Kable średnich napięć z izolacją fluoropolimerową (FEP

Kable średnich napięć z izolacją fluoropolimerową (FEP)

1. Wprowadzenie

Od lat 60. XX wieku najbardziej popularnym i powszechnie stosowanym materiałem izolacyjnym do kabli średnich i wysokich napięć był polietylen (PE), a następnie usieciowany polietylen (XLPE). Przez dekady badano właściwości elektro-mechaniczne tych materiałów, co pozwoliło na określenie ich zalet oraz ograniczeń. Wysoka wytrzymałość elektryczna szła w parze z dobrymi właściwościami mechanicznymi. Skokiem milowym dla tych materiałów okazała się możliwość zastosowania zewnętrznej warstwy półprzewodzącej wytłaczanej i zespojonej z warstwą izolacyjną, czyli ekranów półprzewodzących. Tego typu kable po dziś dzień wykorzystywane są w przemyśle jako sprawdzone rozwiązanie dla większości zastosowań. Oczywiście materiały te nie są idealne i z biegiem czasu oraz rozwojem technologicznym zaczynają nie spełniać rosnących wymagań. Wraz z rozwojem przemysłu wymagania co do właściwości chemiczno-mechanicznych materiałów izolacyjnych zmieniły się diametralnie na przestrzeni ostatnich lat. Obecnie kable powinny być odporne na chemikalia występujące w ich środowisku pracy oraz wysoką temperaturę, która może być wywołana na przykład przez środowisko pracy. Materiały na bazie polietylenu nie są tak odporne chemicznie jak najnowsze materiały z rodziny fluoropolimerów. Maksymalna temperatura pracy do +90 °C również ogranicza ich dzisiejsze zastosowanie w bardziej wymagających środowiskach. Coraz więcej aplikacji przemysłowych wymaga pracy ciągłej w temperaturze powyżej +110 °C, co uniemożliwia zastosowanie dobrze znanej izolacji XLPE [1]. Coraz większą popularność w wśród materiałów izolacyjnych stanowią fluoropolimery. Znane są one od wczesnych lat 50. XX wieku. Najpopularniejsze typy tych tworzyw to politetrafluoroetylen (PTFE) oraz poliwinylidenofluor (PVDF). Przeważnie stosowane są one do kabli i przewodów niskich napięć pracujących w temperaturach powyżej 150°C. Unikalne właściwości antyadhezyjne tych materiałów są ich zaletą, a zarazem i wadą. Idealny materiał wysokotemperaturowy, z małą stałą dielektryczną, który ciężko jest zespoić z innym materiałem nie znalazł zastosowania w kablach średnich i wysokich napięć. Największą przeszkodą okazało się połączenie izolacji z ekranem półprzewodzącym. Na przestrzeni lat powstały nowe zmodyfikowane materiały fluoropolimerowe, takie jak polimer perfluoroalkoksylowy (PFA), fluorowany etylen-propylen (FEP), kopolimer etylenu-tetrafluoroetylenu (ETFE). Przejęły one zalety materiałów podstawowych z rodziny fluoropolimerów (PTFE), jak odporność na chemikalia oraz odporność temperaturową i dodały do tego stosunkowo dobre właściwości przetwórcze[2,3].

Rysunek 1. Przykładowe kable z izolacja ZeroarcTM firmy Habia Cable[4].

Tabela 1: Tabela porównawcza wybranych parametrów mechaniczno-fizycnych izolacji kabli SN i WN

Tabela 1: Tabela porównawcza wybranych parametrów mechaniczno-fizycnych izolacji kabli SN i WN

Materiał izolacyjny Zespolone ekrany półprzewodzące Podporność na WNZ Temperatura pracy Odporność chemiczna Odporność ogniowa Odporność mechaniczna Promień gięcia

Tradycyjne izolacje dla SN i WN

XLPE, ERP,PP TAK TAK -40 °C do +90°C ZŁA ZŁA DOBRA ODPOWIEDNIA

Specjalne izolacje dla SN i WN

Np. Sylikony TAK (bardzo nieliczne) TAK -80 °C do +180°C ZŁA W zależności od rodzaju ZŁA DOBRA

Izolacja FEP ZeroarcTM firmy Habia Cable

FEP TAK TAK -200 °C do +250°C DOBRA DOBRA DOBRA ODPOWIEDNIA ODPOWIEDNIA

Właściwości

Gęstość Absorbcja wilgoci Wydłużenie przy zerwaniu Moduł Younga Min promień gięcia Twardość Min temperatura pracy ciągłej Max temperatura pracy ciągłej Stała dielektryczna Wytrzymałość elektryczna

FEP

2,10 g/cm3 0,01 % 250-300% 0,30-0,70 GPa 10 x średnica 30-60 Sh D -200 °C +250 °C 2,10 40-80 kV/mm

XLPE

0,92-1,4 g /cm3 0,01 % 100-440 % 0,35-3,5 GPa 15 x średnica 30-80 Sh D - 40 °C +90 °C 2,25 35-50 kV/mm

Od kilku lat istnieje możliwość łączenia tych materiałów z ekranami półprzewodzącymi. Jako jedna z nielicznych firm, która uzyskała połączenie pomiędzy fluoropolimerową izolacją a ekranem półprzewodzącym jest szwedzka firma HABIA CABLE AB. Z sukcesem produkuje ona trójwarstwowe kable średnich napięć z izolacją fluoropolimerową (FEP) zespojoną z fluoropolimerowymi warstwami półprzewodzącymi (PFA). W 2021 roku firma wprowadziła na rynek wyżej wymienione kable pod handlową nazwą Zeroarc ™[4]. Chcąc dokonać porównania pomiędzy różnymi typami izolacji stosowanymi do produkcji kabli średnich napięć trzeba wyznaczyć najbardziej pożądane parametry jakimi powinny charakteryzować się kable SN. Tabela 1 zawiera porównanie przykładowych materiałów izolacyjnych i ich właściwości mechanicznych oraz funkcjonalnych. Aby dokonać poprawnej analizy powyższej tabeli należy rozdzielić parametry elektryczne od parametrów fizycznych. Biorąc pod uwagę odporność na wyładowania niezupełne (WNZ), każda z wynienionych grup izolacji posiada podobne właściwości. Wynika to z możliwości zespojenia warstwy półprzewodzącej, która odpowiada za rozkład pola elektrycznego w izolacji kabla, tak więc każda z grup będzie nadawała się do zastosowania w kablach SN. Jednak porównanie właściwości fizycznych wskazuje na przewagę izloacji FEP zastosowanej w produkcie Zeroarc™ firmy Habia Cable AB. Zwiększony zakres temperatury pracy idzie w parze z dobrymi właściwościami mechanicznymymi oraz odpornością chemiczną, co na pewno odpowiada kryteriom postawionym przez dzisiejszy przemysł.

1. FEP jako materiał izolacyjny w kablach SN - właściwości

Fluorowany etylenopropylen (FEP) jest kopolimerem heksafluoropropylenu i tetrafluoroetylenu. Odbiega on jednak znacząco od fluoropolimeru PTFE, najbardziej zanego z tej rodziny materiałów, tym że jest łatwiej przetwarzalny przez standardowe maszyny i techniki formowania wtryskowego jak i wytłaczania śrubowego. Dlatego został wybrany przez Firmę Habia Cable AB jako najlepszy materiał do wykorzystania jako izolacja kabla. Jego tempertura przetwórstwa wynosi około 340-390 °C, a temperatura topnienia zaczyna się około 260°C. Tak wysokie temperatury przetwórstwa pozwalają osiągnąć dużo wyższe temperatury pracy materiału w porównaniu od usieciowanego Polietylenu (XLPE). Przetwórstwo tego typu materiału nie należy do najprostszych oraz wymaga specjalistycznych wytłaczarek odpornych na korozję związaną z możliwością emisji toksycznych dymów [2,3]. Po raz kolejny najlepszym przykładem będzie porównanie materiału FEP do najczęściej wykorzystywanego materiału na izolację kabli SN, czyli usieciowanego polietylenu (XLPE). Najważniejsze informacje porównawcze znajdują się w Tabeli 2. Oczywiście wartości w podanej tabeli będą zależały od gatunku materiału wykorzystanego do produkcji izolacji kabla. Zauważyć można, że oprócz innych zakresów temperatury pracy, również znacząco różni się wartość wytrzymałości elektrycznej. Można przyjąć, że wytrzymałość elektryczna FEP’u jest prawie dwukrotnie wyższa od materiału XLPE. Właśnie dzięki tej właściwości możliwe jest zredukowanie grubości izolacji przy zachowaniu tych samych wartości elektrycznych. Porównując konstrukcję kabla (przedstawionego poniżej na Rysunku 2) spełniającego wymagania normy IEC 60502-2 dla żyły miedzianej 16 mm2 do pracy przy napięciu znamionowym 6/10 kV można zauważyć, że żeby speł-

nić te same kryteria elektryczne, kabel z izolacja FEP będzie posiadał izolację o grubości 2,55 mm. Zmniejszy to jego średnicę zewnętrzną o 20% w porównaniu do standardowej konstrukcji kabla z otuliną XLPE. Wykorzystując modelowanie oparte o metodę elementów skończonych (FEM) do obliczenia rozkładu pola elektrycznego, możemy porównać maksymalne natężenie pola w obydwóch materiałach izolacyjnych. Maksymalne natężenie pola w obu przypadkach będzie różniło się od siebie, co zostało przedstawione na Rysunku 3. Dla izolacji FEP o grubości 2,55 mm maksymalne natężenie pola wynosi 3,90 kV/mm, natomiast dla izolacji XLPE o grubości 3,4 mm maksymalne natężenie pola wynosi 3,14 kV/mm. Różnica między nimi, wynika bezpośrednio z grubości izolacji, jednakże wyższa wytrzymałość elektryczna materiału FEP pozwala na zredukowanie grubości izolacji na rzecz nieznacznie większej wartości natężenia pola. Można stwierdzić, że obydwie konstrukcje spełniają te same wymagania elektryczne.

2. Wykorzystanie kabli SN z izolacją FEP

Dzięki swoim właściwościom kable SN z izolacją FEP mogą być wykorzystywane w wymagających warunkach pracy. Jednym z przykładów mogą być kable grzewcze, które dzięki zastosowaniu tego materiału mogą pracować w temperaturze powyżej 100°C. Przyrównując je do szeroko stosowanych kabli z izolacją silikonową, kable z izolacją FEP przewyższają je pod względem maksymalnej temperatury pracy, jak również odporności na uszkodzenia mechaniczne. Bardzo wrażliwe kable silikonowe z całą pewnością będą bardziej elastyczne, co w przypadku bezpośredniego kontaktu z powierzchnią ogrzewaną może mieć znaczenie podczas instalacji kabli. Po ułożeniu kabli, elastyczność przestaje mieć pierwszorzędne znaczenie, natomiast odporność mechaniczna podczas długoletniej pracy już na pewno tak. Konkretnym przykładem zastosowania kabla jest grzanie rurociągów wykorzystywanych do przesyłu ropy naftowej na dnie morza. Transport i wydobycie ropy naftowej wymaga utrzymania jej w konkretnych reżimach temperaturowych. Przy takich rurociągach temperatura pracy kabli grzewczych wynosi minimum 100°C, co idealnie wpasowuje się w charakterystykę kabli z izolacją FEP [6,7]. Rysunek 4 przedstawia rurociąg przesyłowy ropy naftowej, który wyposażany jest w cztery kable grzewcze oplecione wokół przesyłowej rury wewnętrznej. Technologia zakłada utrzymanie temperatury medium w rurze wewnętrznej na poziomie minimum 30-40°C, co przekłada się na około 100°C dla kabli grzewczych. Zwiększając temperaturę kabli grzewczych możemy zwiększyć tem-

Rysunek 2. Porównanie konstrukcji kabli z izolacją FEP i XLPE wg normy IEC 60502-2, napięcie znamionowe 6/10 kV.

Rysunek 3. Rozkład pola elektrycznego w izolacji FEP (po lewej) i XLPE (po prawej) przy napięciu 6 kV.

Rysunek 4. Przykład konstrukcji rurociągu do przesyłu ropy naftowej [7].

peraturę wewnątrz rury, co spowoduje mniejsze wychłodzenie medium w rurze, a co za tym idzie łatwiejszy i szybszy transport medium. Największe koncerny wydobywcze od kilku lat prowadzą projekty rozwojowe, które mają na celu obniżenie kosztów produkcji ropy naftowej. Jednym z nich jest podniesienie temperatury kabli grzewczych do minimum 120°C. Dzięki nowym kablom z izolacją FEP jest to teraz możliwe, temperatura na płaszczu może zostać podniesiona do 120-140°C, co da jeszcze spory zapas pomiędzy temperaturą pracy, a maksymalną temperaturą jaką może wytrzymać izolacja FEP. Drugim innowacyjnym zastosowaniem dla kabli SN z izolacją FEP mogą być samoloty elektryczne. W ostatnich latach coraz częściej można znaleźć wzmianki na temat projektów oraz prototypów samolotów elektrycznych. Największe firmy i instytucje jak AIRBUS czy NASA rozpoczęły już projektowanie silników napędowych oraz architektury elektrycznej, które mogłaby sprostać wymaganiom zmniejszenia śladu węglowego w przestrzeni powietrznej. Wczytując się w wymagania jakie muszą spełniać komponenty do tego zastosowania, możemy wymienić kilka najważniejszych elektrycznych i środowiskowych wymogów stawianych kablom [8]. Podstawowe wymagania to: 1. Temperatura pracy od –60°C do +120°C 2. Brak WNZ na wysokości 50 000 ft. 3. Zredukowana wielkość i ciężar komponentów (w naszym przypadku kabli) 4. Napięcie pracy do 3 kV (w przyszłości rozwój technologii do 4 kV) Jak zostało to opisane w pierwszej części artykułu, zakres temperaturowy oraz redukcja wymiarów jest jak najbardziej możliwa przy zastosowaniu izolacji FEP. W przypadku izolacji Zeroarc™ firmy Habia Cable również brak wyładowań niezupełnych przy wymienionej przykładowej konstrukcji kabla jest spełniony. Badania wykazały, że wyładowania niezupełne nie występują w izolacji kabla do napięcia 80 kV AC. Natomiast przy standardowej izolacji XLPE większość z tych wymagań oczywiście nie może być spełniona.

3. Dalszy rozwój i badania nad izolacją FEP

Patrząc w przyszłość kabli z izolacją FEP można domniemać, że następnym krokiem do powszechnego wykorzystywania tych kabli w przemyśle będzie opracowanie akcesoriów kablowych kompatybilnych z właściwościami głównego materiału izolacyjnego. Jako że materiał ten może pracować w temperaturach powyżej 90°C, dotychczasowe akcesoria stosowane przy kablach z izolacją XLPE nie będą wystarczające do pełnego wykorzystania potencjału izolacji FEP. Przeglądając ofertę czołowych producentów muf kablowych można zauważyć, że maksymalna temperatura pracy muf kablowych to 110°C, a dla niestandardowych zestawów do 140°C. Limitują to materiały wykorzystywane do produkcji takiej mufy, zaczynając od taśm montażowych, przez osłony termokurczliwe i zimnokurczliwe (Heatshrink/Coldshrink), kończąc na żelach i lubrykantach wykorzystywanych do wypełnienia wolnej powierzchni między warstwami. Następstwem tego będzie cały proces kwalifikacji nowych materiałów oraz metodologii montażu muf do kabli z izolacją FEP. Również nie można zapomnieć o międzynarodowych standardach takich jak IEC 60502, które opisują wymagania dla kabli z wytłoczoną izolacją. Kable z izolacją FEP bez problemu spełniają wymagania tego standardów, co może wymusić uaktualnienie standardu o bardziej restrykcyjne testy. Nieliczne instytuty badawcze już zaczęły testy kabli z izolacją FEP, które posłużą do stworzenia nowego standardu, bardziej dopasowanego do tego rodzaju kabli.

4. Podsumowanie

Zastosowanie materiału FEP na izolację kabli średnich napięć stało się możliwe tylko dzięki możliwości połączenia go z ekranem półprzewodzącym. Rozwój technologiczny branży kablowej wymusił na firmach produkcyjnych dostosowanie możliwości kabli do coraz bardziej wymagających środowisk pracy, w których standardowy materiał XLPE nie może być wykorzystywany. Kable z izolacją FEP na pewno nie zastąpią w najbliższym czasie kabli z izolacją XLPE, ale stanowią dobrą alternatywę do wykorzystania ich w aplikacjach o wyższej temperaturze czy agresywnym środowisku pracy. Aby stać się tak powszechne i niezawodne jak kable z izolacją XLPE, kable Zeroarc™ z izolacją FEP muszą być wykorzystywane w aplikacjach przemysłowych, a następnie powinny być przebadane pod względem użyteczności po kilku latach lub dekadach ciągłej pracy. W tym czasie prognozowany jest następnego skok technologicznego i za parę lat pojawią się kable wysokich napięć z izolacją FEP.

Autorzy: Radosław Lewandowski Habia Cable Sp. z o.o. Szymon Banaszak Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie n

Literatura

• [1] H. Orton, „History of underground power cables,” in IEEE Electrical Insulation Magazine, vol. 29, no. 4, pp. 52-57,

July-August 2013, doi: 10.1109/MEI.2013.6545260. • [2] S. Ebnesajjad, “Introduction to Fluoropolymers” 2nd Edition, December 2020, ISBN: 9780128192993 • [3] H. Teng, “Overview of the Development of the Fluoropolymer Industry”, Appl. Sci., 2, 496-512 (2012) • [4] ] Strona internetowa, stan na 08.2021, www.habia.com • [5] Strona internetowa, stan na 08.2021, www.tworzywa.pl/wiedzopedia/baza-tworzyw • [6] J. Boi, B. Lynch, C. Sloan, „Development and Application of Reelable PiP Bulkhead Technology.” Paper presented at the Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA, April 2012. DOI: https://doi.org/10.4043/23112-MS • [7] Stona internetowa, stan na 08.2021, https://blog.sintef.com/sintefenergy/electrical-heating-flow-assurancesubsea-flowlines/ • [8] J. K. Nøland, M. Leandro, J. A. Suul, M. Molinas, R. Nilssen, „Electrical Machines and Power Electronics For Starter-

Generators in More Electric Aircrafts: A Technology Review.”, IECON 2019 - 45th Annual Conference of the IEEE

Industrial Electronics Society, 2019, pp. 6994-7001, DOI: 10.1109/IECON.2019.8926789.