Изоляция из сшитого полиэтилена: свойства, процесс экструзии и руководство по выбору для производителей кабеля

Изоляция из сшитого полиэтилена существует по одной причине: обычный полиэтилен не выдерживает нагревания кабеля. Сшивка изменяет структуру полимера, поэтому материал перестает плавиться, сохраняет электрическую целостность и выдерживает Температура постоянного проводника 90°С с пиками короткого замыкания до 250°С. Если вы производите силовые кабели, автомобильную проводку или кабели промышленного управления, сшитый полиэтилен является эталоном, с которым вы сравниваете любую другую изоляцию. В этом руководстве рассказывается, что такое изоляция из сшитого полиэтилена, как она работает, как ее экструдируют и что следует учитывать при выборе экструзионной линии.

Что такое изоляция из сшитого полиэтилена и почему сшивка все меняет

СПЭ означает сшитый полиэтилен. Сырьем является полиэтилен с хорошей текучестью и чистотой, обычно обрабатываемый при температуре плавления ниже 150°C. После экструзии кабель проходит этап отверждения, на котором отдельные полимерные цепи соединяются в трехмерную сетку. Это единственное изменение превращает термопластик в термореактивный.

Термопластичный полиэтилен размягчается при нагревании проводника и может деформироваться под давлением внутри кабелепровода или воздуховода. Сшитый полиэтилен сохраняет свою форму, поскольку сшитая сеть удерживает полимерные цепи вместе. Практическим результатом является кабель, который может нагреваться сильнее, проводить больший ток при том же размере проводника и выдерживать перегрузки без разрушения.

От термопластичного полиэтилена к термореактивной сети

Во время сшивания активированные участки соседних полиэтиленовых цепей образуют ковалентные связи. В пероксидном сшитом полиэтилене тепло разлагает дикумилпероксид при температуре выше 180°С с образованием свободных радикалов, которые создают эти связи. В силановом сшитом полиэтилене влага вызывает реакцию конденсации между цепями, привитыми силаном. В обоих случаях конечный материал больше не плавится.

Стандартные индикаторы успешной реакции сшивки включают: удлинение горячей отверждения ниже 175% при 200°C (IEC 60811-507) и содержание геля обычно превышает 70–80%. Если степень сшивки недостаточна, изоляция сохраняет тепловую память и может деформироваться при высокой температуре.

Где изоляция из сшитого полиэтилена заслуживает своего внимания

Изоляция из сшитого полиэтилена преобладает в распределительных кабелях среднего напряжения от 6 до 35 кВ, а также хорошо работает в кабелях высокого и сверхвысокого напряжения до 500 кВ. Низковольтные строительные провода, кабели для горнодобывающей промышленности, судовые кабели, кабели автомобильных аккумуляторов и кабели для ветровых электростанций также используют сшитый полиэтилен, когда применение требует работы при 90 ° C или лучшей устойчивости к перегрузкам.

Чем изоляция из сшитого полиэтилена отличается от других изоляционных материалов

Выбор изоляционного материала подразумевает баланс тепловых характеристик, диэлектрических свойств, гибкости и стоимости. В таблице ниже сравниваются материалы, которые чаще всего встречаются на экструзионных линиях.

Ключевые свойства сшитого полиэтилена, определяющие конструкцию кабеля

Данные, которые имеют наибольшее значение в техническом описании, делятся на три группы: электрическое, термическое и долговременное старение. Вот на что следует обратить внимание: типичные значения, указанные в спецификациях соединений.

• Объемное сопротивление: соединения из сшитого полиэтилена показывают 10. ¹⁵ до 10 ¹⁶ Ом-см при 20°C, поэтому ток утечки остается низким даже при 90°C.
• Относительная диэлектрическая проницаемость: около 2,3–2,5 при промышленной частоте. Это низкое значение снижает емкость и диэлектрические потери в длинных распределительных цепях.
• Коэффициент потерь (tan delta): ниже 0,001 при 20°C и частоте сети в хороших соединениях; более высокие значения указывают на загрязнение или влажность.
• Диэлектрическая прочность: кратковременные испытания экструдированной изоляции из сшитого полиэтилена часто достигают значений от 20 до 40 кВ/мм в зависимости от толщины, конфигурации электродов и чистоты соединения.
• Тепловой рейтинг: Температура постоянного проводника 90°С, 130°C overload (cable-dependent), and 250°C short-circuit peak per IEC 60502 .
• Устойчивость к старению и водостойкости: в составы из сшитого полиэтилена (TR-XLPE), замедляющие образование деревьев, добавляются специальные добавки, которые замедляют электрохимическое растрескивание во влажных установках.

Три способа сшивания для получения сшитого полиэтилена

Способ сшивки сшитого полиэтилена меняет компоновку производственной линии, химический состав и типы кабелей, которые вы можете производить. На рынке доминируют три маршрута.

Пероксидная сшивка

Пероксидный сшитый полиэтилен является стандартом для кабелей среднего и высокого напряжения. Соединение содержит дикумилпероксид, который разлагается при высокой температуре внутри трубы непрерывной вулканизации (CV) при температуре 350–450 ° C паром или азотом под давлением. Кабель остается в трубке достаточно долго, чтобы достичь необходимой степени сшивки. После отверждения побочные продукты перекиси должны дегазироваться, в некоторых конструкциях в течение нескольких дней или даже недель, прежде чем кабель можно будет заделать.

Силановая сшивка

Для изготовления Силан XLPE используется двухэтапный (Sioplas) или одноэтапный (Monosil) процесс. Полиэтилен прививают винилсиланом, а затем сшивают под воздействием горячей воды или пара. За экструзией следует обработка в ванне; скорость линии обычно ниже, поскольку влага должна диффундировать в изоляцию. Этот метод популярен для низковольтных проводов, автомобильных кабелей и других тонкостенных изделий, где дополнительные инвестиции в лампу CV не оправданы.

Радиационная сшивка

Электронно-лучевой ускоритель запускает реакцию сшивки при контролируемых дозах, измеряемых в килогреях. Радиационный сшитый полиэтилен подходит для тонкостенных изделий, термоусадочных материалов и специальных проводов, требующих равномерного сшивания без высокотемпературной химии. Доза, глубина проникновения и скорость линии должны быть тщательно подобраны в соответствии с толщиной изоляционной стены.

Экструдирование изоляции из сшитого полиэтилена: процесс и оборудование

Экструзия изоляции из сшитого полиэтилена выглядит аналогично экструзии полиэтилена, но к чистоте и контролю температуры предъявляются гораздо более высокие требования. Любое загрязнение — сгоревшее соединение, пыль или металлические частицы — создает слабое место, которое может привести к образованию пустоты или дерева под электрическим напряжением. Многие заводы выделяют специальный экструдер для производства сшитого полиэтилена и эксплуатируют его в контролируемой среде.

Температура плавления обычно должна оставаться в узком диапазоне. 120–140°C для силана из сшитого полиэтилена так что сшивка начинается только на стадии отверждения, а не в стволе. Геометрия шнека, степень сжатия и охлаждение ствола — все это влияет на температурный профиль. Устройство смены сеток с мелкой сеткой поддерживает чистоту расплава и помогает удерживать загрязнения из поступающего компаунда.

Для конструкций среднего напряжения тройная экструзия укладывает внутренний полупроводящий слой, изоляцию из сшитого полиэтилена и внешний полупроводящий слой за одну операцию. В изоляционной головке используется конструкция с гладким или рифленым сердечником для обеспечения бездефектного интерфейса, поскольку любая неровность на интерфейсе концентрирует электрическое напряжение.

Для линий изоляции одножильных проводов и кабелей универсальный экструдер, рассчитанный на соединения LSZH, XLPE, TPE и TPU, позволяет заводу переключаться между продуктами, не меняя всю линию. Температурная стабильность, жесткие допуски по толщине стенок и быстрая смена материала определяют, сколько полезного кабеля вы можете произвести за смену.

Линия, которая может работать с сшитым полиэтиленом, а также с LSZH, TPE и TPU, дает вам гибкость при изменении заказов между автомобильными, строительными и промышленными типами кабелей. Прежде чем принять решение, подтвердите конструкцию шнека экструдера, точность контроля температуры и фактическую скорость линии для необходимой вам толщины стенки.

Оболочка и комплектация кабеля на основе сшитого полиэтилена

Изоляция – это только половина дела. Внешняя оболочка защищает сердечник от механических повреждений, влаги, химикатов и ультрафиолета. Компаунды из сшитого полиэтилена также используются для обшивки, когда требуется высокая термостойкость и устойчивость к истиранию, тогда как оболочка LSZH применяется в общественных зданиях, туннелях и кораблях для ограничения дыма и токсичных газов при пожаре.

Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена и оболочкой из сшитого полиэтилена или LSZH может работать непрерывно при температуре 90°C в течение всего срока службы. Линии обшивки обычно работают с более высокой производительностью, чем линии изоляции, поскольку стенки оболочки толще и требования к качеству поверхности различаются. Температурные зоны, скорость вытягивания и расположение охлаждающего лотка должны предотвращать усадку и сохранять концентричность оболочки.

Более полное описание этого этапа можно найти в нашей статье. База знаний о машинах для экструзии оболочек проводов и кабелей прежде чем указать свою строку.

Линия экструзии настраиваемых оболочек из LSZH/XLPE/TPE/TPU Эта экструзионная линия перерабатывает высоковязкие огнестойкие материалы для производства экологически чистых кабелей. Он отличается надежной мощностью привода, улучшенным охлаждением и стабильным натяжением для предотвращения дефектов поверхности и поддержки непрерывного производства. Посмотреть продукт →

Один и тот же производитель обычно может поставлять линии изоляции и оболочки, что упрощает ввод в эксплуатацию, обучение и управление запасными частями. Ассортимент экструдеров для обшивки GEMWELL включает ПВХ, ПЭ, ПП, ПУ, LSZH, сшитый полиэтилен, ТПЭ и ТПУ, а также силикон для работы с высокотемпературными оболочками.

Распространенные дефекты изоляции из сшитого полиэтилена и способы их предотвращения

Проблемы не всегда проявляются во время экструзии; многие из них появляются в готовом тесте кабеля. Вот неисправности, из-за которых кабель из сшитого полиэтилена чаще всего отправляется в отсек для отбраковки.

• Загрязнение: пыль, влага, металл или разложившийся полимер в расплаве могут создавать концентрации напряжений. Смягчение: условия, подобные чистым помещениям, специальный экструдер и сетчатые фильтры тонкой фильтрации.
• Поджигание: если расплав слишком долго остается выше температуры инициирования, пероксид или силан начинают сшиваться в цилиндре. Смягчение: жесткий контроль температуры в стволе, шнек с низким сдвиговым усилием и короткое время пребывания.
• Пустоты и микропустоты: захваченная влага или летучий газ образуют полости во время отверждения. Меры смягчения: высушить компаунд, регулировать поток воздуха в бункере и контролировать условия дегазации.
• Водные деревья: во влажных условиях и при сильном переменном токе из дефектов с годами вырастают древовидные пути деградации. Смягчение: используйте TR-XLPE, гладкие поверхности и сухое отверждение.
• Шероховатость интерфейса: неровная граница между изоляционным и полупроводниковым слоями усиливает электрическое напряжение. Смягчение: совместная экструзия и подходящая конструкция головки.
• Изменение толщины стенки: эксцентричная изоляция не выдерживает испытаний на диэлектрические свойства в самой тонкой точке. Смягчение: лазерная калибровка с замкнутым контуром управления.
• Проблемы с адгезией во влажных конструкциях: слои полупроводников отделяются от изоляции. Смягчение: соблюдайте скорость отверждения соединения и осторожно обращайтесь с кабелем после отверждения.

Регулярная очистка, документированные графики технического обслуживания и обучение операторов предотвращают большинство этих проблем. Ознакомьтесь с нашим практическим руководством по Эксплуатация, обслуживание и ремонт экструзионного оборудования регламент технического обслуживания, который вы можете адаптировать к своей линии.

На что обратить внимание при выборе экструзионной линии для производства изоляции из сшитого полиэтилена

Прежде чем сравнивать предложения, запишите свой ассортимент продукции, целевую скорость линии и диапазон толщины стенок. Затем оцените каждую строчку по таким факторам:

1. Составное покрытие: линия должна работать с полиэтиленом, сшитым полиэтиленом, LSZH, ТПЭ и ТПУ при требуемых температурах плавления без перекрестного загрязнения.
2. Контроль температуры: замкнутые зоны с точностью плюс-минус 1–2°С и достаточное охлаждение ствола для снижения температуры плавления силана из сшитого полиэтилена.
3. Конструкция с винтом и матрицей: подходит для обработки с малым усилием сдвига и рассчитана на тонкие или толстые изоляционные стены.
4. Фильтрация: эффективный сменщик сит, поэтому смена сеток не приводит к длительным остановкам производства.
5. Измерение и контроль: лазерный измеритель диаметра с обратной связью на тягу и винт для оперативного контроля толщины стенки.
6. Конфигурация линии: отводной вал, кабестан или танцор, длина охлаждающего желоба и приемная намотка — все размеры соответствуют требуемой скорости.
7. Поддержка производителя: документация, запасные части, ввод в эксплуатацию и обучение. Поставщик, имеющий экспортные установки во многих странах, снижает риск простоя.

Если вы планируете производить кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена сегодня, а завтра хотите выбрать вариант с изоляцией LSZH, TPE или TPU, практическим ответом будет линия изоляции, предназначенная для всех четырех. Модульная машина окупается быстрее, поскольку вы можете принимать более разнообразные заказы без дополнительных инвестиций.

Часто задаваемые вопросы об изоляции из сшитого полиэтилена

В чем разница между изоляцией из сшитого полиэтилена и обычной полиэтиленовой изоляцией?

Обычный полиэтилен представляет собой термопласт, который размягчается при температуре около 100°C и ограничивает номинальную температуру проводника кабеля до 70°C. Сшитый из сшитого полиэтилена сшитый в термореактивную сетку, которая не плавится, обеспечивает непрерывную работу при температуре 90°C и пиковую температуру короткого замыкания 250°C. Сшитый полиэтилен также намного лучше противостоит растрескиванию под воздействием окружающей среды, чем термопластичный полиэтилен.

Можно ли экструдировать сшитый полиэтилен на стандартном экструдере для полиэтилена?

СПЭ на основе силана часто можно перерабатывать в экструдере для полиэтилена при строгом контроле температуры и чистоте, но шнек, фильтрация и подача материала должны подходить для конкретного соединения. Пероксидный сшитый полиэтилен для кабелей среднего напряжения требует более специализированного оборудования, поскольку этап отверждения происходит на линии CV после экструзии. Вам также следует избегать использования сшитого полиэтилена после огнестойких компаундов на одной линии, если ствол и шнек не очищены полностью.

Какова максимальная рабочая температура изоляции из сшитого полиэтилена?

Для стандартных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена максимальная рабочая температура непрерывного проводника составляет 90°C. В условиях перегрузки это значение обычно составляет 130°C, а максимально допустимая температура проводника при коротком замыкании составляет 250°C в течение продолжительности до пяти секунд в соответствии со стандартом IEC 60502. Проверьте точные значения в стандартах вашего кабеля, поскольку в некоторых специальных конструкциях указаны меньшие значения.

Что такое водяное дерево в кабелях из сшитого полиэтилена?

Водное древообразование — это процесс электрохимической деградации, при котором влага и электрическое напряжение постепенно образуют древовидные микроструктуры из-за дефектов изоляции или интерфейсов. Это не приводит к немедленному выходу из строя, но с годами снижает электрическую прочность и может привести к поломке устаревших кабелей среднего напряжения. Современные соединения из сшитого полиэтилена сухого отверждения, устойчивые к древесине, значительно замедляют этот процесс.

Используется ли изоляция из сшитого полиэтилена в низковольтных кабелях?

Да. Помимо силовых кабелей среднего и высокого напряжения, сшитый полиэтилен используется в низковольтных строительных проводах, автомобильных кабелях, сборных кабелях для ветряных электростанций и кабелях промышленного управления. Основными причинами являются более высокий номинальный температурный диапазон, лучшая перегрузочная способность и более высокая устойчивость к химическим веществам и растрескиванию под напряжением по сравнению с ПВХ или полиэтиленом. Для тонкостенных низковольтных изделий наиболее распространенными путями являются силановая и радиационная сшивка.