Глава 1. Классификация, особенности и сравнительный анализ свойств изоляции кабелей 6-220 кВ
1.1. Сравнительный анализ изоляционных материалов кабельных линий 6-220 кВ.
В настоящее время в электроэнергетике России все шире внедряется инновационные решения повышающие надежность, безопасность, энергосбережение и энергоэффективность электрических сетей и систем электроснабжения (ЭССЭ). Все перечисленные нововведения в полной мере относятся к КЛ, которые занимают основное место в обеспечении бесперебойного электроснабжения и при этом являются элементами с наибольшей аварийностью. В последние годы сложилась тенденция замены традиционной твердой изоляции
КЛ из кабельной бумаги пропитанной маслом (БПИ), полихлорвинила (ПХВ), полиэтилена (ПЭ) и поливинилхлоридного пластиката (ПВХ) на перспективные виды полимерной изоляции. К ним можно отнести сшитый полиэтилен (СПЭ), этилен-пропиленовую резину (ЭПР), их модификации и др. В целом они успешно используются в мировой электроэнергетике и в отечественных ЭССЭ.
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 БПИ к кабелям с изоляцией из СПЭ, связан с всё возрастающими требованиями эксплуатирующих организаций к техническим параметрам кабелей.
В этом отношении преимущества СПЭ очевидны, а наиболее значимые приведены ниже:
- высокая пропускная способность;
- низкий вес, меньший диаметр и радиус изгиба;
- низкая повреждаемость;
- полиэтиленовая изоляция обладает малыми значениями плотности, относительной
диэлектрической проницаемости и коэффициента диэлектрических потерь;
- прокладка на сложных трассах;
- монтаж без использования специального оборудования;
- значительное снижение себестоимости прокладки [1,2].
Применение СПЭ по сравнению с традиционными в поливинилхлоридной изоляции позволяет:
- использовать жилы меньшего сечения при передаче того же потока мощности;
- увеличить длительно допустимую температуру нагрева жил кабелей до 90 °С;
- увеличить длительно допустимую температуру нагрева жил кабелей при коротком замыкании до 250 °С [9].
С целью выявления наиболее актуальных и насущных проблем, как на этапе проектирования, так и эксплуатации и в последующем выбора объекта исследования был проведен сравнительный анализ достоинств и недостатков традиционных и перспективных видов твердой полимерной изоляции, конструкций КЛ и особенностей их прокладки, монтажа и эксплуатации.
Анализ проводился, прежде всего, со стороны надежности, критериями которой является сравнение характеристик, таких как: стационарные, импульсные токи и напряжения; внешние и внутренние тепловые воздействия; разные виды излучений: световые, ультрафиолетовые, инфракрасные, рентгеновские и др.; химически агрессивные газовые, жидкостные (в том числе вода) среды и грунты; взрывоопасные среды; общее внутреннее увлажнение структур изоляции; подверженность возникновения полостей и трещин в твердой полимерной изоляции; стойкость к механическим деформациям и ударам и др. Сравнение характеристик представлено в таблице 1.1.
В настоящее время в электроэнергетике России все шире внедряется инновационные решения повышающие надежность, безопасность, энергосбережение и энергоэффективность электрических сетей и систем электроснабжения (ЭССЭ). Все перечисленные нововведения в полной мере относятся к КЛ, которые занимают основное место в обеспечении бесперебойного электроснабжения и при этом являются элементами с наибольшей аварийностью. В последние годы сложилась тенденция замены традиционной твердой изоляции
КЛ из кабельной бумаги пропитанной маслом (БПИ), полихлорвинила (ПХВ), полиэтилена (ПЭ) и поливинилхлоридного пластиката (ПВХ) на перспективные виды полимерной изоляции. К ним можно отнести сшитый полиэтилен (СПЭ), этилен-пропиленовую резину (ЭПР), их модификации и др. В целом они успешно используются в мировой электроэнергетике и в отечественных ЭССЭ.
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 БПИ к кабелям с изоляцией из СПЭ, связан с всё возрастающими требованиями эксплуатирующих организаций к техническим параметрам кабелей.
В этом отношении преимущества СПЭ очевидны, а наиболее значимые приведены ниже:
- высокая пропускная способность;
- низкий вес, меньший диаметр и радиус изгиба;
- низкая повреждаемость;
- полиэтиленовая изоляция обладает малыми значениями плотности, относительной
диэлектрической проницаемости и коэффициента диэлектрических потерь;
- прокладка на сложных трассах;
- монтаж без использования специального оборудования;
- значительное снижение себестоимости прокладки [1,2].
Применение СПЭ по сравнению с традиционными в поливинилхлоридной изоляции позволяет:
- использовать жилы меньшего сечения при передаче того же потока мощности;
- увеличить длительно допустимую температуру нагрева жил кабелей до 90 °С;
- увеличить длительно допустимую температуру нагрева жил кабелей при коротком замыкании до 250 °С [9].
С целью выявления наиболее актуальных и насущных проблем, как на этапе проектирования, так и эксплуатации и в последующем выбора объекта исследования был проведен сравнительный анализ достоинств и недостатков традиционных и перспективных видов твердой полимерной изоляции, конструкций КЛ и особенностей их прокладки, монтажа и эксплуатации.
Анализ проводился, прежде всего, со стороны надежности, критериями которой является сравнение характеристик, таких как: стационарные, импульсные токи и напряжения; внешние и внутренние тепловые воздействия; разные виды излучений: световые, ультрафиолетовые, инфракрасные, рентгеновские и др.; химически агрессивные газовые, жидкостные (в том числе вода) среды и грунты; взрывоопасные среды; общее внутреннее увлажнение структур изоляции; подверженность возникновения полостей и трещин в твердой полимерной изоляции; стойкость к механическим деформациям и ударам и др. Сравнение характеристик представлено в таблице 1.1.
Преимущества кабелей с изоляцией из СПЭ перед кабелями с БПИ [64]:
- большая пропускная способность за счет увеличения допустимой температурыжилы (допустимые токи нагрузки в зависимости от условий прокладки на15-30 % больше, чем у кабеля с БПИ);
- больший выдерживаемый ток КЗ;
- меньший вес, диаметр и радиус изгиба, что обеспечивает легкость прокладки кабеля, как в кабельных сооружениях, так и в земле на любых сложных трассах;
- возможность вести монтажные работы при прокладке кабеля при температурах до -20 °С без предварительного подогрева, благодаря использованию полимерных материалов для изоляции и оболочки;
- низкая удельная повреждаемость, обеспечивающая снижение затрат на ремонтно-восстановительные работ и уменьшение недоотпуска электроэнергии.
- отсутствие жидких компонентов, что уменьшает время прокладки и стоимость монтажных работ;
- большая передаваемая мощность (однофазная конструкция имеет сечение (800- 1000 мм2 и более);
- большие строительные длины (до 3 км);
- длительно допустимая температура (90 °С) в 1,5 раза, допустимый нагрев в аварийном режиме (130 °С) ~ в 1,5 раза, предельно допустимая температура при протекании тока КЗ (250 °С) на 25% больше, чем для соответствующих кабелей с БПИ [2, 9, 11].
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 [3].
- большая пропускная способность за счет увеличения допустимой температурыжилы (допустимые токи нагрузки в зависимости от условий прокладки на15-30 % больше, чем у кабеля с БПИ);
- больший выдерживаемый ток КЗ;
- меньший вес, диаметр и радиус изгиба, что обеспечивает легкость прокладки кабеля, как в кабельных сооружениях, так и в земле на любых сложных трассах;
- возможность вести монтажные работы при прокладке кабеля при температурах до -20 °С без предварительного подогрева, благодаря использованию полимерных материалов для изоляции и оболочки;
- низкая удельная повреждаемость, обеспечивающая снижение затрат на ремонтно-восстановительные работ и уменьшение недоотпуска электроэнергии.
- отсутствие жидких компонентов, что уменьшает время прокладки и стоимость монтажных работ;
- большая передаваемая мощность (однофазная конструкция имеет сечение (800- 1000 мм2 и более);
- большие строительные длины (до 3 км);
- длительно допустимая температура (90 °С) в 1,5 раза, допустимый нагрев в аварийном режиме (130 °С) ~ в 1,5 раза, предельно допустимая температура при протекании тока КЗ (250 °С) на 25% больше, чем для соответствующих кабелей с БПИ [2, 9, 11].
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 [3].
1.2. Физико-химические основы твердой полимерной изоляции.
Применение кабелей с изоляцией из СПЭ на напряжение 6-220 кВ позволяет
решить многие проблемы обеспечения надежного электроснабжения, оптимизировать,
а в некоторых случаях даже изменить традиционные схемы сетей. 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 [3].
В качестве сырья для производства новых изоляционных материалов используют
различные варианты полимерных соединений. Их получают из ненасыщенных
углеводородов (мономеров), которые в свою очередь производятся
из продуктов крекинга нефти.
Эти вещества относятся к классу полиолефинов. В основе производства по-
лиолефинов лежит реакция полимеризации соответствующего исходного субстрата
(мономера), относящегося к классу олефинов. За счет раскрытия двойной
связи, имеющейся в молекуле мономера, происходит образование высокомолекулярного
полимерного продукта:
Применение кабелей с изоляцией из СПЭ на напряжение 6-220 кВ позволяет
решить многие проблемы обеспечения надежного электроснабжения, оптимизировать,
а в некоторых случаях даже изменить традиционные схемы сетей. 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 [3].
В качестве сырья для производства новых изоляционных материалов используют
различные варианты полимерных соединений. Их получают из ненасыщенных
углеводородов (мономеров), которые в свою очередь производятся
из продуктов крекинга нефти.
Эти вещества относятся к классу полиолефинов. В основе производства по-
лиолефинов лежит реакция полимеризации соответствующего исходного субстрата
(мономера), относящегося к классу олефинов. За счет раскрытия двойной
связи, имеющейся в молекуле мономера, происходит образование высокомолекулярного
полимерного продукта:
Наиболее известные представители полиолефинов: полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП), полипропилен (ПП), сополимеры этилена с другими мономерами (ПП, винилацетатом), полибутен, полиизобутен (поли-изобутилен), поли-4-метилпентен и т.п. Полиолефины составляют около 60% от
объема производимых в мире примерно 150 млн. тонн полимеров [13]. К ценным свойствам полиолефинов, позволяющим использовать их в качестве изоляционных материалов относятся:
• простота переработки;
• малый вес;
• высокая степень кристалличности, что гарантирует прочность и отличные диэлектрические свойства, так необходимые для создания надежной изоляции;
• хорошая ударная вязкость и сопротивление надрыву;
• гибкость (даже при низких температурах);
• выдающаяся стойкость к действию большинства агрессивных химических веществ;
• относительно низкая цена по сравнению с другими пластическими массами [14].
Однако практически все полиолефины характеризуются низким уровнем адгезии - возможностью создания устойчивого соединения с поверхностью металла или других материалов. Это является препятствием для использования их в качестве изоляции. Но данную проблему удается решить за счет улучшения адгезионных свойств путем ввода полярных групп в молекулы исходного
вещества в условиях химических производств. Ценным является тот факт, что комплекс свойств полиолефинов, в том числе
такие, как стойкость к ультрафиолету, окислителям, к разрыву, к усадке при нагреве, меняется в очень широких пределах в зависимости от степени ориентационной вытяжки молекул в процессе получения полимерных материалов и изделий. Кроме того, они могут быть изменены с помощью широкого диапазона химических модификаторов: термостабилизаторов, пигментов, антистатиков,
скользящих и антиблокирующих добавок, УФ стабилизаторов, и т.д. Для расширения комплекса нужных свойств, полиолефины перерабатываются методом соэкструзии с различными полимерами, например барьерными - омыленным сополимером этилена с виниловым спиртом (EVOH), полиамидом, полиэфирами, адгезивами, соединяющими слои разных полимеров, получая многослойные
изоляции со специальными, высокоэффективными свойствами [15]. Среди полиолефинов в качестве электроизоляционных материалов и их компонентов преимущественно используются полиизобутилен, полипропилен, полиэтилен, которые отличаются структурой элементарных звеньев - мономеров (изобутилена, пропилена и этилена, соответственно). Молекулярное строение мономеров и состав полимерной композиции воздействуют на ее способность к переработке и на свойства получаемого изделия. Три основных свойства макромолекул обуславливают большинство свойств, важных для производства изоляции высокого качества:
• средняя молекулярная масса;
• распределение молекулярной массы;
• кристалличность или плотность [13].
Эти молекулярные свойства определяются характеристиками веществ, используемых для производства полиолефинов и условий, в которых они получаются. Молекулярная масса Каждый полиолефин состоит из смеси больших и малых цепей, то есть цепей
с высокой и низкой молекулярной массой. Молекулярная масса полимерной цепи обычно оценивается тысячами. Среднее число их называется, весьма приблизительно, средней молекулярной массой полимера. При увеличения средней молекулярной массы возрастает жесткость полимера, прочность при растяжении, и сопротивление к растрескиванию под влиянием напряжений окружающей среды (трещин, возникающих в случае, когда изоляция подвергнута напряжениям в присутствии жидкостей типа растворителей, масел, моющих средств, и т.д.) [16]. Распределение молекулярной массы Относительное распределение больших, средних и малых молекулярных цепей в полиолефине важно для его свойств. Когда большинство молекулярных цепей в полимере обладают длиной близкой к средней длине, полимер, как считают, обладает "узким распределением молекулярной массы ".
Полиолефины с "широким распределением молекулярной массы" представлены более широкой разновидностью длин цепей. Обычно полимеры с узким распределением молекулярной массы обладают большим сопротивлением растрескиванию под напряжением и лучшими оптическими свойствами. Полимер с широким распределением молекулярной массы обычно обладает большей
ударной вязкостью и большей легкостью переработки [17]. Кристалличность или плотность. В процессе полимеризации мономеров создается смесь молекулярных цепей изменяющихся длин. Некоторые цепи короткие, в то время как другие чрезвычайно
длинные, и содержат несколько сотен тысяч мономерных звеньев. В цепи полиэтилена имеются многочисленные боковые ответвления. На каждые 100 единиц этилена в молекулярной цепи существует приблизительно от одного до 10 коротких
или длинных ответвлений. Чем более разветвленную структуру имеет полимер, тем больше его резиноподобные свойства, но ниже твердость [14]. Разветвления цепей воздействуют на многие свойства полимера, включая плотность, твердость, гибкость и прозрачность. Разветвления цепей также становятся узлами в молекулярной сетке, где может происходить окисление. В некоторых
технологических процессах, либо процессах эксплуатации готовых изделий, где достигаются высокие температуры, окисление может неблагоприятно воздействовать на свойства полимера. В полиолефинах имеется смесь кристаллических и аморфных областей. Молекулярные цепи в кристаллических областях располагаются почти параллельно друг другу. В аморфных областях они располагаются беспорядочно. Эта смесь кристаллических и аморфных областей важна для формирования хороших
пленочных изделий. Полностью аморфный полиолефин был бы подобен резине и обладал бы недостаточными
физическими свойствами; полностью кристаллический полимер был бы очень жестким и хрупким. Для гомополимерных полиэтиленов (полученных из одного мономера) чем выше плотность полимера, тем выше степень его кристалличности. ПЭ высокой
плотности (ПЭВП) имеет молекулярные цепи со сравнительно немногочисленными ответвлениями от основных цепей. Это позволяет цепям уплотняться наиболее близко друг к другу. Результат - кристалличность до 85 %. ПЭ низкой плотности (ПЭНП или ПЭВД) обычно имеет кристалличность от 35 до 55 %. Линейный ПЭ (ЛПЭНП) низкой плотности имеет кристалличность от 35 до 60
%. Однако увеличение плотности также приводит к ухудшению некоторых свойств, например, сопротивлению к растрескиванию под напряжением и снижению ударной вязкости при низкой температуре [16].
объема производимых в мире примерно 150 млн. тонн полимеров [13]. К ценным свойствам полиолефинов, позволяющим использовать их в качестве изоляционных материалов относятся:
• простота переработки;
• малый вес;
• высокая степень кристалличности, что гарантирует прочность и отличные диэлектрические свойства, так необходимые для создания надежной изоляции;
• хорошая ударная вязкость и сопротивление надрыву;
• гибкость (даже при низких температурах);
• выдающаяся стойкость к действию большинства агрессивных химических веществ;
• относительно низкая цена по сравнению с другими пластическими массами [14].
Однако практически все полиолефины характеризуются низким уровнем адгезии - возможностью создания устойчивого соединения с поверхностью металла или других материалов. Это является препятствием для использования их в качестве изоляции. Но данную проблему удается решить за счет улучшения адгезионных свойств путем ввода полярных групп в молекулы исходного
вещества в условиях химических производств. Ценным является тот факт, что комплекс свойств полиолефинов, в том числе
такие, как стойкость к ультрафиолету, окислителям, к разрыву, к усадке при нагреве, меняется в очень широких пределах в зависимости от степени ориентационной вытяжки молекул в процессе получения полимерных материалов и изделий. Кроме того, они могут быть изменены с помощью широкого диапазона химических модификаторов: термостабилизаторов, пигментов, антистатиков,
скользящих и антиблокирующих добавок, УФ стабилизаторов, и т.д. Для расширения комплекса нужных свойств, полиолефины перерабатываются методом соэкструзии с различными полимерами, например барьерными - омыленным сополимером этилена с виниловым спиртом (EVOH), полиамидом, полиэфирами, адгезивами, соединяющими слои разных полимеров, получая многослойные
изоляции со специальными, высокоэффективными свойствами [15]. Среди полиолефинов в качестве электроизоляционных материалов и их компонентов преимущественно используются полиизобутилен, полипропилен, полиэтилен, которые отличаются структурой элементарных звеньев - мономеров (изобутилена, пропилена и этилена, соответственно). Молекулярное строение мономеров и состав полимерной композиции воздействуют на ее способность к переработке и на свойства получаемого изделия. Три основных свойства макромолекул обуславливают большинство свойств, важных для производства изоляции высокого качества:
• средняя молекулярная масса;
• распределение молекулярной массы;
• кристалличность или плотность [13].
Эти молекулярные свойства определяются характеристиками веществ, используемых для производства полиолефинов и условий, в которых они получаются. Молекулярная масса Каждый полиолефин состоит из смеси больших и малых цепей, то есть цепей
с высокой и низкой молекулярной массой. Молекулярная масса полимерной цепи обычно оценивается тысячами. Среднее число их называется, весьма приблизительно, средней молекулярной массой полимера. При увеличения средней молекулярной массы возрастает жесткость полимера, прочность при растяжении, и сопротивление к растрескиванию под влиянием напряжений окружающей среды (трещин, возникающих в случае, когда изоляция подвергнута напряжениям в присутствии жидкостей типа растворителей, масел, моющих средств, и т.д.) [16]. Распределение молекулярной массы Относительное распределение больших, средних и малых молекулярных цепей в полиолефине важно для его свойств. Когда большинство молекулярных цепей в полимере обладают длиной близкой к средней длине, полимер, как считают, обладает "узким распределением молекулярной массы ".
Полиолефины с "широким распределением молекулярной массы" представлены более широкой разновидностью длин цепей. Обычно полимеры с узким распределением молекулярной массы обладают большим сопротивлением растрескиванию под напряжением и лучшими оптическими свойствами. Полимер с широким распределением молекулярной массы обычно обладает большей
ударной вязкостью и большей легкостью переработки [17]. Кристалличность или плотность. В процессе полимеризации мономеров создается смесь молекулярных цепей изменяющихся длин. Некоторые цепи короткие, в то время как другие чрезвычайно
длинные, и содержат несколько сотен тысяч мономерных звеньев. В цепи полиэтилена имеются многочисленные боковые ответвления. На каждые 100 единиц этилена в молекулярной цепи существует приблизительно от одного до 10 коротких
или длинных ответвлений. Чем более разветвленную структуру имеет полимер, тем больше его резиноподобные свойства, но ниже твердость [14]. Разветвления цепей воздействуют на многие свойства полимера, включая плотность, твердость, гибкость и прозрачность. Разветвления цепей также становятся узлами в молекулярной сетке, где может происходить окисление. В некоторых
технологических процессах, либо процессах эксплуатации готовых изделий, где достигаются высокие температуры, окисление может неблагоприятно воздействовать на свойства полимера. В полиолефинах имеется смесь кристаллических и аморфных областей. Молекулярные цепи в кристаллических областях располагаются почти параллельно друг другу. В аморфных областях они располагаются беспорядочно. Эта смесь кристаллических и аморфных областей важна для формирования хороших
пленочных изделий. Полностью аморфный полиолефин был бы подобен резине и обладал бы недостаточными
физическими свойствами; полностью кристаллический полимер был бы очень жестким и хрупким. Для гомополимерных полиэтиленов (полученных из одного мономера) чем выше плотность полимера, тем выше степень его кристалличности. ПЭ высокой
плотности (ПЭВП) имеет молекулярные цепи со сравнительно немногочисленными ответвлениями от основных цепей. Это позволяет цепям уплотняться наиболее близко друг к другу. Результат - кристалличность до 85 %. ПЭ низкой плотности (ПЭНП или ПЭВД) обычно имеет кристалличность от 35 до 55 %. Линейный ПЭ (ЛПЭНП) низкой плотности имеет кристалличность от 35 до 60
%. Однако увеличение плотности также приводит к ухудшению некоторых свойств, например, сопротивлению к растрескиванию под напряжением и снижению ударной вязкости при низкой температуре [16].
1.3. Химическая структура и ее влияние на свойства полимерной изоляции.
Основные структурные блоки, из которых получаются полиолефины - водородные и углеродные атомы. Для получения полиизобутилена используется мономер - изобутилен, в котором объединены в углеводородную цепь 4 атома углерода, при этом 2 водородных атома при них замещены на 2 метильньтх радикала СН3 [15]:
Основные структурные блоки, из которых получаются полиолефины - водородные и углеродные атомы. Для получения полиизобутилена используется мономер - изобутилен, в котором объединены в углеводородную цепь 4 атома углерода, при этом 2 водородных атома при них замещены на 2 метильньтх радикала СН3 [15]:
У полипропилена мономер - пропилен - имеет в цепи 3 атома углерода и один радикал СНз
В мономере полиэтилена - этилене - объединены в цепь 2 атома углерода, а метальные радикалы отсутствуют:
Различия в структуре мономеров обуславливает различия в свойствах полимеров. Даже по виду молекулярной формулы можно констатировать, что наибольшую молекулярную массу мономера и наиболее разветвленную пространственную структуру имеет изобутилен. Этот факт обуславливает менее плотную пространственную упаковку молекул полиизобутилена и его резиноподоб-
ные свойства. Напротив, полиэтилен из-за линейной структуры имеет более плотную пространственную упаковку и, следовательно, лучше поддается экструдированию, что позволяет создавать на его основе широкий спектр изоляционных массивных и пленочных материалов. Полипропилен занимает между ними промежуточное положение по химической структуре и свойствам. Далее приведена молекулярная формула полимеров, выделяя в каждом из них звено мономера, описана их краткая характеристика [15,16].
Полиизобутилен:
ные свойства. Напротив, полиэтилен из-за линейной структуры имеет более плотную пространственную упаковку и, следовательно, лучше поддается экструдированию, что позволяет создавать на его основе широкий спектр изоляционных массивных и пленочных материалов. Полипропилен занимает между ними промежуточное положение по химической структуре и свойствам. Далее приведена молекулярная формула полимеров, выделяя в каждом из них звено мономера, описана их краткая характеристика [15,16].
Полиизобутилен:
Этот полимер представляет собой вещество, подобное каучуку, и находит применение в качестве добавки к полиэтилену для улучшения технологических свойств в производстве изоляционных материалов для кабельных изделий. Полипропилен нашел широкое применение в производстве кабельной изоляции в составе этилен-пропиленовой резины и силовых конденсаторов:
Полипропилен отличается более высокой температурой плавления, чем полиэтилен, химической стойкостью, водостойкостью. Однако полипропилен чувствителен к действию кислорода и сильных окислителей. Полипропилен выпускается в виде композиции со стабилизаторами, красителями и другими добавками. Начиная с середины 60-х годов, интерес к полипропилену устойчиво растет
во всем мире. Он обусловлен, с одной стороны, благоприятным сочетанием физических, химических, термических и электрических свойств и хорошей перерабатываемостью полимера, а с другой стороны - доступной и стабильной сырьевой базой, более дешевой, чем этилен или стирол. Все это обеспечивает полипропилену прочное и конкурентоспособное положение на мировом рынке вообще и на российском, в частности. В настоящее время до 70% полипропилена во всем мире перерабатывается в литьевые, термоформовочные
изделия и волокно. Остальное количество приходится на экструдированые изделия и изоляцию. Полипропиленовые ориентированные и соэкструдировапные изоляции успешно вытесняют целлофан, неориентированные конкурируют с ПЭВД и ПВХ. Полипропиленовые компаунды на базе блоксополимера пропилена с этиленом (с содержанием звеньев последнего в макромолекуле от 7% до 15% моль)
являются перспективными для производства кабельных изделий (в том числе на напряжение выше 500 кВ), где требуются высокоэффективные полимерные материалы с рабочим диапазоном температур от -60 до +130 °С. Блоксополимерные кабельные композиции (марки 02015-302КМ, 02015-301, 02МК и т.п.) превосходят полиэтиленовые по верхнему пределу температуры эксплуатациии стойкостью к растрескиванию. Они находят применение при изготовлении изоляции водо- и нефтепогружных, геофизических, сейсмических телеметрических кабелей, а также монтажных и установочных проводов различного профиля
и назначения [12]. Полиэтилен (ПЭ) нашел самое широкое применение в кабельной промышленности,
благодаря своим уникальным изоляционным свойствам:
во всем мире. Он обусловлен, с одной стороны, благоприятным сочетанием физических, химических, термических и электрических свойств и хорошей перерабатываемостью полимера, а с другой стороны - доступной и стабильной сырьевой базой, более дешевой, чем этилен или стирол. Все это обеспечивает полипропилену прочное и конкурентоспособное положение на мировом рынке вообще и на российском, в частности. В настоящее время до 70% полипропилена во всем мире перерабатывается в литьевые, термоформовочные
изделия и волокно. Остальное количество приходится на экструдированые изделия и изоляцию. Полипропиленовые ориентированные и соэкструдировапные изоляции успешно вытесняют целлофан, неориентированные конкурируют с ПЭВД и ПВХ. Полипропиленовые компаунды на базе блоксополимера пропилена с этиленом (с содержанием звеньев последнего в макромолекуле от 7% до 15% моль)
являются перспективными для производства кабельных изделий (в том числе на напряжение выше 500 кВ), где требуются высокоэффективные полимерные материалы с рабочим диапазоном температур от -60 до +130 °С. Блоксополимерные кабельные композиции (марки 02015-302КМ, 02015-301, 02МК и т.п.) превосходят полиэтиленовые по верхнему пределу температуры эксплуатациии стойкостью к растрескиванию. Они находят применение при изготовлении изоляции водо- и нефтепогружных, геофизических, сейсмических телеметрических кабелей, а также монтажных и установочных проводов различного профиля
и назначения [12]. Полиэтилен (ПЭ) нашел самое широкое применение в кабельной промышленности,
благодаря своим уникальным изоляционным свойствам:
Простейшая структура молекулы полиэтилена - совершенно неразветвленная цепь звеньев (-СН2-)п. Однако подобное соединение получают более сложным, чем описанным выше, способом. При этом исходным веществом служит не этилен. В химии высокомолекулярных соединений данное вещество называют полиметилен [15]. ПЭ по сравнению с другими полимерными материалами можно получить в наиболее чистом (без примесей) виде. Его важнейшим положительным свойством является то, что он очень хорошо поддается экструзии (выпрессованию). Это кардинальным образом меняет принципы его применений для изготовления
изоляционных электротехнических конструкций и, прежде всего, технологий производства силовых кабелей и проводов. Эти технологии коренным образом отличаются от широко распространенных способов изготовления кабелей с другими видами изоляции.
Существуют три способа получения ПЭ путем полимеризации [13, 19]:
1) полиэтилен высокого давления ПЭВД (низкой плотности) получается придавлениях до 300 МПа и температуре около 200 °С;
На практике энергонасыщенность процесса при высоком давлении препятствует росту прямой цепи и, образуется множество боковых ответвлений, которыев значительной степени определяют свойства ПЭВДОбразование боковых ответвлений препятствует плотной упаковке основныхполимерных цепей, чем и обусловлено получение ПЭВД при описанномпроцессе.
Полиэтилен высокого давления ГОСТ 16337 - 7 7 - пластичный, слегка матовый, воскообразный на ощупь материал плотностью от 917 до 939 кг/мЗ. Изоляция из ПЭВД имеет превосходную химическую стойкость, особенно к кислотам, щелочам и неорганическим растворителям, высокие прочностные свойства, поэтому он находит широкое применение в качестве электрической
изоляции в отечественной и зарубежной кабельной промышленности. Также ПЭВД не имеет запаха и вкуса, что позволяет использовать его в качестве упаковочного материала для пищевых продуктов;
2) полиэтилен низкого давления ПЭНД (высокой плотности) получается при давлениях 0,3-0,6 МПа и температуре около 50 °С; он находит широкое применение в качестве изоляции и оболочек кабелей. Изоляционные конструкции на основе ПЭНД более жесткие, прочные, менее воскообразные на ощупь по сравнению с изоляциями из ПЭВД. Прочность при растяжении и сжатии выше, чем у ПЭВД, а сопротивление удару и раздиру ниже. Из-за линейной структуры макромолекулы ПЭНД ориентируются в направлении
течения, поэтому сопротивление раздиру в продольном направлении пленок значительно ниже, чем в поперечном направлении.
Проницаемость ПЭНД ниже, чем у ПЭВД, примерно в 5-6 раз, и он является прекрасной преградой влаге. По химической стойкости ПЭНД также превосходит ПЭВД, особенно по стойкости к маслам и жирам. С увеличением плотности растворимость в органических растворителях уменьшается, как и проницаемость по отношению к растворителям. ПЭНД подвержен растрескиванию под
действием среды, как и ПЭВД, но этот эффект может быть уменьшен с использованием высокомолекулярных марок.
3) Полиэтилен среднего давления ПЭСД получается при давлениях 3-7 МПа и температуре от 160 до 275 °С. Технология переработки ПЭВД в изделия значительно легче других видов ПЭ и представляет широкие возможности при создании изоляционных конструкций. Некоторые свойства ПЭ приведены в таблице 3.По электроизоляционным свойствам ПЭНД и ПЭСД при тщательной очистке
от следов катализаторов и других примесей не уступают ПЭВД.
изоляционных электротехнических конструкций и, прежде всего, технологий производства силовых кабелей и проводов. Эти технологии коренным образом отличаются от широко распространенных способов изготовления кабелей с другими видами изоляции.
Существуют три способа получения ПЭ путем полимеризации [13, 19]:
1) полиэтилен высокого давления ПЭВД (низкой плотности) получается придавлениях до 300 МПа и температуре около 200 °С;
На практике энергонасыщенность процесса при высоком давлении препятствует росту прямой цепи и, образуется множество боковых ответвлений, которыев значительной степени определяют свойства ПЭВДОбразование боковых ответвлений препятствует плотной упаковке основныхполимерных цепей, чем и обусловлено получение ПЭВД при описанномпроцессе.
Полиэтилен высокого давления ГОСТ 16337 - 7 7 - пластичный, слегка матовый, воскообразный на ощупь материал плотностью от 917 до 939 кг/мЗ. Изоляция из ПЭВД имеет превосходную химическую стойкость, особенно к кислотам, щелочам и неорганическим растворителям, высокие прочностные свойства, поэтому он находит широкое применение в качестве электрической
изоляции в отечественной и зарубежной кабельной промышленности. Также ПЭВД не имеет запаха и вкуса, что позволяет использовать его в качестве упаковочного материала для пищевых продуктов;
2) полиэтилен низкого давления ПЭНД (высокой плотности) получается при давлениях 0,3-0,6 МПа и температуре около 50 °С; он находит широкое применение в качестве изоляции и оболочек кабелей. Изоляционные конструкции на основе ПЭНД более жесткие, прочные, менее воскообразные на ощупь по сравнению с изоляциями из ПЭВД. Прочность при растяжении и сжатии выше, чем у ПЭВД, а сопротивление удару и раздиру ниже. Из-за линейной структуры макромолекулы ПЭНД ориентируются в направлении
течения, поэтому сопротивление раздиру в продольном направлении пленок значительно ниже, чем в поперечном направлении.
Проницаемость ПЭНД ниже, чем у ПЭВД, примерно в 5-6 раз, и он является прекрасной преградой влаге. По химической стойкости ПЭНД также превосходит ПЭВД, особенно по стойкости к маслам и жирам. С увеличением плотности растворимость в органических растворителях уменьшается, как и проницаемость по отношению к растворителям. ПЭНД подвержен растрескиванию под
действием среды, как и ПЭВД, но этот эффект может быть уменьшен с использованием высокомолекулярных марок.
3) Полиэтилен среднего давления ПЭСД получается при давлениях 3-7 МПа и температуре от 160 до 275 °С. Технология переработки ПЭВД в изделия значительно легче других видов ПЭ и представляет широкие возможности при создании изоляционных конструкций. Некоторые свойства ПЭ приведены в таблице 3.По электроизоляционным свойствам ПЭНД и ПЭСД при тщательной очистке
от следов катализаторов и других примесей не уступают ПЭВД.
Процесс теплового старения ПЭ существенно снижается при введении антиокислителей (антиоксидантов). Процесс фотостарения (от солнечного света, ультрафиолетового облучения - УФО), введением 1,5-2% мелкодисперсной сажи в ПЭ, предназначенный для оболочек кабелей [20]. Таким образом, полиэтилен в настоящее время является одним из наиболее применяемых изоляционных материалов при производстве кабелей. Около 10% выпускаемого в мире полиэтилена (~5 млн. тонн) - низкой и высокой плотности,
а также линейных марок - расходуется на производство широкого ассортимента кабельных компаундов. Термопластичному полиэтилену присущи серьезные недостатки, главным из которых являются ползучесть и резкое ухудшение механических свойств при
температурах, близких к температуре плавления. (125-И30 °С), вплоть до потери формоустойчивости. Эти свойства объясняются линейным строением макромолекул полиэтилена. До внедрения технологии сшивки полиэтилена это ограничивало его область применения. Термин «сшивка» подразумевает обработку полиэтилена на молекулярном уровне. В процессе сшивки между макромолекулами полиэтилена за счет химического или физического воздействия образуются поперечные связи. В результате
создается трехмерная структура, которая и определяет высокие электрические и механические характеристики материала, меньшую гигроскопичность, больший диапазон рабочих температур. Основным преимуществом кабелей со сшитой полиэтиленовой изоляцией является именно большая пропускная способность за счет увеличения допустимой температуры жилы. Допустимые токи нагрузки, в зависимости от условий прокладки, на 15—30% больше, чем у кабеля с бумажно-пропитанной изоляцией. Применение сшиваемых материалов позволяет получить изоляцию с улучшенными эксплуатационными свойствами - допустимая температура нагрева токо-
проводящих жил (ТПЖ) с термопластичной изоляцией повышается на 20 Си составляет 90 °С. Кроме того, отмечается повышение температуры нагрева ТПЖ в аварийном режиме с 80 °С до 130 °С, а максимально допустимая температура при токах короткого замыкания повышается со 130 °С до 250 °С [4-7]. Различные методы сшивания полиэтилена первоначально разрабатывались с
целью повышения рабочей температуры изделий из полимеров. Однако, процессы сшивания позволяют улучшить и другие характеристики полимеров, такие как:- уменьшение деформации под нагрузкой дает улучшенные характеристики на разрыв/излом при механическом напряжении в изоляции;
- увеличение химической стойкости (в т.ч. к воздействию растворителей);
- увеличенное абразивное сопротивление в кабельных оболочках и трубах;
- эффект памяти для усадочных трубных обвязок, пленок и упаковочных
пленок;
- улучшенные характеристики динамической нагрузки для прессованных
изделий и вспененного материала;
- повышенная стойкость к старению;
- повышенный модуль упругости;
- повышенная ударопрочность при низких температурах;
- пониженное каплеобразование (при горении).
а также линейных марок - расходуется на производство широкого ассортимента кабельных компаундов. Термопластичному полиэтилену присущи серьезные недостатки, главным из которых являются ползучесть и резкое ухудшение механических свойств при
температурах, близких к температуре плавления. (125-И30 °С), вплоть до потери формоустойчивости. Эти свойства объясняются линейным строением макромолекул полиэтилена. До внедрения технологии сшивки полиэтилена это ограничивало его область применения. Термин «сшивка» подразумевает обработку полиэтилена на молекулярном уровне. В процессе сшивки между макромолекулами полиэтилена за счет химического или физического воздействия образуются поперечные связи. В результате
создается трехмерная структура, которая и определяет высокие электрические и механические характеристики материала, меньшую гигроскопичность, больший диапазон рабочих температур. Основным преимуществом кабелей со сшитой полиэтиленовой изоляцией является именно большая пропускная способность за счет увеличения допустимой температуры жилы. Допустимые токи нагрузки, в зависимости от условий прокладки, на 15—30% больше, чем у кабеля с бумажно-пропитанной изоляцией. Применение сшиваемых материалов позволяет получить изоляцию с улучшенными эксплуатационными свойствами - допустимая температура нагрева токо-
проводящих жил (ТПЖ) с термопластичной изоляцией повышается на 20 Си составляет 90 °С. Кроме того, отмечается повышение температуры нагрева ТПЖ в аварийном режиме с 80 °С до 130 °С, а максимально допустимая температура при токах короткого замыкания повышается со 130 °С до 250 °С [4-7]. Различные методы сшивания полиэтилена первоначально разрабатывались с
целью повышения рабочей температуры изделий из полимеров. Однако, процессы сшивания позволяют улучшить и другие характеристики полимеров, такие как:- уменьшение деформации под нагрузкой дает улучшенные характеристики на разрыв/излом при механическом напряжении в изоляции;
- увеличение химической стойкости (в т.ч. к воздействию растворителей);
- увеличенное абразивное сопротивление в кабельных оболочках и трубах;
- эффект памяти для усадочных трубных обвязок, пленок и упаковочных
пленок;
- улучшенные характеристики динамической нагрузки для прессованных
изделий и вспененного материала;
- повышенная стойкость к старению;
- повышенный модуль упругости;
- повышенная ударопрочность при низких температурах;
- пониженное каплеобразование (при горении).
1.4. Особенности сшивки полиэтилена для главной изоляции кабельных
линий 6-220 кВ.
При производстве применяется три основных промышленных способа сшивки полиэтилена, в зависимости от которых сшитый полиэтилен индексируется соответствующей литерой. Это пероксидный, силановый и радиационный процессы сшивания. В европейских стандартах приняты обозначения, соответственно:
РЕХ-А, РЕХ-В, РЕХ-С [19].
Все три технологии сшивают отдельные молекулы полиэтилена друг с другом в разных местах так, что получается сеть. Соответственно вводится понятие степень или плотность сшивки (доля геля) в процентах, которое отражает долю
числа связей между молекулами полиэтилена. Рекомендуемое значение - 65-80%. Технология пероксидной сшивки (метод А).
Метод А является химическим способом модификации («сшивки») полиэтилена при помощи органических пероксидов или гидропероксидов. Органические пероксиды представляют из себя производные перекиси водорода (НО-ОН) в которых один (гидропероксид, ROOH) или два (пероксид, ROOR) атома водорода замещены органическими радикалами. Пероксиды относятся к особоопасным веществам (ГОСТ 19433-88). Их получение - технологически сложный и дорогостоящий процесс. Количество добавляемого в расплав пероксида мало и составляет порядка 0,5 + 2 кг на 1 т полиэтилена. Этот процесс происходит в сухой среде, а именно в среде инертного газа (азота), при воздействии высоких температур от 300 до 400 °С и давления 8 -^ 12 атм., при этом сохраняются электрические характеристики высоковольтных кабелей.
Химизм процесса представлен ниже:
а) реакция начинается с разложения перекиси под действием температуры с образованием радикалов - фрагментов молекул, имеющих свободную связь, обозначенную *:
RO — OR—>2RO* (кислород имеет свободную связь)
б) радиакалы пероксидов отрывают у звеньев полиэтилена по одному атому водорода, что приводит к появлению свободной связи у атома углерода:
линий 6-220 кВ.
При производстве применяется три основных промышленных способа сшивки полиэтилена, в зависимости от которых сшитый полиэтилен индексируется соответствующей литерой. Это пероксидный, силановый и радиационный процессы сшивания. В европейских стандартах приняты обозначения, соответственно:
РЕХ-А, РЕХ-В, РЕХ-С [19].
Все три технологии сшивают отдельные молекулы полиэтилена друг с другом в разных местах так, что получается сеть. Соответственно вводится понятие степень или плотность сшивки (доля геля) в процентах, которое отражает долю
числа связей между молекулами полиэтилена. Рекомендуемое значение - 65-80%. Технология пероксидной сшивки (метод А).
Метод А является химическим способом модификации («сшивки») полиэтилена при помощи органических пероксидов или гидропероксидов. Органические пероксиды представляют из себя производные перекиси водорода (НО-ОН) в которых один (гидропероксид, ROOH) или два (пероксид, ROOR) атома водорода замещены органическими радикалами. Пероксиды относятся к особоопасным веществам (ГОСТ 19433-88). Их получение - технологически сложный и дорогостоящий процесс. Количество добавляемого в расплав пероксида мало и составляет порядка 0,5 + 2 кг на 1 т полиэтилена. Этот процесс происходит в сухой среде, а именно в среде инертного газа (азота), при воздействии высоких температур от 300 до 400 °С и давления 8 -^ 12 атм., при этом сохраняются электрические характеристики высоковольтных кабелей.
Химизм процесса представлен ниже:
а) реакция начинается с разложения перекиси под действием температуры с образованием радикалов - фрагментов молекул, имеющих свободную связь, обозначенную *:
RO — OR—>2RO* (кислород имеет свободную связь)
б) радиакалы пероксидов отрывают у звеньев полиэтилена по одному атому водорода, что приводит к появлению свободной связи у атома углерода:
в) в соседних макромолекулах атомы углерода объединяются, происходит рекомбинация макрорадикалов с образованием пространственной структуры, соединенной углерод-углеродной связью; Количество межмолекулярных связей составляет 2 •*• 3 на 1000 атомов углерода. Образуется трехмерная сетка, которая исключает возможность образования кристаллитов при охлаждении полимера (Рис. 1.4.1). Процесс требует жесткого контроля за температурным режимом в процессе экструзии, когда происходит
предварительная сшивка, и в ходе дальнейшего нагревания изделия для завершения образования связей. При охлаждении полученного продукта наблюдается понижение плотности полиэтилена. Разложение пероксидов происходит после экструзии с помощью протяженных линий непрерывной вулканизации, соляной бани или азотной системы. Пероксидно-сшитые изделия требуют
продолжительного замедленного цикла термообработки (часто при повышенном давлении) для завершения процесса вулканизации.
предварительная сшивка, и в ходе дальнейшего нагревания изделия для завершения образования связей. При охлаждении полученного продукта наблюдается понижение плотности полиэтилена. Разложение пероксидов происходит после экструзии с помощью протяженных линий непрерывной вулканизации, соляной бани или азотной системы. Пероксидно-сшитые изделия требуют
продолжительного замедленного цикла термообработки (часто при повышенном давлении) для завершения процесса вулканизации.
Метод А - самый дорогой. Он гарантирует полный объемный охват массы материала воздействием пероксидов, так как они добавляются в исходный расплав. Однако, этот метод требует, чтобы степень сшивки РЕХ не была ниже 75%, что делает изделия из этого материала более жесткими по сравнению с изделиями, полученными способами В и С. Пероксидная технология применяется
для производства кабелей с изоляцией рассчитанной на напряжение 10 +35 кВ, а также для производства труб [13, 18-20].
Технология Силановой сшивки (метод В). Применение силанов позволяет получить более гибкий и экономичный процесс
сшивания. Технология влажной вулканизации Silquest® применяется в промышленности свыше 30 лет. Силаносшитые полиолефины связаны Si-0-Si мостиками, в отличие от С—С связей, образующихся в результате пероксидного или радиационного метода.
Силановая технология состоит из двух этапов. 1. Этап. За счет инициатора идет отрыв атома водорода и образуется макрорадикал
(аналогично стадиям а и б пероксидной сшивки); затем образуется привитый сополимер за счет внедрения силана в полимер, либо привитием винилсилана на полимерную цепочку, либо сополимеризацией винилсилана сэтиленом в реакторе полимеризации.
Этап. Сшивка в присутствии воды, обычно ускоряемая оловянным или другими подходящими катализаторами, протекающая в 2 стадии гидролиза при взаимодействии с водой Н20, а затем идет конденсации с выделением молекул воды. При этом образуется трехмерная структура, соединенная не углерод углеродной связью, как в первых двух случаях, a Si-0-Si мостиками.
Силановая технология сшивания обладает следующми преимуществами, по сравнению с пероксидным и радиационным методами:
• снижение капитальных вложений;
• снижение эксплуатационных затрат (стоимости энергии и труда);
• повышение производительности;
• широкий спектр рецептур и применений;
• возможность производства изделий различной толщины;
• возможность производства изделий сложных форм;
• повышение процента наполнения пластиков;
• возможность применения со всеми типами полиэтиленов и сополимеров.
Данная технология применяется для производства кабелей низкого/среднего напряжения (до 35 кВ), полимерных труб для подогрева полов и питьевой воды. Не так давно силановое сшивание стали использовать при производстве листовых, пленочных и вспененных материалов.
Полиолефины, сшитые силаном, соединяются посредством связи Si-0-Si, а не связи С-С, которая имеет место в процессах с применением перекиси или при радиационном сшивании. При использовании технологии на основе силана, по крайней мере некоторые связи образуются, когда получаемая форма находится ниже точки кристаллического плавления базового полиэтилена. В связи с этим, имеет место мнение, что при этом получается превосходный, более термоустойчивый продукт. Хотя это предположение и не было полностью подтверждено, все же ПЭ сшитый силаном, является либо аналогичный, либо, иногда, превосходящим ПЭ на основе перекиси. Более того, поскольку обработка производится не под высоким давлением, технология позволяет производить
более сложные по конфигурации объемы с несимметричными осями (включая сложные кабельные конструкции, такие как секторные кабели), где ранее остро стояла проблема деформации. Силанольная сшивка технологически является самой простой, т.к. практически
не требуется дополнительного технологического оборудования (все идет натехнологическом оборудовании по переработке термопластического ПЭ). Однако, этот способ сшивания полиэтилена невозможно применить для кабелей с изоляцией рассчитанной на напряжение 10-^-35 кВ, поскольку в процессе обработки достаточно сложно добиться равномерности физико-механических
свойств в радиальном направлении изоляции, а также по причине того, что изоляция кабелей высокого напряжения имеет значительно большую толщину, по сравнению с изоляцией кабелей низкого напряжения. Кроме того, в процессе режима сшивки и в конце его выделяется молекулярная влага Н20, что может снизить свойства СПЭ. Поэтому процесс силанольной сшивки применяется для
силовых кабелей с рабочим напряжением до 1 кВ включительно [13, 18-20]. Технология радиационной сшивки (метод С).
Радиационная сшивка относится к методам физической модификации свойств полимеров. При облучении полимеров электронами, бета- или гамма-лучами образуются свободные радикалы, что приводит к появлению структур, схожих с полученными в результате пероксидной сшивки (см. рис. 1.4.1). Изделия облучаются после процесса экструзии, для этого часто приходится использовать
отдельные производства. Процесс достаточно дорогой и продолжительный. Другим недостатком данного метода можно считать неизбежную неравномерность сшивки по толщине полиэтиленового слоя. Поэтому радиационная сшивка применяется только для тонкостенных конструкций:
проводов и кабелей низкого напряжения с толщиной изоляции 1,0 ^1,5 мм. Для больших толщин происходит сшивка поверхностных слоев, а более глубокие - не сшиваются. Если увеличить мощность электронного излучения, тогда более глубокие слои будут подвергаться сшивке, а поверхностные - деструкции. Поэтому радиационной обработке подвергаются поверхностные слои
без наведенной радиации и «на проход» с большой скоростью. Радиационная сшивка полиэтилена применяется при производстве пленок, термоусадочных труб и кабельной изоляции. Таким образом, сшитый полиэтилен, вне зависимости от способа сшивки,
по структуре принципиально отличается от обычного полиэтилена. В обычном полиэтилене химические связи между макромолекулами отсутствуют, имеются лишь достаточно слабые силы межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-
дер-Ваальса), которые примерно на порядок меньше химических сил взаимодействиямежду атомами углерода в молекуле. Появляется более плотная упаковка,между молекулами образуется сетчатая структура в объеме.Такая структура СПЭ увеличивает длительную рабочую температуру, полимер становится термореактивным, т.е. не плавится и при воздействии температуры обугливается. Параметры ПЭ, применяемого для изолирования силовыхкабелей, приведены в табл. 1.4.5. Рабочие свойства СПЭ находятся на уровне
свойств термопластичного ПЭ, а нагревостойкость выше.
для производства кабелей с изоляцией рассчитанной на напряжение 10 +35 кВ, а также для производства труб [13, 18-20].
Технология Силановой сшивки (метод В). Применение силанов позволяет получить более гибкий и экономичный процесс
сшивания. Технология влажной вулканизации Silquest® применяется в промышленности свыше 30 лет. Силаносшитые полиолефины связаны Si-0-Si мостиками, в отличие от С—С связей, образующихся в результате пероксидного или радиационного метода.
Силановая технология состоит из двух этапов. 1. Этап. За счет инициатора идет отрыв атома водорода и образуется макрорадикал
(аналогично стадиям а и б пероксидной сшивки); затем образуется привитый сополимер за счет внедрения силана в полимер, либо привитием винилсилана на полимерную цепочку, либо сополимеризацией винилсилана сэтиленом в реакторе полимеризации.
Этап. Сшивка в присутствии воды, обычно ускоряемая оловянным или другими подходящими катализаторами, протекающая в 2 стадии гидролиза при взаимодействии с водой Н20, а затем идет конденсации с выделением молекул воды. При этом образуется трехмерная структура, соединенная не углерод углеродной связью, как в первых двух случаях, a Si-0-Si мостиками.
Силановая технология сшивания обладает следующми преимуществами, по сравнению с пероксидным и радиационным методами:
• снижение капитальных вложений;
• снижение эксплуатационных затрат (стоимости энергии и труда);
• повышение производительности;
• широкий спектр рецептур и применений;
• возможность производства изделий различной толщины;
• возможность производства изделий сложных форм;
• повышение процента наполнения пластиков;
• возможность применения со всеми типами полиэтиленов и сополимеров.
Данная технология применяется для производства кабелей низкого/среднего напряжения (до 35 кВ), полимерных труб для подогрева полов и питьевой воды. Не так давно силановое сшивание стали использовать при производстве листовых, пленочных и вспененных материалов.
Полиолефины, сшитые силаном, соединяются посредством связи Si-0-Si, а не связи С-С, которая имеет место в процессах с применением перекиси или при радиационном сшивании. При использовании технологии на основе силана, по крайней мере некоторые связи образуются, когда получаемая форма находится ниже точки кристаллического плавления базового полиэтилена. В связи с этим, имеет место мнение, что при этом получается превосходный, более термоустойчивый продукт. Хотя это предположение и не было полностью подтверждено, все же ПЭ сшитый силаном, является либо аналогичный, либо, иногда, превосходящим ПЭ на основе перекиси. Более того, поскольку обработка производится не под высоким давлением, технология позволяет производить
более сложные по конфигурации объемы с несимметричными осями (включая сложные кабельные конструкции, такие как секторные кабели), где ранее остро стояла проблема деформации. Силанольная сшивка технологически является самой простой, т.к. практически
не требуется дополнительного технологического оборудования (все идет натехнологическом оборудовании по переработке термопластического ПЭ). Однако, этот способ сшивания полиэтилена невозможно применить для кабелей с изоляцией рассчитанной на напряжение 10-^-35 кВ, поскольку в процессе обработки достаточно сложно добиться равномерности физико-механических
свойств в радиальном направлении изоляции, а также по причине того, что изоляция кабелей высокого напряжения имеет значительно большую толщину, по сравнению с изоляцией кабелей низкого напряжения. Кроме того, в процессе режима сшивки и в конце его выделяется молекулярная влага Н20, что может снизить свойства СПЭ. Поэтому процесс силанольной сшивки применяется для
силовых кабелей с рабочим напряжением до 1 кВ включительно [13, 18-20]. Технология радиационной сшивки (метод С).
Радиационная сшивка относится к методам физической модификации свойств полимеров. При облучении полимеров электронами, бета- или гамма-лучами образуются свободные радикалы, что приводит к появлению структур, схожих с полученными в результате пероксидной сшивки (см. рис. 1.4.1). Изделия облучаются после процесса экструзии, для этого часто приходится использовать
отдельные производства. Процесс достаточно дорогой и продолжительный. Другим недостатком данного метода можно считать неизбежную неравномерность сшивки по толщине полиэтиленового слоя. Поэтому радиационная сшивка применяется только для тонкостенных конструкций:
проводов и кабелей низкого напряжения с толщиной изоляции 1,0 ^1,5 мм. Для больших толщин происходит сшивка поверхностных слоев, а более глубокие - не сшиваются. Если увеличить мощность электронного излучения, тогда более глубокие слои будут подвергаться сшивке, а поверхностные - деструкции. Поэтому радиационной обработке подвергаются поверхностные слои
без наведенной радиации и «на проход» с большой скоростью. Радиационная сшивка полиэтилена применяется при производстве пленок, термоусадочных труб и кабельной изоляции. Таким образом, сшитый полиэтилен, вне зависимости от способа сшивки,
по структуре принципиально отличается от обычного полиэтилена. В обычном полиэтилене химические связи между макромолекулами отсутствуют, имеются лишь достаточно слабые силы межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-
дер-Ваальса), которые примерно на порядок меньше химических сил взаимодействиямежду атомами углерода в молекуле. Появляется более плотная упаковка,между молекулами образуется сетчатая структура в объеме.Такая структура СПЭ увеличивает длительную рабочую температуру, полимер становится термореактивным, т.е. не плавится и при воздействии температуры обугливается. Параметры ПЭ, применяемого для изолирования силовыхкабелей, приведены в табл. 1.4.5. Рабочие свойства СПЭ находятся на уровне
свойств термопластичного ПЭ, а нагревостойкость выше.
Допустимый нагрев жил кабеля в аварийном режиме, не превышающий 8 часов в сутки и не более 1000 часов за срок службы, не должен превышать 80 °С для ПЭ и ПВХП и 130 °С для изоляции из СПЭ.
Длительная допустимая температура жил кабеля с БПИ (вязкая пропитка) составляет: для кабелей 1 и 3 кВ - 80 °С, на 6 кВ - 65 °С, на 10 кВ - 60 °С, на 20 кВ - 55 °С, на 35 кВ - 50 °С. Температура при КЗ для БПИ составляет 200 °С.
1.5. Вводы.
Из результатов сравнения характеристик различных видов главной изоляции КЛ, следует преобладание изоляции из ЭПР над изоляцией из кабельной бумаги пропитанной маслом, полихлорвинила, полиэтилена и поливинилхлоридного пластиката. По изоляционным свойствам ЭПР уступает СПЭ, но имеет ряд преимуществ в отношении монтажа, прокладки, развитии дефектов и удобства эксплуатации.
Из результатов сравнения характеристик различных видов главной изоляции КЛ, следует преобладание изоляции из ЭПР над изоляцией из кабельной бумаги пропитанной маслом, полихлорвинила, полиэтилена и поливинилхлоридного пластиката. По изоляционным свойствам ЭПР уступает СПЭ, но имеет ряд преимуществ в отношении монтажа, прокладки, развитии дефектов и удобства эксплуатации.
ЭКСПЕРТ-ЦЕНТР
Заказать экспертизу