Изоляция из сшитого полиэтилена

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Физико-химические процессы, происходящие при сшивке полиэтилена

2. Преимущества кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена

Введение

Мировые тенденции развития кабельных энергораспределительных сетей среднего напряжения в течение последних десятилетий направлены на внедрение кабелей с теплостойкой экструдированной изоляцией (сшитый полиэтилен и этилен-пропиленовая резина) и замену ими кабелей с бумажной пропитанной изоляцией. В настоящее время в промышленно развитых странах Европы и Америки практически 100% рынка силовых кабелей занимают кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Переход от кабелей с бумажной пропитанной изоляцией (БПИ) к кабелям с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), связан со всё возрастающими требованиями эксплуатирующих организаций к техническим параметрам кабелей. В этом отношении преимущества кабелей из СПЭ очевидны.

Перечислим только некоторые из них:

· высокая пропускная способность;

· низкий вес, меньший диаметр и радиус изгиба;

· низкая повреждаемость;

· полиэтиленовая изоляция обладает малой плотностью, малыми значениями относительной диэлектрической проницаемости и коэффициента диэлектрических потерь;

· прокладка на сложных трассах;

· монтаж без использования специального оборудования;

· значительное снижение себестоимости прокладки.

Применение данных кабелей по сравнению с традиционными в поливинилхлоридной изоляции позволяет:

· Использовать жилы меньшего сечения для передачи равного потока;

· Увеличить длительно допустимую температуру нагрева жил кабелей до 90°С;

· Увеличить длительно допустимую температуру нагрева жил кабелей при коротком замыкании до 250°С.

Своими уникальными свойствами кабели с изоляцией из СПЭ обязаны применяемому изоляционному материалу. Полиэтилен в настоящее время является одним из наиболее применяемых изоляционных материалов при производстве кабелей. Но изначально термопластичному полиэтилену присущи серьезные недостатки, главным из которых является резкое ухудшение механических свойств при температурах, близких к температуре плавления. Решением этой проблемы стало применение сшитого полиэтилена.

Конструкция кабелей с изоляцией из СПЭ значительно отличается от традиционных кабелей с бумажной изоляцией. Кабели выпускаются с многопроволочной круглой медной или алюминиевой жилой, 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.

По сумме факторов, кабели с изоляцией из СПЭ более надежны в эксплуатации, требуют меньших расходов на монтаж, реконструкцию и содержание кабельных линий. Это подтверждено почти сорокалетним опытом эксплуатации таких кабелей в большинстве промышленно развитых стран. Например, по данным зарубежных источников, процент электрических пробоев кабелей с изоляцией из СПЭ на два-три порядка меньше, чем у кабелей с БПИ.

Применение кабелей с изоляцией из СПЭ позволяет решить многие проблемы по надежности электроснабжения, оптимизировать, а в некоторых случаях даже изменить традиционные схемы сетей. Сейчас в США и Канаде доля кабелей с изоляцией из СПЭ составляет 85%, в Германии и Дании -- 95%, а в Японии, Франции, Финляндии и Швеции в распределительных сетях среднего напряжения используется только кабель с изоляцией из СПЭ.

1. Физико-химические процессы, происходящие при сшивке полиэтилена

Сшивкой полиэтилена называют физический процесс, который модифицирует внутреннюю молекулярную структуру материала без изменения химического состава вещества. Делается это для того, чтобы придать материалу новые, полезные физические свойства, позволяющие существенно расширить сферы его применения.

Говоря сухим научным языком, сшивка полиэтилена - это процесс связки звеньев его молекул в широкоячеистую трехмерную сетку, путём образования поперечных связей. Звучит непонятно? На самом деле всё просто, давайте рассмотрим этот процесс подробнее.

Из школьного курса химии мы помним, что все вещества состоят из атомов, которые, в свою очередь, группируются в молекулы. От того, насколько прочной будет связь между атомами, напрямую зависят свойства вещества. Будет ли оно твёрдым, жидким или газообразным, будет ли оно активно вступать в химические реакции или будет стабильным (инертным, химически неактивным), будет ли оно гореть и т.д. - всё зависит от прочности и структуры химических связей между атомами вещества.

Для того, чтобы понять физико-химические процессы, происходящие при сшивке полиэтилена, необходимо напомнить, что такое полимеры и как они образуются. Рассмотрим простое органическое вещество: Этилен (C₂H₄). Этилен представляет из себя бесцветный горючий газ со слабым запахом. Его молекула состоит из двух атомов углерода (C) и двух атомов водорода (H). Углерод в молекуле этилена способен образовывать четыре прочные химические связи, а водород только одну (химические связи между атомами принято обозначать штрихами). Молекула Этилена самодостаточна, она не имеет свободных атомов, все химические связи находятся "при деле". У этилена наиболее крепкой является связь между атомами углерода, так как она двойная, а связи углерода с водородом не очень прочны. Двойная связь между атомами углерода тоже имеет особенности: одна из связей менее крепкая чем другая. Запомним эту особенность, она нам чуть позже понадобится.

Чтобы разорвать любую химическую связь между атомами нужно преодолеть силу межатомного притяжения. Сделать это можно с помощью дополнительной энергии, сообщённой (переданной) атомам, при чём эта энергия должна быть больше, чем энергия межатомного взаимодействия. И не важно, каким путём (химическим или физическим) будет осуществляться воздействие. Главное - чтобы оно было достаточным! Нагрев - простейший пример сообщения веществу дополнительной энергии. Именно поэтому многие химические реакции протекают только при высоких температурах.

В случае с этиленом одного нагрева оказывается недостаточно, но существует ряд других способов, позволяющих частично разорвать двойную связь между атомами углерода, вытягивая молекулу этилена в двухзвенную цепочку. Каждое звено этой цепочки называют мономером, от греческого слова "монос" - один и "мерос" - часть. Почему мы говорим о частичном разрыве? Потому что фактически из двух связей разрывается только одна, менее прочная. А дальше начинает происходить интересное: каждая из этих полуразорванных молекул, обладая двумя свободными и готовыми для соединения химическими связями стремится их задействовать. При этом мономеры начинают соединяться друг с другом последовательно, образуя своеобразную бесконечную цепочку, превращаясь по сути в одну макромолекулу, которую и называют полимером (от греческого "Поли" - много и "мерос" - часть). Похожим образом образуются и другие полимеры (полипропилен, поливинилхлорид, политетрофторэтилен и т.д.) цепочки которых могут иметь схожее или более сложное строение.

Наконец мы дошли и до самой сшивки. Сшивка полиэтилена - ни что иное, как способ соединения отдельных цепочек полимера между собой. Если после полимеризации мы получаем как-бы отдельные нити вещества, то с помощью сшивки мы соединяем эти нити в сеть. Понятно, что любая ткань гораздо прочнее отдельных ниток, из которых она состоит, поэтому сшитый полиэтилен становится более прочным и тугоплавким и способен выдержать более высокую температуру, чем его обычный, несшитый аналог.

Для осуществления процесса сшивки необходимо разорвать некоторые второстепенные межатомные связи у каждой цепочки и использовать их затем для соединения цепочек между собой. Сделать это можно разными способами, но все они делятся на два вида: физический и химический. Заметим, что при воздействии на полиэтилен легче всего разрываются менее прочные химические связи, каковыми являются связи между углеродом и водородом. При этом связь углерод-углерод, как более прочная остаётся целой и сама полимерная цепочка при сшивке не повреждается.

Для получения сшитого полиэтилена в условиях современного производства выделяют три наиболее распространённых метода сшивки: пероксидный, силановый и радиационный. Первые два - типичные химичекие, а третий - физический метод. Принципиальных различий между разными способами сшивки нет: просто в одном случае для разрыва связей задействуется внутренняя химическая энергия веществ, а в другом - энергия заряженных частиц (электронов). Но в технологическом плане разница существует.

Химическая сшивка более дорогая, но и более полная. При пероксидном способе сшивается до 90% всего количества полиэтилена, тогда как при радиационном облучении - не более 70-75%.

Посмотрите на рисунки. При облучении полиэтилена потоком высокоэнергетических заряженных частиц (рентгеновское или гамма излучение), генерируемых специальным акселератором (ускорителем), некоторые атомы водорода отщепляются от полимерных цепочек. Нескомпенсированные свободные связи атомов углерода тут же стремятся вновь вступить в реакцию, но уже не с водородом, а друг с другом, "сшиваясь", образуя между собой дополнительную прочную связь. "Лишние" атомы водорода так же взаимодействуют между собой, выделяясь в виде молекулярного водорода (H₂).

В результате появляется прочная трёхмерная сеть из полимерных цепочек этилена. Вещество как бы переходит из аморфного состояния в кристаллическое, ведь упорядоченную сетчатую структуру сшитого полиэтилена вполне можно сравнить с кристаллической решеткой многих твёрдых веществ. Вот почему этот процесс называется поперечной сшивкой полиэтилена, хотя иногда встречается и другие термины: модифицированный полиэтилен, радиационно-модифицированный полиэтилен, радиационно-сшитый полиэтилен и т.д.

После сшивки, кроме увеличения температуры плавления, материал приобретает ещё одно ценное свойство - "память" формы, так как из аморфного куска пластмассы он превращается в вещество с чёткой структурой внутри. Растягивая подогретый модифицированный полиэтилен мы нарушаем внутреннее равновесие в его вновь образованных химических связях, вызывая упругие напряжения в его структуре. После охлаждения полиэтилен застывает, сохраняя свою новую форму. Но лишь только его снова нагреют, полиэтилен стремится вернуться в первоначальное, равновесное состояние, в котором межмолекулярные связи чувствуют себя наиболее комфортно. Здесь будет уместна аналогия с детскими качелями. Представьте, что Вы сильно отклонили качели сторону и мгновенно заморозили их в куске льда. Лишь только лёд растает, качели вернутся в своё естественное положение.

В большей или меньшей степени метод сшивки применим и ко многим другим полимерам. Правда некоторые полимеры требуют иного подхода к процессу сшивки. Не всегда можно обойтись только радиационным облучением, при изготовлении кабельной изоляции применяют химическую сшивку.

Существует несколько способов химического сшивания термопластичных материалов. Самый распространенный из них (для кабелей до 1 кВ) -- сшивание через привитые органофункциональные группы, в качестве которых применяют силаны. Это, так называемая, силанольная сшивка. Сшивание происходит во влажной среде (пар, вода) при температуре 80--90°С, либо в условиях окружающей среды, что занимает немного больше времени. Под воздействием влаги происходит гидролиз силанольных групп и последующее их сшивание, ускоряющееся под действием тепла и катализатора.

Применение данного способа сшивания при производстве кабелей на среднее напряжение ограничено, поскольку кабели на напряжение 10--35 кВ имеют значительно большую толщину изоляции, чем кабели на низкое напряжение. Поэтому достаточно сложно добиться равномерности физикомеханических свойств в радиальном направлении изоляции и это не обеспечивается силанольной сшивкой.

При производстве кабелей на среднее и высокое напряжение используется другой способ сшивания -- сшивание при помощи пероксидов. Сшивание полимерной изоляции при помощи пероксидов происходит непосредственно при ее наложении в сухой среде -- среде инертного газа (азота) при высокой температуре(300--400°С) и давлении 8--12 атм. Пероксидная сшивка позволяет обеспечить стабильность электрических характеристик кабеля, особенно на высокое напряжение.

Поэтому для кабелей на напряжение до 1 кВ во всем мире получила широкое распространение сшивка при помощи силанов, а для кабелей на среднее и высокое напряжение (с большой толщиной изоляции) -- пероксидная сшивка.

2. Преимущества кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена

· большая пропускная способность за счет увеличения допустимой температуры жилы (допустимые токи нагрузки в зависимости от условий прокладки на 15--30% больше, чем у кабелей с бумажной изоляцией);

· высокий ток термической устойчивости при коротком замыкании;

· высокие электрические свойства изоляции, низкие диэлектрические потери;

· меньше масса и габариты кабеля в целом, что облегчает прокладку кабеля как в кабельных сооружениях, так и в земле на сложных трассах;

· высокая влагостойкость, нет необходимости в применении металлической оболочки;

· меньше радиус изгиба;

· возможность прокладки на трассах с неограниченной разностью уровней;

· возможность прокладки кабелей при температуре -20°С без предварительного подогрева, благодаря использованию полимерных материалов для изоляции и оболочки;

Сравнительные характеристики силовых кабелей с изоляцией из сшитого ПЭ и кабелей с бумажно-пропитанной и ПВХ изоляцией на напряжение 1 кВ

Сравнительные характеристики силовых кабелей с изоляцией из сшитого ПЭ и кабелей с бумажно-пропитанной и ПВХ изоляцией на напряжение 10--35 кВ

Проблемным местом изоляции из СПЭ является то, что в процессе старения (деструкции) сшитого полиэтилена его эксплуатационные характеристики снижаются. Основная причина этого - водные триинги - повреждения полимера, развивающиеся на технологических дефектах изоляции при совместном действии электрического поля и влаги, диффундирующей из окружающей среды.

Вместе с влагой в изоляцию проникают агрессивные вещества. Они разрушают полимерные цепи, приводя к образованию микрополостей, которые в свою очередь служат резервуарами для накопления влаги. Под воздействием электрического поля полярные молекулы воды образуют древовидные структуры, направленные вдоль силовых линий электрического поля,- водные триинги.

Различают два вида триингов: «бант» (зарождаются в объеме изоляции, заполненном водой, или на включениях инородных материалов) и «веер» (развиваются с поверхности электропроводящих экранов).

Электрическая прочность изоляции в области триингов существенно снижается, что повышает напряженность на неповрежденной части изоляции и ускоряет процесс роста триинга. С этим явлением в 70-е годы были связаны многократные отказы кабелей с изоляцией из высокомолекулярного термопластичного полиэтилена и СПЭ. Лабораторные испытания прояснили механизм его образования и развития в изоляционных материалах, что позволило подобрать новые добавки, обеспечивающие высокую устойчивость сшитых полиэтиленов к образованию водных триингов.

В настоящее время существуют две концепции снижения негативного влияния водных триингов на свойства изоляции:

* согласно первой в полиэтилен вводятся специальные химические добавки, в итоге получается триингостойкий сшитый полиэтилен - ТСПЭ;

* в соответствии со второй создаются макромолекулы, в состав которых, помимо этилена, входит более 5% других химических соединений, в итоге получается сополимерный сшитый полиэтилен - ССПЭ (механическая смесь полиэтилена низкой плотности, сополимера - этилена и этилакрилата или бутилакрилата и антиоксиданта, снижающего скорость окислительных процессов). полиэтилен кабель молекулярный физический

Типичная картина триингов в изоляции кабеля, находившегося в эксплуатации представлена на рисунке.

Опыт внедрения кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена в других странах показал их большие возможности и преимущества. Однако не обошлось без ошибок при постановке данных кабелей в производство. Так, первоначально 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 гр.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 кВ. 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 10/10 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 вышесказанного можно заключить, что кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена являются предпочтительными и наиболее перспективными при строительстве и реконструкции кабельных линий 6-35 кВ. Благодаря уникальным свойствам, высокой электрической прочности изоляции, низкой повреждаемости, длительному сроку службы СПЭ кабелей, их применение становится не только технически целесообразным, но и экономически выгодным.

Размещено на Allbest.ru