Сравнительная оценка плотности и стабильности химической сетки полиэтиленовой изоляции кабельных изделий при термомеханическом воздействии

Page 1
background image

«КАБЕЛЬ-news», март 2010

73

Доклад на конференции

Известно, что ведущую роль в 

формировании свойств СПЭ при по-

вышенных температурах играет плот-

ность пространственной химической 

сетки. При этом в соответствии с тре-

бованиями МЭК 60502 (60540) каче-

ство сшивания определяется не по 

величине плотности сетки, а на осно-

вании величины относительного уд-

линения под действием напряжения 

0,2 МПа в течение 15 мин при 200°С 

(не более 175%). 

Преимуществом этого метода для 

оценки качества кабельных изделий 

является то, что наряду с определе-

нием степени сшивания он позволяет 

оценить также и работоспособность 

сетки, то есть ее стабильность во вре-

мени при термомеханическом воз-

действии. 

Представляло интерес выяснить 

влияние плотности сетки на ее ста-

бильность при одновременном воз-

Сравнительная оценка плотности 
и стабильности химической 
сетки полиэтиленовой изоляции 
кабельных изделий при 
термомеханическом воздействии

Д.И. Лямкин,

 

к.т.н. доцент кафедры 

ХТВМС  Российского химико-

технологического университета 

им. Д.И. Менделеева, Москва

Использование кабельной изоляции из сшитого полиэтилена (СПЭ) рас-

ширяет температурный диапазон эксплуатации до 90-120°С (кратковременно 
до 250°С), повышает химическую стойкость и стойкость к растрескиванию в 
агрессивных средах, улучшает механические свойства и увеличивает время на-
дежной работоспособности кабельных изделий до 30 лет [1].

Д.И. Лямкин

ÏÎËÈÌÅÐÍÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ


Page 2
background image

«КАБЕЛЬ-news», март 2010

74

Доклад на конференции

ÏÎËÈÌÅÐÍÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ

действии температуры и механиче-

ского напряжения.

Объектами исследования служили 

промышленные образцы кабельной 

изоляции из СПЭ ведущих заводов 

России, изготовленные по технологии 

пероксидной, силанольной и радиа-

ционной сшивки.

Механические испытания при 

различных температурах прове-

дены на приборе для структурно-

механических испытаний полимеров 

«СМИП-РХТУ» (рис. 1) [2] (свидетель-

ство об аттестации в системе Госстан-

дарта РФ Ростест-Москва №3649 от 

11.09.97) позволяющем производить 

испытания как в режиме постоянного 

напряжения (σ = const), так и в режи-

ме постоянной нагрузки (Р = const).

Подготовку образцов к испытани-

ям и измерение их геометрических 

размеров проводили в соответствии 

с ГОСТ 25018-81 «Кабели, провода и 

шнуры. Методы определения механи-

ческих показателей изоляции и обо-

лочки». Использовали образцы в виде 

лопаточек. Длина рабочего участка 

составляла (10±1) или (20±1) мм, ши-

рина –2—4 мм, толщина не менее 

0,8 мм.

Для экспресс-контроля степени 

сшивания ПЭ на базе термомехани-

ческого метода исследования при-

менительно к требованиям МЭК раз-

работана методика оценки плотности 

пространственной сетки 

n

c

 [2, 3]. На 

основании термомеханических ис-

следований (рис. 2) установлено, что 

при температуре более 120 °С сшитый 

полиэтилен находится в равновесном 

высокоэластическом состоянии, в ко-

тором кристаллическая структура ПЭ 

практически разрушена и деформи-

рованию образца препятствуют толь-

ко химические связи сетки. 

0

20

40

60

80

100

80

90

100

110

120

130

140

150

160

Т, С

Д

ефо

рма

ц

ия

, % (

0

,1

 М

п

а)

1

2

3

4

Рис. 1. Прибор «СМИП-РХТУ»

1 — шкала лимба; 2 — диски лимба; 3 — блок 

противовеса; 4 — стопорный винт; 5 — стани-

на; 6 — блок верхней тяги; 7 — противовес; 

8 — верхняя тяга; 9 — стакан; 10 — нижняя 

тяга; 11 — стопорная гайка; 12 — улитка; 13 — 

груз; 14 — образец; 15 — зажимы (а — верх-

ний, в — нижний); 16 — вал

Рис .2. Термомеханические кривые несшитого ПЭ (1) 

и ПЭ сшитого радиационным (2), пероксидным (3) 

и силанольным (4) способами

Технические характеристики прибора СМИП-РХТУ

Диапазон рабочих напряжений, МПа

–0,01–100 (±0,01) 

Диапазон измеряемых деформаций, %

–0,5 ÷ 1500 (±0,5)

Температурный диапазон испытания, °С 

–100 ÷ +400


Page 3
background image

«КАБЕЛЬ-news», март 2010

75

Доклад на конференции

Величину плотности сетки оце-

нивали на приборе СМИП-РХТУ при 

Т=1300С в режиме ступенчатого уве-

личения нагрузки по уравнению вы-

сокоэластичности [2-5]: 

где: 

n

c

 — число молей отрезков цепи 

между узлами сетки в единице объема 

(моль/см

3

); 

σ

 — условное напряжение (кгс/см

2

);

λ

 — степень растяжения, в долях; 

T

 — температура (°K); 

R

 — универсальная газовая постоянная 

(84,84 кгс см/моль °K). 

В соответствии с требованиями 

МЭК на приборе СМИП-РХТУ прово-

дили оценку тепловой деформации 

при Т = 200 °С в режиме ползучести 

(0,2 МПа, 15 мин) и оценивали оста-

точную деформации после снятия на-

грузки (рис. 3).

Значения термомеханических 

свойств образцов кабельной изоля-

ции из СПЭ различных заводов изго-

товителей приведены в таблице.

Видно, что промышленные об-

разцы СПЭ различных заводов из-

готовителей существенно отли-

чаются друг от друга по значению 

тепловой деформации и плотности 

сетки даже при одном способе сши-

вания. При этом наибольшие разли-

чия наблюдаются для силанольного 

способа.

Между значениями тепловой де-

формации и значениями плотности 

сетки существует закономерная связь 

(рис. 4). При этом образцы с плотно-

стью сетки менее 4 10

-5

 моль/см

3

 не 

удовлетворяют требованиям МЭК 

по тепловой деформации (не более 

175%). Целесообразно было сравнить 

ÏÎËÈÌÅÐÍÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ

10

20

30

40

50

60

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Время, мин.

Д

е

ф

о

рмация

, %

1

2

3

0

100

200

300

400

500

600

0

2

4

6

8

10

12

14

16

n

c

 10

5

, моль/см

3

Теплова

я де

формация (200 °С),%

2

1

3

Рис. 3. Кривые ползучести при 200°С (0,2 МПа) ПЭ сшитого силанольным (1), 

пероксидным. (2) и радиационным (3) способами

Рис.4. Зависимость тепловой деформации от плотности сетки ПЭ сшитого 

силанольным (1), пероксидным. (2) и радиационным (3) способами


Page 4
background image

«КАБЕЛЬ-news», март 2010

76

Доклад на конференции

значения плотности сетки, рассчи-

танные по величине тепловой дефор-

мации при 200 °С и определенные 

методом ступенчатого нагружения 

при 130 °С. 

Как следует из данных рис. 5, в 

диапазоне изменения плотности сет-

ки (7 – 11) 10

-5

 моль/см

3

 значения nc 

при 130 и 200 °С практически совпа-

дают (отношение 

n

200 / 

n

130 близ-

ко к 1,0). Уменьшение же отношения 

n

200 / 

n

130 при меньших и больших 

значениях плотности сетки, очевидно, 

связано с процессами разрушения 

во времени при термомеханическом 

воздействии. Таким образом, незави-

симо от способа сшивания наиболее 

стабильная структура сетки СПЭ обес-

печивается в диапазоне значений 

n

c

 = 

(7 – 11)10

-5

 моль/см

3

.

Известно, что сшивание полиэти-

лена при пероксидном, силанольном 

и радиационном способе происходит 

в различных температурных услови-

ях. Представляло интерес выяснить, 

различается ли структура и работо-

способность сетки при этих способах 

сшивания. 

Видно (рис. 6), что при одинаковых 

значениях плотности сетки прочность 

ПЭ, сшитого пероксидным способом, 

выше, чем при радиационном и сила-

нольном методах. Видимо, это связано 

с влиянием температуры сшивания на 

регулярность сетки. 

При пероксидном способе тем-

пература сшивания выше температу-

ры плавления (

Т

пл

) ПЭ. В этом случае 

пространственная сетка образуется в 

Таблица. Показатели промышленных образцов сшитого ПЭ

Метод 

сшивания

Завод изготовитель

Образец

200°C

130°С

ε

15 

, %

ε

ост 

, %

ε

р 

, МПа

ε

р 

, % 

n

c

 10

5

моль/см

3

Радиационный 

 ЗАОр НП «Подольсккабель»

АИ CN 2202 

507, 560 разр.

0,20

642

1,26

АИ CN 105 2202

413, 371 разр.

0,33

1010

1,21

АИ-50

250 разр.

0,33

304

2,5

АИ-25

49

0

0,26

67

6,4

26

0

0,31

46

10,3

Пероксидный

Торсада (France)

Фазовый 

30

0

0,87

330

8,3

АВВ «Москабель»

АПвВнг-В 1х120/35-10 кV

64

5

0,7

550

5,0

Силанольный

Торсада (France)

Несущ. нейтраль

29

0

0,86

315

8,6

ОАО «Камкабель»

АПвПг-В 1х240/35-10 кV 

29

7

1,02

236

8,1

«Саранск Кабель» 

СИП-2 №1 

33

4

0,56

136

6,9

СИП-2 №2

28

3,6

0,72

168

7,2

ОАО «Электрокабель» 

г. Кольчугино

ПвБбШв

15

0

0,62

50

14,6

«Севкабель» г. Санкт-Петербург

АПвВГ

18,5

0

0,66

84

13,0

АВВ «Москабель» 

СИП-2А №230

20

0

0,66

94

11,1

СИП-2А №206

30

0

0,48

105

8,5

СИП-2А №3

23

0

0,65

88

10,2

PAS AAA 

2,3 CC 1 x 95 12/20 kV

310 Разр.

0,25

510

2,50

525 Разр.

0,28

1150

1,29

130

10

0,46

430

4,4

ÏÎËÈÌÅÐÍÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ


Page 5
background image

«КАБЕЛЬ-news», март 2010

77

Доклад на конференции

однородном расплаве полимера и яв-

ляется, видимо, более регулярной. 

При силанольном и радиационном 

способе сшивание идет при темпера-

турах ниже 

Т

пл

 и образование сетки 

идет в гетерогенной системе — глав-

ным образом в аморфных областях 

между кристаллитами ПЭ [6]. Поэтому 

при этих способах сшивания образую-

щаяся сетка менее однородна и имеет 

меньшую несущую способность.

Таким образом, использование 

термомеханического метода на базе 

прибора СМИП-РХТУ позволяет не 

только оценить степень сшивания и 

работоспособность сетки, но и по-

лучать техническую информацию о 

качестве СПЭ в соответствии с требо-

ваниями МЭК.

Литература

1. Композиционные материалы 

на основе сшивающихся полиолефи-

нов. Обзорная информация. / Евдоки-

мов Е.И., Кузьмин Ю.Г., Барутенок Р.И. и 

др. М.: НИИТЭХИМ, 1976. 37 с.

2. Образцов Ю.В. — Силовые кабели 

среднего напряжения с изоляцией из 

сшитого полиэтилена. Кабели и прово-

да. 2001. № 6

3. Лямкин Д.И. Механические свой-

ства полимеров: учеб. пособие. М.: РХТУ 

им. Д.И. Менделеева, 2000. 64 с.

4. Боев М.А., Лямкин Д.И., Мисюк К.Г., 

Скакун Е.В. Термомеханический метод 

оценки параметров сетки сшитых по-

лимеров. Кабельная техника, 1996, № 10 

(248), С. 8—14.

5. Трелоар Л. Физика упругости кау-

чука. / Пер. с англ. М.: Издатинлит, 1953. 

240 с.

6. Замотаев П.В. Определение пара-

метров сетчатой структуры сшитого ПЭ. 

// Пласт. массы. 1984. №11. С.10—13.

7. Сирота А.Г. Модификация структу-

ры и свойств полиолефинов. Л.: Химия, 

1984. 152 с.

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

nc 10

5

, моль/см

3

n

200/

n

130

1

2

nc 10

5

, моль/см

3

0

0,2

0,4

0,6

0,8

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Про

чнос

ть (130 

°С), МПа

2

1

3

Рис. 5. Зависимость 

n

c

200/

n

c

130 от плотности сетки образцов СПЭ: 

1 — не разрушились при 200 °С, 

2 — разрушились

Рис. 6. Зависимости прочности при 1300 С кабельной изоляции из полиэтилена 

сшитого ПЭ сшитого силанольным (1), пероксидным (2)* и радиационным (3) 

способами.

*Данные для пероксидного способа (табл.) на рис. 6 дополнены результатами 

испытания опытных образцов с различным содержанием перекиси дикумила.

ÏÎËÈÌÅÐÍÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ


Читать онлайн

Использование кабельной изоляции из сшитого полиэтилена (СПЭ) расширяет температурный диапазон эксплуатации до 90-120°С (кратковременно до 250°С), повышает химическую стойкость и стойкость к растрескиванию в агрессивных средах, улучшает механические свойства и увеличивает время надежной работоспособности кабельных изделий до 30 лет.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»