PVC, XLPE, EPR или LSZH: выбор материалов изоляции и оболочки кабеля

Выбор материалов изоляции и оболочки кабеля похож на выбор из каталога: PVC, XLPE, EPR или LSZH. На деле он формирует весь кабель. Материал задаёт допустимую температуру жилы, а через неё — допустимый ток, сечение жилы, диаметр, массу и цену. Он также определяет, как кабель ведёт себя при пожаре, как изгибается при прокладке и как стареет в воде или на солнце.

Это не таблица свойств, а практические выводы о том, чем на самом деле различаются PVC, XLPE, EPR и LSZH и где именно ошибаются при выборе материалов. О том, где эти слои расположены в кабеле, читайте в статье Анатомия силового кабеля.

Материалы изоляции и оболочки выполняют две разные функции

Изоляцию и оболочку часто обсуждают вместе, но их функции различны.

• Изоляция удерживает напряжение и должна десятилетиями выдерживать рабочую температуру жилы и температуру при коротком замыкании. Важнее всего для неё — электрические свойства.
• Оболочка (подушка, внутренняя оболочка, наружная оболочка) защищает кабель от внешней среды: воды, истирания, химических веществ, УФ-излучения, огня, грызунов. Важнее всего для неё — механические свойства и стойкость к воздействиям среды.

Одно и то же название материала может встречаться в обеих ролях, но за ним стоят совершенно разные компаунды. Изоляционный «PVC» и оболочечный «PVC» — это разные марки с разными требованиями. «Кабель LSZH» обычно означает безгалогенную оболочку и подушку, тогда как изоляция часто выполнена из сшитого материала. Воспринимать строку тендера вроде «кабель LSZH» как один материал — первая распространённая ошибка.

Вывод 1: настоящая граница проходит между термопластами и реактопластами

Полезнее всего группировать материалы по тому, как они реагируют на нагрев.

Термопласты (PVC, полиэтилен, большинство безгалогенных оболочечных компаундов) размягчаются при нагреве. Их легко экструдировать и перерабатывать, но это ограничивает допустимую температуру жилы: при нагреве током короткого замыкания изоляция может деформироваться.

Реактопласты (XLPE, EPR, сшитые безгалогенные компаунды) сшиваются после экструзии — пероксидной вулканизацией на линии непрерывной вулканизации, силанольным (влажным) сшиванием или облучением. Сшивка превращает материал в пространственную сетку, которая больше не плавится. Он выдерживает значительно более высокую длительную температуру и значительно более высокую температуру короткого замыкания.

Именно поэтому кабель с изоляцией из PVC обычно рассчитан на максимальную температуру жилы 70 °C, а с XLPE и EPR — обычно на 90 °C. Эти двадцать градусов — не мелочь. Они меняют допустимый ток по IEC 60287 для той же жилы, поэтому кабель со сшитой изоляцией часто может иметь меньшее сечение жилы при той же нагрузке. Компаунд PVC дешевле за килограмм, но сэкономленный с XLPE металл часто это перевешивает.

Вывод 2: PVC всё ещё разумный выбор — в пределах своих ограничений

PVC дёшев, легко перерабатывается, по своей природе не распространяет горение благодаря содержанию хлора и прочен. Для кабелей низкого напряжения в обычных условиях прокладки он остаётся приемлемой изоляцией и очень распространённым материалом оболочки.

Его ограничения очевидны:

• Температура. Более низкие рабочая температура и температура короткого замыкания означают большее сечение жилы при том же токе и том же уровне тока КЗ.
• Электрические потери. У PVC сравнительно высокие диэлектрические потери, поэтому его не применяют на более высоких напряжениях. В IEC 60502-2 он допускается только в самом низу диапазона среднего напряжения.
• Продукты горения. Хлор, благодаря которому PVC не распространяет горение, при пожаре превращается в газообразный хлористый водород и густой дым. В тоннелях, метро, больницах, центрах обработки данных и на судах заказчик стремится избежать именно этого.
• Холод. Стандартные марки твердеют в холодном климате; морозостойкие марки нужно указывать отдельно.

Вывод 3: XLPE — выбор по умолчанию, но не единый материал

XLPE сочетает низкие диэлектрические потери, высокую электрическую прочность и высокую допустимую температуру. Поэтому он доминирует в силовых кабелях от низкого до сверхвысокого напряжения.

Два момента часто упускают из виду:

• Способ сшивки имеет значение. Силанольно сшитый XLPE распространён на низком напряжении, так как не требует линии непрерывной вулканизации. Кабели среднего и высокого напряжения обычно имеют пероксидно сшитый XLPE, экструдированный вместе с полупроводящими экранами в процессе тройной экструзии, поскольку чистота материала и границы с экранами критичны при высокой напряжённости электрического поля. Завод, выпускающий XLPE-кабели НН, не может автоматически выпускать кабели СН.
• Водные триинги. Во влажных условиях прокладки в изоляции на основе полиэтилена под действием электрического поля могут развиваться водные триинги, которые постепенно снижают электрическую прочность. Именно для этого существуют триингостойкий XLPE (TR-XLPE) и радиальные водобарьеры. Если энергокомпания требует TR-XLPE или продольный и радиальный водобарьер, она реагирует на опыт эксплуатации, а не добавляет украшения.

XLPE также сравнительно жёсткий, поэтому не всегда является лучшим решением для кабелей, которые должны многократно изгибаться.

Вывод 4: EPR даёт гибкость и надёжность ценой потерь

EPR (этиленпропиленовая резина и её твёрдая марка HEPR) — это сшитая резина. Она имеет ту же типичную допустимую температуру, что и XLPE, но заметно гибче и часто считается более устойчивой к частичным разрядам и влаге.

Поэтому EPR естественно подходит для:

• шахтных и гибких переносных кабелей,
• судовых и офшорных кабелей,
• кабелей среднего напряжения на некоторых рынках энергокомпаний,
• кабелей, которые нужно прокладывать с малыми радиусами изгиба или которые должны выдерживать вибрацию.

Цена — более высокая стоимость материала и более высокие диэлектрические потери, чем у XLPE, поэтому EPR редко встречается на высоком и сверхвысоком напряжении. Некоторые стандарты также устанавливают для EPR иную толщину изоляции, чем для XLPE, при том же напряжении. Замена EPR на XLPE (или наоборот) в существующей конструкции без повторного расчёта — классическая ошибка «скопировать и отредактировать».

Вывод 5: «LSZH» — это требование пожарной безопасности, а не материал

LSZH (также LS0H, LSOH, HFFR или «безгалогенный») описывает поведение кабеля при пожаре: низкое дымовыделение, отсутствие галогенов, низкая коррозионная активность газов. Обычно это подтверждают испытаниями — на плотность дыма (IEC 61034), на выделение газообразных галогеноводородов (IEC 60754) и на нераспространение горения (серия IEC 60332), — а не названием компаунда.

Безгалогенные оболочечные компаунды, не распространяющие горение, достигают этого за счёт наполнения полиолефина большим количеством минерального наполнителя, обычно гидроксида алюминия или магния, который при нагреве выделяет воду. Такое высокое содержание наполнителя имеет последствия, которые конструкторы должны учитывать:

• более низкая прочность на разрыв и стойкость к истиранию, чем у PVC или PE,
• более высокое водопоглощение, поэтому оболочки LSZH — не лучший выбор для постоянно влажных условий или прокладки непосредственно в грунте,
• более сложная экструзия с более точным контролем температуры и другим инструментом,
• более высокая плотность, поэтому оболочка тяжелее.

Внутри кабеля LSZH изоляция обычно выполнена из XLPE или сшитого безгалогенного компаунда, а подушка и оболочка — безгалогенные. Кабель безгалогенный лишь настолько, насколько безгалогенный его худший слой: заполнитель или скрепляющая лента из PVC в «LSZH»-кабеле — это несоответствие.

Огнестойкость (сохранение работоспособности цепи при пожаре) — это снова другое требование, которое обычно обеспечивают слюдяной лентой и специальными конструкциями. Ей будет посвящена отдельная статья.

Материалы оболочки: соответствие среде

Для наружной оболочки вопрос не столько «какой полимер», сколько «какая среда».

PE — отличный барьер от влаги и очень прочен, поэтому распространён на кабелях СН и ВН, прокладываемых в земле, но он может не пройти требования пожарной безопасности там, где тот же кабель входит в здание. Тендеры, объединяющие «прокладку в земле» и «внутренний стояк» в одной марке кабеля, вынуждают идти на компромисс, и его нужно делать осознанно.

Типичные ошибки в тендерах

• «LSZH» без ссылок на испытания. Уточните, какие испытания на дым, галогены и нераспространение горения применяются и к каким слоям.
• Смешение требований к изоляции и оболочке. «XLPE/PVC» обычно означает изоляцию из XLPE и оболочку из PVC — убедитесь, что обе стороны одинаково понимают этот порядок.
• Сохранение сечения жилы при смене изоляции. Переход с PVC на XLPE часто позволяет уменьшить сечение жилы; переход с XLPE на PVC обычно требует его увеличить. Допустимый ток нужно пересчитать.
• Забытая температура короткого замыкания. Материал изоляции задаёт допустимую конечную температуру при КЗ, от которой зависит проверка жилы и экрана.

Чек-лист: вопросы перед выбором материалов

1. Каковы условия прокладки: в земле, на воздухе, в трубах, в здании, в тоннеле, на судне?
2. Есть ли требование пожарной безопасности и какие испытания его подтверждают?
3. Находится ли кабель длительное время во влажной среде? Нужны ли водобарьер или триингостойкая изоляция?
4. Должен ли кабель изгибаться, выдерживать вибрацию или малые радиусы изгиба при прокладке?
5. Есть ли воздействие холодного климата, химических веществ, масла, УФ-излучения, термитов или грызунов?
6. Какой стандарт регламентирует конструкцию и какие материалы он допускает при данном напряжении?

Как CablePLM работает с выбором материалов

В CablePLM материал изоляции и оболочки — это исходные данные для проектирования, а не надписи в техническом паспорте. Каждый пакет стандартов знает, какие материалы стандарт допускает для каждого слоя и напряжения, и применяет соответствующие правила толщины и температурные ограничения как версионируемую методику расчёта. Замените PVC на XLPE или оболочку из PVC на LSZH — и послойная конструкция, спецификация материалов, массы, технический паспорт и допустимые токи по IEC 60287 пересчитываются вместе, причём каждое значение помечено как данные стандарта или оценка. Для тендеров дополнение для выбора и оптимизации кабелей сравнивает варианты бок о бок, поэтому влияние смены материала на стоимость видно ещё до отправки предложения. См. также IEC 60502-1 и IEC 60502-2 о том, как основные стандарты на силовые кабели определяют эти решения.

Хотите увидеть сравнение собственных вариантов материалов на реальной конструкции? Запишитесь на демо.