PVC, XLPE, EPR чи LSZH: вибір матеріалів ізоляції та оболонки кабелю

Вибір матеріалів ізоляції та оболонки кабелю схожий на вибір із каталогу: PVC, XLPE, EPR або LSZH. Насправді ж він формує весь кабель. Матеріал визначає допустиму температуру жили, а через неї — допустимий струм, переріз жили, діаметр, масу та ціну. Він також визначає, як кабель поводиться під час пожежі, як згинається під час прокладання та як старіє у воді чи на сонці.

Це не таблиця властивостей, а практичні висновки про те, чим насправді відрізняються PVC, XLPE, EPR і LSZH і де саме припускаються помилок у виборі матеріалів. Про те, де розташовані ці шари в кабелі, читайте в статті Анатомія силового кабелю.

Матеріали ізоляції та оболонки виконують дві різні функції

Ізоляцію та оболонку часто обговорюють разом, але їхні функції різні.

• Ізоляція утримує напругу й має десятиліттями витримувати робочу температуру жили та температуру під час короткого замикання. Найважливіші для неї — електричні властивості.
• Оболонка (подушка, внутрішня оболонка, зовнішня оболонка) захищає кабель від зовнішнього середовища: води, стирання, хімічних речовин, УФ-випромінювання, вогню, гризунів. Найважливіші для неї — механічні властивості та стійкість до впливів середовища.

Та сама назва матеріалу може зустрічатися в обох ролях, але за нею стоять зовсім різні компаунди. Ізоляційний «PVC» і оболонковий «PVC» — це різні марки з різними вимогами. «Кабель LSZH» зазвичай означає безгалогенну оболонку й подушку, тоді як ізоляція часто виконана зі зшитого матеріалу. Сприймати рядок тендера на кшталт «кабель LSZH» як один матеріал — перша поширена помилка.

Висновок 1: справжня межа проходить між термопластами та реактопластами

Найкорисніше групувати матеріали за тим, як вони реагують на нагрівання.

Термопласти (PVC, поліетилен, більшість безгалогенних оболонкових компаундів) розм'якшуються під час нагрівання. Їх легко екструдувати та переробляти, але це обмежує допустиму температуру жили: під час нагрівання струмом короткого замикання ізоляція може деформуватися.

Реактопласти (XLPE, EPR, зшиті безгалогенні компаунди) зшиваються після екструзії — пероксидною вулканізацією на лінії безперервної вулканізації, силанольним (вологим) зшиванням або опроміненням. Зшивання перетворює матеріал на просторову сітку, яка більше не плавиться. Він витримує значно вищу тривалу температуру та значно вищу температуру короткого замикання.

Саме тому кабель з ізоляцією з PVC зазвичай розрахований на максимальну температуру жили 70 °C, а з XLPE та EPR — зазвичай на 90 °C. Ці двадцять градусів — не дрібниця. Вони змінюють допустимий струм за IEC 60287 для тієї самої жили, тож кабель зі зшитою ізоляцією часто може мати менший переріз жили за того самого навантаження. Компаунд PVC дешевший за кілограм, але заощаджений із XLPE метал часто це переважує.

Висновок 2: PVC усе ще розумний вибір — у межах своїх обмежень

PVC дешевий, легко переробляється, природно не поширює горіння завдяки вмісту хлору та міцний. Для кабелів низької напруги у звичайних умовах прокладання він залишається прийнятною ізоляцією та дуже поширеним матеріалом оболонки.

Його обмеження очевидні:

• Температура. Нижчі робоча температура та температура короткого замикання означають більший переріз жили за того самого струму й того самого рівня струму КЗ.
• Електричні втрати. PVC має порівняно високі діелектричні втрати, тому його не застосовують на вищих напругах. В IEC 60502-2 він дозволений лише в самому низу діапазону середньої напруги.
• Продукти горіння. Хлор, завдяки якому PVC не поширює горіння, під час пожежі перетворюється на газоподібний хлористий водень і густий дим. У тунелях, метро, лікарнях, центрах обробки даних і на суднах замовник прагне уникнути саме цього.
• Холод. Стандартні марки твердіють у холодному кліматі; морозостійкі марки треба вказувати окремо.

Висновок 3: XLPE — вибір за замовчуванням, але не єдиний матеріал

XLPE поєднує низькі діелектричні втрати, високу електричну міцність і високу допустиму температуру. Тому він домінує в силових кабелях від низької до надвисокої напруги.

Два моменти часто випускають з уваги:

• Метод зшивання має значення. Силанольно зшитий XLPE поширений на низькій напрузі, бо не потребує лінії безперервної вулканізації. Кабелі середньої та високої напруги зазвичай мають пероксидно зшитий XLPE, екструдований разом із напівпровідними екранами в процесі потрійної екструзії, оскільки чистота матеріалу та межі з екранами критичні за високої електричної напруженості. Завод, що виготовляє XLPE-кабелі НН, не може автоматично виготовляти кабелі СН.
• Водні триінги. У вологих умовах прокладання в ізоляції на основі поліетилену під дією електричного поля можуть утворюватися водні триінги, які поступово знижують електричну міцність. Саме для цього існують триінгостійкий XLPE (TR-XLPE) і радіальні водобар'єри. Якщо енергокомпанія вимагає TR-XLPE або поздовжній і радіальний водобар'єр, вона реагує на досвід експлуатації, а не додає прикрас.

XLPE також порівняно жорсткий, тому не завжди є найкращим рішенням для кабелів, які мають багаторазово згинатися.

Висновок 4: EPR дає гнучкість і надійність ціною втрат

EPR (етиленпропіленова гума та її тверда марка HEPR) — це зшита гума. Вона має таку саму типову допустиму температуру, як XLPE, але помітно гнучкіша й часто вважається стійкішою до часткових розрядів і вологи.

Тому EPR природно підходить для:

• шахтних і гнучких пересувних кабелів,
• суднових і офшорних кабелів,
• кабелів середньої напруги на деяких ринках енергокомпаній,
• кабелів, які треба прокладати з малими радіусами згину або які мають витримувати вібрацію.

Ціна — вища вартість матеріалу та вищі діелектричні втрати, ніж у XLPE, тому EPR рідко зустрічається на високій і надвисокій напрузі. Деякі стандарти також встановлюють для EPR іншу товщину ізоляції, ніж для XLPE, за тієї самої напруги. Заміна EPR на XLPE (або навпаки) в наявній конструкції без повторного розрахунку — класична помилка «скопіювати й відредагувати».

Висновок 5: «LSZH» — це вимога до пожежної безпеки, а не матеріал

LSZH (також LS0H, LSOH, HFFR або «безгалогенний») описує поведінку кабелю під час пожежі: низьке димовиділення, відсутність галогенів, низька корозійна активність газів. Зазвичай це підтверджують випробуваннями — на густину диму (IEC 61034), на виділення газоподібних галогеноводнів (IEC 60754) та на поширення полум'я (серія IEC 60332), — а не назвою компаунду.

Безгалогенні оболонкові компаунди, що не поширюють горіння, досягають цього завдяки наповненню поліолефіну великою кількістю мінерального наповнювача, зазвичай гідроксиду алюмінію або магнію, який під час нагрівання виділяє воду. Такий високий вміст наповнювача має наслідки, які конструктори мають враховувати:

• нижча міцність на розрив і стійкість до стирання, ніж у PVC або PE,
• вище водопоглинання, тож оболонки LSZH — не найкращий вибір для постійно вологих умов або прокладання безпосередньо в ґрунті,
• складніша екструзія з точнішим контролем температури та іншим інструментом,
• вища густина, тож оболонка важча.

Усередині кабелю LSZH ізоляція зазвичай виконана з XLPE або зшитого безгалогенного компаунду, а подушка й оболонка — безгалогенні. Кабель безгалогенний лише настільки, наскільки безгалогенний його найгірший шар: заповнювач або скріпна стрічка з PVC у «LSZH»-кабелі — це невідповідність.

Вогнестійкість (збереження працездатності кола під час пожежі) — це знову інша вимога, яку зазвичай забезпечують слюдяною стрічкою та спеціальними конструкціями. Їй буде присвячено окрему статтю.

Матеріали оболонки: відповідність середовищу

Для зовнішньої оболонки питання не стільки «який полімер», скільки «яке середовище».

PE — чудовий бар'єр від вологи й дуже міцний, тому поширений на кабелях СН і ВН, що прокладаються в ґрунті, але він може не пройти вимоги щодо пожежної безпеки там, де той самий кабель заходить у будівлю. Тендери, які поєднують «прокладання в ґрунті» та «внутрішній стояк» в одній марці кабелю, змушують іти на компроміс, і його треба робити свідомо.

Типові помилки в тендерах

• «LSZH» без посилань на випробування. З'ясуйте, які випробування на дим, галогени та поширення полум'я застосовуються і до яких шарів.
• Змішування вимог до ізоляції та оболонки. «XLPE/PVC» зазвичай означає ізоляцію з XLPE і оболонку з PVC — переконайтеся, що обидві сторони однаково розуміють цей порядок.
• Збереження перерізу жили під час зміни ізоляції. Перехід від PVC до XLPE часто дозволяє зменшити переріз жили; перехід від XLPE до PVC зазвичай вимагає його збільшити. Допустимий струм треба перерахувати.
• Забута температура короткого замикання. Матеріал ізоляції визначає допустиму кінцеву температуру під час КЗ, від якої залежить перевірка жили та екрана.

Чек-лист: питання перед вибором матеріалів

1. Які умови прокладання: у ґрунті, на повітрі, у трубах, у будівлі, у тунелі, на судні?
2. Чи є вимога щодо пожежної безпеки і які випробування її підтверджують?
3. Чи тривалий час кабель перебуває у вологому середовищі? Чи потрібні водобар'єр або триінгостійка ізоляція?
4. Чи має кабель згинатися, витримувати вібрацію або малі радіуси згину під час прокладання?
5. Чи є вплив холодного клімату, хімічних речовин, оливи, УФ-випромінювання, термітів або гризунів?
6. Який стандарт регламентує конструкцію і які матеріали він дозволяє за цієї напруги?

Як CablePLM працює з вибором матеріалів

У CablePLM матеріал ізоляції та оболонки — це вхідні дані для проєктування, а не мітки в технічному паспорті. Кожен пакет стандартів знає, які матеріали стандарт дозволяє для кожного шару й кожної напруги, і застосовує відповідні правила товщини та температурні обмеження як версійовану методику розрахунку. Змініть PVC на XLPE або оболонку з PVC на LSZH — і конструкція шар за шаром, специфікація матеріалів, маси, технічний паспорт і допустимі струми за IEC 60287 перераховуються разом, причому кожне значення позначене як дані стандарту або оцінка. Для тендерів доповнення для вибору та оптимізації кабелів порівнює варіанти пліч-о-пліч, тож вплив зміни матеріалу на вартість видно ще до надсилання пропозиції. Див. також IEC 60502-1 та IEC 60502-2 про те, як основні стандарти на силові кабелі визначають ці рішення.

Хочете побачити порівняння власних варіантів матеріалів на реальній конструкції? Замовте демо.