которая представлена ​​на рис.1b, вместе со степенью сшивки образцов, измеренной гелевым методом 27 .

    Рисунок 1

    ( a ) Кривые ДСК образцов графена / сшитого полиэтилена (0%, 0,002%, 0,004%, 0,006%, 0,008% и 0,01%). ( b ) Кристалличность и степень сшивки образцов графена / сшитого полиэтилена (0%, 0,002%, 0,004%, 0,006%, 0,008% и 0,01%).

    На рис. 1а видно, что кривые ДСК образцов остаются в основном такими же, как только увеличивается добавка графена.Пики плавления на кривых мало изменяются и составляют около 103 ° C. Эта тенденция также проиллюстрирована на рис. 1b, поскольку кристалличность образцов остается стабильной при большем количестве легированного графена. Однако изменения в степени сшивания указывают на то, что включение графена увеличит термостабильность образцов из сшитого полиэтилена. Для образцов без графена средняя степень сшивки составляет 86,5%, что почти на 3,5% ниже, чем у образцов, легированных графеном. Таким образом, можно сделать вывод, что добавление графена дает лишь ограниченное улучшение тепловых характеристик смесей сшитого полиэтилена, главным образом, в отношении степени сшивания.

    Предел прочности на разрыв

    Предел прочности на разрыв образцов графена / сшитого полиэтилена (0%, 0,002%, 0,004%, 0,006%, 0,008% и 0,01%) показан на рис. 2а, где можно наблюдать очевидное увеличение по мере добавления графена увеличивается. Для чистого образца сшитого полиэтилена его средняя прочность на разрыв составляет 17,1 МПа. При легировании графена 0,002 мас.%, 0,004 мас.%, 0,006 мас.% И 0,008 мас.% Графена прочность изменяется до 17,7 МПа, 18,3 МПа, 18,6 МПа и 18,9 МПа соответственно. С другой стороны, по мере того, как содержание графена продолжает увеличиваться, предел прочности при растяжении постепенно стремится к определенному значению, что также видно из плоского хвоста кривой на рис.2а.

    Рисунок 2

    ( a ) Предел прочности при растяжении образцов графена / сшитого полиэтилена (0%, 0,002%, 0,004%, 0,006%, 0,008% и 0,01%). ( b ) и ( c ) Проводимость образцов графена / сшитого полиэтилена при постоянном токе при различных температурах (25 ° C, 40 ° C, 50 ° C, 60 ° C, 70 ° C): ( b ) температура как ось X, ( c ) содержание графена в качестве оси X.

    Повышение прочности на разрыв образцов из сшитого полиэтилена, легированного графеном, можно объяснить следующими факторами: (1) добавление наночастиц графена улучшает микроструктуру сшитого полиэтилена за счет минимизации размеров пустот / дефектов внутри образца и улучшает совмещение структурных элементов микроструктуры на всех этапах изготовления образцов из сшитого полиэтилена; и (2) графен служит в качестве армирующей фазы для дальнейшего улучшения механических свойств 28,29 .Атомистическое моделирование ReaxFF и крупномасштабное моделирование молекулярной динамики Gao et al. также выясняет способность графена изменять микроструктуру полимеров, способствуя благоприятному химическому составу краев и выравниванию полимерных цепей 30 .

    Проводимость по постоянному току

    На рис. 2b, c показана проводимость по постоянному току образцов графена / сшитого полиэтилена (0%, 0,002%, 0,004%, 0,006%, 0,008% и 0,01%) при различных температурах. На рис. 2b проводимость экспоненциально увеличивается с повышением температуры, тенденция к которой наблюдалась и хорошо объяснялась многими другими исследователями 31,32,33 .Однако на рис. 2в изменение проводимости с увеличением содержания графена практически не происходит. Отметим, что графен обладает высокой проводимостью, это незначительное изменение неожиданно.

    Чтобы объяснить это явление, необходимо учитывать теорию перколяции: когда содержание графена составляет 0,01%, наполнители хорошо диспергированы, а ближайшее расстояние между соседними наполнителями может достигать десятков микрометров, что указывает на то, что содержание наполнителя очень велико. ниже порога перколяции 34 .Поэтому предполагается, что проводящие пути носителей заряда не образуются, что приводит к постоянной проводимости.

    Распределение пространственного заряда

    На основе метода ПЭА, описанного в разделе, посвященном методам, было измерено распределение пространственного заряда образцов графена / сшитого полиэтилена (0%, 0,002%, 0,004%, 0,006%, 0,008% и 0,01%), результаты из которых показаны на рис. 3.

    Рис. 3

    Распределение пространственного заряда образцов графена / сшитого полиэтилена: ( a ) сшитый полиэтилен, ( b ) сшитый полиэтилен + 0.002 мас.% Графена, ( c ) XLPE + 0,004 мас.% Графена, ( d ) XLPE + 0,006 мас.% Графена, ( e ) XLPE + 0,008 мас.% Графена, ( f ) XLPE + 0,01 мас. % графена.

    Для образцов из чистого сшитого полиэтилена гетерозаряды резко накапливались вблизи катода, где только несколько гомозарядов появлялись вблизи анода. Между тем, плотность гетерозарядов, очевидно, увеличивалась со временем поляризации, тогда как плотность гомозарядов мало менялась.

    Для образцов графена / сшитого полиэтилена, однако, меньше гетерозарядов накапливается около катода по сравнению с образцами чистого сшитого полиэтилена.Плотность гетерозарядов значительно уменьшалась с увеличением содержания графена и достигла минимума при содержании графена 0,008%. Кроме того, плотность гомозарядов в образцах также постепенно уменьшалась с увеличением содержания графена и достигла минимального значения при том же содержании графена, а именно 0,008%.

    Вышеупомянутые явления показывают, что плотность гомозарядов в образцах графена / сшитого полиэтилена выше, чем в образцах чистого сшитого полиэтилена. Одна из возможных причин заключается в том, что зоны взаимодействия графен-полимер будут создавать глубокие ловушки между графеном и полиэтиленом, таким образом подавляя перенос носителей заряда, что приводит к накоплению больших количеств гомозарядов вблизи обоих электродов 35 .Это объясняет тенденцию изменения плотности объемного заряда при содержании графена ниже 0,008%. С другой стороны, по мере того, как содержание графена продолжает увеличиваться, перекрывающиеся участки зон взаимодействия графен-полимер будут обеспечивать пути с низким сопротивлением для электронов между молекулярными цепями, тем самым ускоряя перенос электронов через цепные барьеры и приводя к значительному количеству накопления объемного заряда в объеме полимера 36 . Таким образом, можно сделать вывод, что соответствующее количество наночастиц графена может улучшить распределение пространственного заряда с образцами из сшитого полиэтилена.

    Характеристики старения водяного дерева

    Водные деревья представляют собой дендритные пути, образованные в широком диапазоне гидрофобных полимерных изоляционных материалов при воздействии электрического напряжения и погружении в воду 37 . Это считается одним из основных факторов старения кабелей из сшитого полиэтилена, поскольку его образование в кабеле вызывает снижение напряжения пробоя изолирующего слоя кабеля 38,39 . В результате при разработке нано-диэлектрика графен / сшитый полиэтилен, который служит изоляционным материалом для силовых кабелей, следует также учитывать характеристики старения водяного дерева.

    Для этой цели были приготовлены образцы чистого сшитого полиэтилена и образцы с 0,007 мас.% Графена / сшитого полиэтилена, которые подверглись испытаниям на старение водяного дерева, соответственно. Испытательная платформа показана на рис. 7, где раствор NaCl 1,7 моль / л использовался для инициирования водяных деревьев на кончиках точечных отверстий глубиной 1,5 мм, внедренных на поверхность образца. Испытательное напряжение было установлено на 7,5 кВ среднеквадратического значения при частоте 400 Гц. Период выдержки водяного дерева был установлен на 30 дней. После испытания состаренные образцы сначала нарезали слайсером YD-2508, а затем окрашивали метиленовым синим для дальнейших микроскопических наблюдений.

    На рис. 4 показаны микроскопические изображения водных деревьев в срезе из чистого сшитого полиэтилена и среза 0,007 мас.% Графена / сшитого полиэтилена, соответственно. Увеличение составляло 64 раза для рис. 4a, c и 160 раз для рис. 4b, d. Результаты следующие:

    Рисунок 4

    ( a ) и ( b ) Морфология водяного дерева в образцах чистого сшитого полиэтилена. ( c ) и ( d ) Морфология водяного дерева в образцах с 0,0007 мас.% Графена / сшитого полиэтилена.

    На рис. 4a, b ветви водяного дерева относительно рассредоточены, тогда как более длинные ветви распределены на кончике точечного отверстия.Между тем, более одной трети поверхности кончика точечного отверстия покрыто ветвями с радиальной тенденцией роста, и направление роста в основном соответствует направлению электрического поля. По сравнению с рис. 4a, b, количество ветвей водяного дерева на рис. 4c, d значительно меньше. Хотя большое количество ответвлений концентрируется в небольшой области кончика точечного отверстия, ответвления на других участках кончика немногочисленны. Кроме того, направление роста ветвей водяного дерева в образцах графена / сшитого полиэтилена относительно случайно.Вся форма водяного дерева более неправильная, чем в образцах из чистого сшитого полиэтилена.

    Чтобы лучше количественно оценить результаты теста на старение водяного дерева, мы измерили длину ветвей водяного дерева в срезе из чистого сшитого полиэтилена и среза 0,007 мас.% Графена / сшитого полиэтилена и рассчитали их среднее значение соответственно. Результаты показали, что средняя длина дерева в 0,007 мас.% Среза графена / сшитого полиэтилена составляет 85,6 мкм, что значительно (16,2 мкм / 15,9%) меньше, чем 101,8 мкм в срезе из чистого сшитого полиэтилена. Все приведенные выше экспериментальные результаты показывают, что наночастицы графена могут эффективно ингибировать рост водных деревьев в XLPE.

    Чтобы объяснить ингибирующее действие наночастиц графена, нам необходимо сосредоточить внимание на процессах зарождения и роста водных деревьев, которые, согласно известным исследованиям, вызваны усталостью материала. Между тем, усталость в основном объясняется двумя факторами: электрическим напряжением и химической коррозией 40,41 .

    Электрическое напряжение вызывает водяное дерево по следующим причинам. После того, как изолирующий материал погрузится в воду, он будет деформироваться в направлении силы электрического поля, при этом его форма изменится с сферической на эллипсоидальную.Деформированные капли воды будут воздействовать на материал экструзионным усилием. Когда давление превышает растягивающее напряжение материала, молекулярная цепочка последнего разрывается, что приводит к образованию субмикрополостей (диаметр около 0,1–5 мкм) и микроканалов (диаметр около 100 нм), как показано на Рис. 5. Впоследствии вода заполнит полости и каналы. Вышеупомянутый процесс повторяется многократно, в результате чего образуются водяные деревья.

    Рисунок 5

    Модель водяных деревьев в виде трещин и пустот в изоляционном полимере.

    С другой стороны, водяное дерево, вызванное химической коррозией, в основном учитывает эффекты окисления и ионного электроосмоса. Когда вода погружает материал, также вводится оксид. Затем окисление полимера будет происходить на стенке некоторых изолированных микрополостей, которые в конечном итоге образуют субмикрополости в аморфной области материала. Между тем, ионы, растворенные в воде, также будут мигрировать и вызывать эффект электроосмоса внутри материала, что приводит к образованию микроканалов.Эти каналы вместе с полостями, образованными в процессе окисления, образуют водяные деревья в изоляционных материалах.

    Теперь мы рассмотрим влияние наночастиц графена на два вышеупомянутых процесса. На рис. 6а показаны механические свойства образца чистого сшитого полиэтилена и образца 0,007 мас.% Графена / сшитого полиэтилена. Совершенно очевидно, что наночастицы графена увеличивают предел текучести сшитого полиэтилена на 5,5%, с 10,99 МПа до 12,69 МПа. Это предсказуемо, поэтому внедрение материалов с высокой жесткостью в полимеры приводит к увеличению жесткости материала, обеспечивая перераспределение напряжений от низкомодульной матрицы к высокомодульной фазе наполнителя 42 .Поскольку водяное дерево, вызванное электрическим напряжением, тесно связано с пределом текучести материала, маловероятно, что водяные деревья растут в образцах графена / сшитого полиэтилена.

    Рисунок 6

    ( a ) Механические свойства образца чистого сшитого полиэтилена и образца 0,007 мас.% Графена / сшитого полиэтилена. ( b ) Иллюстрация блокирующего эффекта наночастиц графена на миграцию воды в XLPE.

    Между тем, гидрофобный графен подавляет рост водяного дерева, также препятствуя миграции воды в образце из сшитого полиэтилена.Как показано на рис. 6b, когда в образцах из сшитого полиэтилена нет легированного графена, влага будет мигрировать по внутренним трещинам внутри образца, унося с собой оксид и ионы. Однако при добавлении достаточного количества наночастиц графена внутренние трещины СПЭ будут заблокированы графеном, что затрудняет продвижение воды вперед, тем самым ослабляя транспортировку оксида и ионов. Возникновение и рост водных деревьев в образцах графена / сшитого полиэтилена в конечном итоге подавляется.

    Исследование характеристик плавления кристаллов в термически состаренной изоляции кабеля из сшитого полиэтилена при повышенной температуре

  • 1.

    В. Инглунд, Р. Хуува, С.М. Губанский, Т. Хертберг, Синтез и эффективность стабилизаторов напряжения для изоляции кабелей из сшитого полиэтилена. IEEE Trans. Dielectr. Электр. Insul. 16 (5), 1455–1461 (2009)

    CAS Статья Google ученый

  • 2.

    J.Y. Ли, Х. Ли, Ф.С. Чжоу, С. Ван, Дж. К. Чжао, Б. Оуян, Катализируемое медью окисление, вызванное примесями, богатыми медью, в изоляции кабеля из сшитого полиэтилена. J. Mater.Sci. Матер. Электрон. 27 (1), 806–810 (2016)

    CAS Статья Google ученый

  • 3.

    H. Li, J.Y. Ли, W.W. Ли, X.T. Чжао, Г.Л.Ванг, М.А.Алим, Фрактальный анализ боковых каналов для пробойных структур в изоляции кабелей из сшитого полиэтилена. J. Mater. Sci. Матер. Электрон. 24 (5), 1640–1643 (2013)

    CAS Статья Google ученый

  • 4.

    Дж. Муччигроссо, П. Дж. Филлипс, Морфология сшитой полиэтиленовой изоляции. IEEE Trans. Электр. Insul. EI-13 , 172–178 (1978)

    CAS Статья Google ученый

  • 5.

    Дж. П. Джонс, Дж. П. Ллевеллин, Т. Дж. Льюис, Вклад морфологических изменений, вызванных полем, в электрическое старение и разрушение полиэтилена. IEEE Trans. Dielectr. Электр. Insul. 12 (5), 951–966 (2005)

    CAS Статья Google ученый

  • 6.

    П.С. He, Структура и свойства полимеров (Alpha Science International Ltd, Великобритания, 2014).

    Google ученый

  • 7.

    J.Y. Ли, Ф.С. Чжоу, доктор медицины Мин, С. Ли, Р. Ся, Энергетическое распределение захваченных зарядов в полимерах на основе модели распада изотермического поверхностного потенциала. IEEE Trans. Dielectr. Электр. Insul. 22 (3), 1723–1732 (2015)

    CAS Статья Google ученый

  • 8.

    J.Y. Ли, Х. Ли, К.М. Wang, X. Zhang, B.H. Оуян, Дж. Чжао, Ускоренная неоднородная деградация изоляции из сшитого полиэтилена, вызванная примесями, богатыми медью, при повышенной температуре. IEEE Trans. Dielectr. Электр. Insul. 23 (3), 1789–1797 (2016)

    CAS Статья Google ученый

  • 9.

    Неджар М. Влияние термического старения на электрические свойства сшитого полиэтилена. J. Appl. Polym. Sci. 111 (4), 1985–1990 (2009)

    CAS Статья Google ученый

  • 10.

    A.S. Се, С. Ли, X.Q. Чжэн, Исследования электрических деревьев во внутреннем слое изоляции кабеля из сшитого полиэтилена. IEEE Trans. Dielectr. Электр. Insul. 17 (3), 685–693 (2008)

    Статья Google ученый

  • 11.

    Б. Ларби, Б. Ахмед, Л. Кристиан, Л. Мухамед, Наблюдения за структурными изменениями при термическом старении сшитого полиэтилена, используемого в качестве изоляции силовых кабелей. Иран. Polym. J. 17 (8), 611–624 (2008)

    Google ученый

  • 12.

    А. Цимас, С.М. Роуленд, Л.А. Диссадо, Влияние электрического и теплового напряжения на ловушки заряда в изоляции кабеля из сшитого полиэтилена. IEEE Trans. Dielectr. Электр. Insul. 19 (6), 2145–2154 (2012)

    Статья Google ученый

  • 13.

    Флори Дж. Конфигурация реальных полимерных цепей. J. Chem. Phys. 17 (17), 303–310 (1951)

    Google ученый

  • 14.

    Х. Ли, Дж. Я. Ли, Ю. Ма, К. Ван, Б. Оуян, Роль термоокислительного старения при различных температурах на кристаллической структуре сшитого полиэтилена. J. Mater. Sci. Матер. Электрон. 29 (5), 3696–3703 (2018)

    CAS Статья Google ученый

  • 15.

    Y. Xu, P. Luo, M. Xu, T.X. Sun, Исследование морфологической структуры изоляционного материала списанных кабелей 110 и 220 кВ из сшитого полиэтилена для повторного использования.IEEE Trans. Dielectr. Электр. Insul. 21 (4), 1687–1696 (2014)

    Статья Google ученый

  • 16.

    Р.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    2021 © Все права защищены.