ZPE vegyületek tápkábelekhez: Tulajdonságok és előnyök

A modern villamosenergia-infrastruktúrában a kábelben lévő szigetelőanyag ugyanolyan kritikus, mint maga a vezető. ZPE keverékek erősáramú kábelekhez – a halogénmentes polietilén alapú térhálósítható készítmények – a hagyományos anyagok nagy teljesítményű alternatívájaként jelentek meg, biztosítva az elektromos szigetelés integritásának, a hőállóságnak és a feldolgozási megbízhatóságnak a kombinációját, amelyet a hálózatüzemeltetők és a kábelgyártók ma már a közepestől az extramagas feszültségű (EHV) rendszerekig megkövetelnek.

90°C Folyamatos üzemi hőmérséklet

>10 ¹⁴ Térfogat-ellenállás (ohm-cm)

<2.3 Dielektromos állandó 1 MHz-en

250°C Rövidzárlati hőmérséklet minősítés

Mik a ZPE vegyületek és miért fontosak?

A ZPE vegyületek peroxiddal térhálósítható polietilén készítmények, amelyeket kifejezetten az erősáramú kábelek szigetelésére terveztek. A térhálósítási folyamat – amelyet az extrudálás során fellépő hő vagy a folyamatos vulkanizációs (CV) csőben indít el – a lineáris PE-láncokat háromdimenziós hőre keményedő hálózattá alakítja. Ez a hálózati struktúra biztosítja a ZPE szigetelésnek a mechanikai robusztusság és az elektromos stabilitás kivételes kombinációját széles üzemi hőmérséklet-tartományban.

Műszaki meghatározás

A ZPE (zéró halogén polietilén) vegyületek peroxid által iniciált térhálósított polietilén szigetelőanyagok, amelyek klór, bróm vagy fluor nélkül vannak kialakítva – kiküszöbölik a mérgező halogénsavgáz-kibocsátást az égés során, miközben megőrzik a szabványos XLPE teljes dielektromos és hőteljesítmény-profilját.

A térhálósított polietilén kábelszigetelés globális piacának értéke 2023-ban meghaladta a 6,8 milliárd dollárt, és az előrejelzések szerint 2030-ig 5,9% feletti CAGR-el fog bővülni, az ázsiai-csendes-óceáni térségben, Európában és Észak-Amerikában zajló hálózatkorszerűsítési programoknak köszönhetően. Ezen a növekedésen belül a halogénmentes változatok, például a ZPE-vegyületek egyre nagyobb arányt képviselnek, ahogy a tűzbiztonsági előírások szigorodnak az alagutakban, a tranzitrendszerekben és a sűrűn lakott városi kábelutakban.

Elektromos szigetelési teljesítmény: a fő előny

A ZPE keverékek olyan elektromos szigetelési tulajdonságokat biztosítanak, amelyek megfelelnek vagy meghaladják az IEC 60502 és IEC 60840 közép- és nagyfeszültségű kábelépítésre vonatkozó követelményeit. Három paraméter határozza meg a kiválóságukat az igényes grid alkalmazásokban:

Dielektromos szilárdság Konzisztensen 30 kV/mm feletti értékek, amelyek vékonyabb szigetelőfalakat tesznek lehetővé egyenértékű névleges feszültség mellett – egyes középfeszültségű kiviteleknél akár 12%-kal csökkenti a vezető-vezető távolságot és a kábel teljes külső átmérőjét a szabványos XLPE-hez képest.
Alacsony disszipációs tényező (barna delta) Tan delta 1x10 alatt ^-4 teljesítményfrekvencián minimálisra csökkenti a dielektromos fűtési veszteségeket, ami kritikus teljesítménykritérium a föld alatti átviteli folyosókon magas terhelési tényező mellett folyamatosan működő kábeleknél.
Részleges kisülési ellenállás A ZPE-vegyületekkel elérhető tiszta, homogén morfológia – a szigorúan ellenőrzött adalékanyag-diszperzió eredményeként – minimális hézagtartalommal hoz létre szigetelést, közvetlenül csökkentve a részleges kisülési degradációra való hajlamot a kábel 40 éves tervezési élettartama alatt.

Hőstabilitás folyamatos és hibás körülmények között

A kábelszigetelés hőstabilitását három különböző rendszer szerint értékelik: folyamatos üzem, túlterhelés és rövidzárlat. A ZPE-vegyületeket úgy alakították ki, hogy mindhárom területen megbízhatóan működjenek szerkezeti degradáció vagy a dielektromos tulajdonságok elvesztése nélkül.

90°C-os vezetékhőmérsékleten történő folyamatos működés mellett a térhálósított ZPE szigetelés 20 000 órás hőöregítés után megtartja kezdeti szakadási nyúlásának több mint 95%-át – ezt az eredményt az IEC 60216 módszertanok által hivatkozott gyorsított öregedési vizsgálatok is megerősítik. Rövidzárlati körülmények között a hőre keményedő hálózat ellenáll a 250 °C-ot meghaladó átmeneti hőmérsékleteknek olvadás vagy folyás nélkül, ez a hibamód, amely teljesen kiküszöböli a hőre lágyuló PE-t a rövidzárlatos HV alkalmazásokból.

Thermal Performance Benchmark

20 000 órányi 90°C-on végzett termikus öregítés után a ZPE szigetelés több mint 95%-os szakadási nyúlást tart fenn – megfelel az IEC 60502-2 B. mellékletének a középfeszültségű kábel minősítésére vonatkozó követelményeinek anélkül, hogy a paramétereket 10 000 órás időközönként újra tesztelnék.

ZPE vegyületek vs XLPE vegyületek: közvetlen összehasonlítás

A ZPE versus XLPE vita alapvetően az alkalmazási környezet kérdése. Mindkettő térhálósított polietilén rendszer – a különbség a halogéntartalomban, az égési viselkedésben és a szabályozási megfelelésben rejlik.

ZPE vegyületek

Nulla halogéntartalom – égéskor nincs HCl vagy HBr gáz
Alacsony füstsűrűség az IEC 61034 szerint
Megfelel az EN 50267 korróziós követelményeknek
Előnyben részesítik alagutakban, vasúton, tengeri és középületekben
Az XLPE-vel egyenértékű dielektromos és hőteljesítmény
Jellemzően 8-15%-kal magasabb anyagköltség, mint a standard XLPE

Szabványos XLPE vegyületek

Halogénezett égésgátló adalékokat tartalmazhat
Nagyobb füst- és korrozív gázpotenciál a tűzben
Nem felel meg az EN 50267 szabványnak
Szabvány nyílt kültéri, csatornás és közvetlen temetési útvonalakhoz
Kialakult, kiterjedt teljesítményadatok minden feszültségszinten
Alacsonyabb egységköltség – előnyben részesítendő, ha a tűzvédelmi osztály nincs megadva

Az európai CPR (Construction Products Regulation) vagy az ezzel egyenértékű nemzeti tűzbiztonsági előírások által szabályozott specifikációk esetében a ZPE keverékek jelentik a műszakilag megfelelő utat a Cca és Dca tűzállósági osztályozáshoz anélkül, hogy a kábel vezetékét vagy fémes árnyékoló architektúráját újraterveznék.

Feldolgozási teljesítmény nagy sebességű extrudáló sorokban

A keverék terepi teljesítménye semmit sem jelent, ha nem lehet megbízhatóan feldolgozni gyártósor-sebességgel. ZPE keverékek erősáramú kábelekhez Úgy tervezték, hogy az elektromos tulajdonságok mellett a feldolgozási teljesítmény az elsődleges tervezési kritérium.

Feldolgozási paraméter	ZPE vegyület specifikáció	Jelentősége
Olvadékáramlási index (MFI)	0,8–2,0 g/10 perc (190°C/2,16 kg)	Biztosítja a méretstabilitást az extrudáló szerszám kilépésénél
Perzselési idő (ts1)	Több mint 12 perc 140°C-on	Megakadályozza az idő előtti térhálósodást a CV-cső belépése előtt
Crosslink Degree (hot set)	Kevesebb, mint 100%-os nyúlás 200°C-on / 20N/cm2	Megerősíti a teljes kikeményedést az IEC 60811-507 szerint
Feldolgozási hőmérséklet	120-150°C (hordózónák)	Kompatibilis a szabványos CV csővezeték konfigurációkkal

A szabályozott beégési idő a működés szempontjából legkritikusabb specifikáció. Meghatározza a feldolgozási ablakot az extruder hengerében történő összetett lágyítás és a CV cső térhálósítása között – a túl rövid és idő előtti térhálósodás felületi érdességet és excentricitási hibákat okoz; túl hosszú, és a kábelmag keményedési sűrűsége nem elegendő az IEC minősítési tesztekhez.

Dielektromos tulajdonságok, amelyek meghatározzák a hosszú távú megbízhatóságot

A kábelek szigetelésének meghibásodási módjai túlnyomórészt elektromos eredetűek – tértöltés felhalmozódása, vízképződés és termikus kifutás nagy térfeszültség alatt. A ZPE összetételű készítmények mindhárom mechanizmussal foglalkoznak az anyagtervezés révén.

Tértöltés elnyomása: A speciálisan kiválasztott antioxidáns és feszültségstabilizáló csomagok csökkentik a heterotöltés felhalmozódását a vezetőernyő felületén – ez a mechanizmus ismert módon akár 40%-kal is felerősíti a helyi elektromos térfeszültséget kezeletlen XLPE-ben egyenáramú körülmények között.
Vízfa retardanciája: A fát késleltető ZPE (TR-ZPE) minőségek olyan molekuláris szintű adalékanyagokat tartalmaznak, amelyek megszakítják az elektrokémiai oxidációs folyamatot, amely felelős a víz fa iniciációjáért, meghosszabbítva a szigetelés élettartamát nedves, közvetlen temetési környezetben az IEC 60502 alapvonalon túl.
Thermal Runaway Margin: A ZPE szigetelés alacsony sárgásbarna delta-jellemzője biztosítja, hogy a dielektromos önmelegedés az üzemi térgradienseknél jóval az alatt a küszöbérték alatt maradjon, amelynél a pozitív visszacsatolású hőinstabilitás kialakulhat – ez a követelmény kifejezetten szerepel az IEC 62067 szabványban az EHV kábeltervezésnél.

ZPE-vegyületek megadása: Meghatározandó kulcsparaméterek

A megfelelő ZPE keverékminőség kiválasztásához egy kábelkialakításhoz hat specifikációs tengelyre van szükség. Adjon világos célokat az összetett szállítójának mindegyikhez, hogy műszakilag megfelelő ajánlást kapjon:

Feszültség osztály — Az MV (1–36 kV), HV (36–150 kV) vagy EHV (150–500 kV) határozza meg a szükséges dielektromos szilárdságot és tisztasági fokozatot

Telepítési környezet – alagút, közvetlen temetés, tengeralattjáró vagy légi – szabályozza a láng-, nedvesség- és UV-állósági követelményeket

Alkalmazandó szabványok — IEC 60502, IEC 60840, IEC 62067, NF C 33-210 vagy projektspecifikus közmű-specifikációk

CV vonal konfiguráció — gőz, száraz nitrogén/infravörös (MDCV/HVCV) vagy szilán-nedves térhálósítás — befolyásolja a szükséges beégési időt és az MFI tartományt

Tűzállósági osztály — CPR osztály, IEC 60332 kategória vagy IEC 61034 füstsűrűségi cél

DC vagy AC szolgáltatás — Az egyenáramú kábelalkalmazásokhoz helytöltésre optimalizált minőségekre van szükség, amelyek sajátos ellenállás-hőmérséklet-jellemzői különböznek az AC-besorolású vegyületektől