Изоляция кабеля: виды полимерных материалов¶

Изоляция кабеля — это совокупность материалов и конструктивных элементов, окружающих токопроводящие жилы и обеспечивающих их электрическую, механическую и химическую защиту от воздействия окружающей среды и взаимного влияния. Основным требованием к изоляции является высокое электрическое сопротивление, диэлектрическая проницанность, теплопроводность и стойкость к старению. Среди широкого спектра изоляционных материалов наибольшее распространение в современной кабельной промышленности получили полимеры — органические высокомолекулярные соединения, которые благодаря своим физико-химическим свойствам, технологичности и относительно невысокой стоимости вытеснили традиционные бумажно-пропиточные и резиновые составы.

¶Основные виды полимерных материалов

¶Поливинилхлорид (ПВХ)

Поливинилхлорид является одним из самых распространённых изоляционных материалов. Он представляет собой термопластичный полимер, получаемый полимеризацией винилхлорида. В чистом виде ПВХ хрупок, поэтому в состав изоляционных компаундов вводят пластификаторы (например, диоктилфталат), стабилизаторы и наполнители. Изоляция из ПВХ обладает хорошими диэлектрическими свойствами (удельное объёмное сопротивление порядка 10¹³–10¹⁴ Ом·см), стойкостью к маслам, кислотам и щелочам, а также не поддерживает горение, что достигается введением антипиренов. Основной недостаток — выделение токсичного хлористого водорода при горении и ограниченный диапазон рабочих температур (обычно от −40 °C до +70 °C). ПВХ применяется для изоляции силовых, контрольных и монтажных кабелей напряжением до 6 кВ, а также для оболочек кабелей.

¶Сшитый полиэтилен (СПЭ)

Полиэтилен, подвергнутый сшивке, является доминирующим материалом для изоляции силовых кабелей среднего и высокого напряжения (от 6 до 500 кВ). Сшивка — это процесс образования поперечных химических связей между макромолекулами полиэтилена, который осуществляется тремя основными способами: пероксидным (при высоком давлении и температуре), силановым (при участии воды) и радиационным (под воздействием пучка электронов). В результате сшивки полиэтилен переходит из термопластичного состояния в термореактивное, что значительно повышает его термостойкость: длительно допустимая температура жилы достигает 90 °C, а при коротком замыкании — до 250 °C. Материал обладает низким диэлектрическими потерями (тангенс угла диэлектрических потерь менее 0,001), высокой электрической прочностью и стойкостью к растрескиванию. Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена легче и имеют больший ток нагрузки по сравнению с кабелями с бумажной изоляцией.

¶Термопластичный полиэтилен (ПЭ)

Термопластичный полиэтилен высокого и низкого давления используется для изоляции кабелей связи, радиочастотных и контрольных кабелей. Он отличается очень низким тангенсом угла диэлектрических потерь (менее 0,0002), что обеспечивает малую величину затухания сигнала. Полиэтилен стоек к влаге и химическим веществам, однако его недостатками являются горючесть и низкая термостойкость (рабочая температура не превышает 70 °C). Для повышения стойкости к растрескиванию под напряжением применяют сополимеры этилена (например, этиленпропиленовые каучуки).

¶Этиленпропиленовая резина (ЭПР)

Этиленпропиленовые каучуки (EPM и EPDM) применяются в качестве изоляции в кабелях, работающих в условиях повышенных температур и агрессивных сред. Резиновая изоляция на основе ЭПР обладает высокой эластичностью, стойкостью к озону и атмосферным воздействиям, а также хорошими диэлектрическими характеристиками. В отличие от ПВХ, ЭПР не содержит галогенов, что делает её предпочтительной в производстве кабелей с низким дымо- и газовыделением (безгалогенные кабели). Рабочая температура изоляции из ЭПР достигает 90 °C. Основная область применения — кабели для атомных электростанций, судостроения, горнодобывающей промышленности и подвижного состава.

¶Полипропилен (ПП)

Полипропилен используется реже, чем полиэтилен, однако находит применение в изоляции обмоточных проводов и кабелей с повышенными механическими требованиями. Он прочнее полиэтилена, обладает высокой термостойкостью (до 120 °C) и стойкостью к многократным изгибам. Недостатком является более высокий тангенс угла диэлектрических потерь по сравнению с ПЭ.

¶Фторопласты (ПТФЭ, ФЭП, ПФА)

Фторопласты (политетрафторэтилен, фторированный этиленпропилен) — класс полимеров с уникальными свойствами: они обладают наивысшей химической стойкостью, не горят, работают в диапазоне температур от −190 °C до +260 °C и имеют исключительно низкий коэффициент трения. Диэлектрическая проницаемость фторопластов составляет около 2,0, что обеспечивает минимальные потери в высокочастотных кабелях. Применяются в авиационной, космической технике, в кабелях для геофизических исследований и специальной аппаратуры. Основным ограничением является высокая стоимость и сложность переработки.

¶Сравнительная характеристика

¶Требования к изоляции и перспективы развития

К изоляционным полимерным материалам предъявляются требования по электрической прочности, удельному объёмному сопротивлению, стойкости к тепловому старению, водонепроницаемости (особенно для кабелей с продольной герметизацией) и совместимости с материалом токопроводящей жилы. В последние десятилетия усилились экологические требования: производители переходят на безгалогенные композиции, не выделяющие при горении коррозионно-активных и токсичных газов. Перспективным направлением является разработка нанокомпозитных полимерных материалов с добавками наночастиц глины или оксидов металлов, что позволяет повысить стойкость к частичным разрядам и улучшить теплопроводность изоляции. Также активно развиваются технологии сшивки полиэтилена с использованием облучения, позволяющие получать изоляцию с более равномерными свойствами.