Пвх изоляция кабеля

ПВХ ИЗОЛЯЦИЯ КАБЕЛЯ: СОСТАВ, СВОЙСТВА, КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ

Поливинилхлорид (ПВХ), также известный как винил, является доминирующим материалом для изоляции и оболочек силовых, контрольных и монтажных кабелей в широком диапазоне применений. Его популярность обусловлена оптимальным сочетанием электроизоляционных свойств, механической прочности, стойкости к внешним воздействиям и экономической эффективности.

Состав ПВХ композиции для кабельной изоляции

Чистый ПВХ-полимер не используется в кабельной промышленности из-за своей жесткости и хрупкости. Для придания необходимых эксплуатационных характеристик его смешивают с различными добавками, образуя так называемую ПВХ-компаунд. Основные компоненты:

1. ПВХ-Смола (Поливинилхлорид): Является основой композиции, обеспечивая диэлектрические свойства и каркас материала. В кабельной промышленности применяются смолы с различной степенью полимеризации (K-число), что влияет на гибкость и прочность конечного продукта.
2. Пластификаторы: Наиболее важная группа добавок. Они снижают температуру стеклования ПВХ, делая его гибким и эластичным при нормальных и низких температурах. От типа и количества пластификатора зависят гибкость, морозостойкость и термостабильность изоляции.
   • Типы: Фталаты (DINP, DIDP), тримеллитаты (TOTM), адипаты, полиэфиры. Высококачественные пластификаторы (например, TOTM) используются для кабелей с повышенной термостойкостью.
3. Стабилизаторы: Предотвращают термическое разложение ПВХ при переработке (экструзии) и во время эксплуатации под воздействием тепла и электрического поля. Разложение приводит к выделению хлористого водорода (HCl), что вызывает деструкцию материала.
   • Типы: Свинцовые (исторически, но сейчас все чаще заменяются), кальций-цинковые (Ca-Zn), оловоорганические. Современные тенденции направлены на использование безгалогенных и нетоксичных стабилизаторов.
4. Наполнители: Как правило, карбонат кальция (мел). Используются для снижения стоимости композиции и улучшения некоторых механических свойств (например, стойкости к продавливанию). Однако их избыток ухудшает диэлектрические и механические характеристики.
5. Смазки: Облегчают процесс экструзии, снижая трение между частицами компаунда и о стенки экструдера, предотвращая перегрев.
6. Пигменты и красители: Придают изоляции стандартизированные цвета для фазировки (желтый, зеленый, красный, синий и т.д.) или отличительный цвет оболочки.
7. Антипирены: Для придания материалу негорючих или трудносгораемых свойств. Часто используются соединения антимония в сочетании с ПВХ, который сам по себе является трудновоспламеняемым из-за высокого содержания хлора.
8. Модификаторы ударной вязкости: Повышают стойкость к удару и растрескиванию.

Ключевые свойства и характеристики ПВХ изоляции

Электрические свойства:

• Удельное объемное электрическое сопротивление (ρv): Составляет 10^11 – 10^14 Ом·м при 20°C, что обеспечивает высокие изоляционные качества.
• Диэлектрическая проницаемость (ε): Относительно высокая, в диапазоне 4-8 при 50 Гц. Это влияет на емкостные характеристики кабеля и величину зарядного тока.
• Тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ): Показатель диэлектрических потерь. Для ПВХ он достаточно высок по сравнению с полиэтиленом, что ограничивает применение в кабелях на очень высокие напряжения (свыше 6 кВ).

Механические свойства:

• Предел прочности при растяжении: Обычно 12-25 МПа.
• Относительное удлинение при разрыве: Составляет 150-300%, что свидетельствует о высокой эластичности.
• Сопротивление раздиру: Важный параметр для монтажа и эксплуатации.

Термические свойства:

• Длительная рабочая температура: Для стандартных марок +70°C. Существуют термостойкие модификации, рассчитанные на +90°C, +105°C и даже +125°C.
• Температура хрупкости (морозостойкость): Стандартные марки сохраняют эластичность до -15°C…-20°C. Морозостойкие марки (например, ПВХ-ХЛ) остаются гибкими при температурах до -40°C…-60°C.
• Сопротивление тепловому старению: Способность выдерживать длительное воздействие рабочей температуры без значительной деградации свойств. Испытания проводятся путем выдержки в воздушной термокамере при повышенной температуре с последующей проверкой механических свойств.

Химические и эксплуатационные свойства:

• Стойкость к окружающей среде: Устойчив к воздействию влаги, озона, солнечного излучения (при наличии УФ-стабилизаторов), плесени, грибков, а также к многим кислотам, щелочам и солям.
• Распространение пламени: ПВХ является трудновоспламеняемым материалом и обладает свойством самозатухания из-за содержания хлора. При горении выделяет плотный дым и токсичные газы (CO, HCl), что является его главным недостатком.

Классификация ПВХ компаундов по ГОСТ, МЭК и другим стандартам

Классификация основывается на термических и механических характеристиках.

По ГОСТ 5960-72 (Компаунды поливинилхлоридные для изоляции и оболочек кабелей):
Данный стандарт, хотя и устарел, до сих пор широко используется в странах СНГ. Он определяет марки ПВХ-пластиката.

Марка	Назначение	Длительная рабочая температура, °C	Температура хрупкости, не выше °C
И-40-13	Изоляция кабелей на номинальное напряжение до 3 кВ	+70	-40
О-40-12	Оболочка кабелей	+70	-40
И-40-13В	То же, с пониженной горючестью	+70	-40
О-40-12В	То же, с пониженной горючестью	+70	-40
О-20-11	Оболочка для кабелей, не требующих морозостойкости	+70	-20
И-40-13Т	Изоляция с повышенной термостойкостью	+85… +105	-40

По международным стандартам (МЭК 60227, МЭК 60502):
Классификация ведется по температуре эксплуатации.

Обозначение	Длительная рабочая температура, °C	Минимальная температура монтажа, °C
PVC/A	+70	-15
PVC/B	+70	-25
PVC/C	+70	-40
PVC/D	+90	-40

Сравнительная таблица свойств ПВХ с другими материалами изоляции

Характеристика	ПВХ	Сшитый полиэтилен (XLPE)	Полиэтилен низкой плотности (LDPE)	Этиленпропиленовая резина (EPR)
Макс. рабочая температура, °C	+70… +105	+90	+70	+90
Стойкость к КЗ, °C	~160	~250	~130	~250
tg δ при 50 Гц	Высокий (0.05-0.1)	Очень низкий (<0.001)	Низкий (~0.0005)	Средний (~0.01)
Диэлектрическая проницаемость	4-8	2.3	2.3	3.0-3.5
Гибкость	Хорошая	Жесткий	Жесткий	Отличная
Стойкость к влаге	Отличная	Хорошая	Отличная	Хорошая
Сопротивление УФ	Хорошая (со стаб.)	Плохая (требует стаб.)	Плохая	Хорошая
Распространение пламени	Самозатухающий	Горючий	Горючий	Горючий
Дымовыделение	Очень высокое	Низкое	Низкое	Среднее
Кислотность газов при горении	Высокая (HCl)	Низкая	Низкая	Низкая
Стоимость	Низкая	Средняя	Низкая	Высокая

Области применения ПВХ изоляции в кабельной продукции

• Силовые кабели на низкое напряжение (до 1 кВ и 3 кВ): Наиболее массовое применение. Кабели марок ВВГ, ВВГнг, АВВГ и их аналоги по МЭК (NYM, N2XH и др.).
• Контрольные кабели: Кабели для цепей управления, измерения и сигнализации (КВВГ, КВВГэ, АКВВГэ).
• Монтажные провода: Провода для монтажа электрических схем в щитах, приборах, станках (ПВ-1, ПВ-3, ПВС, ШВВП).
• Кабели связи и передачи данных: В оболочках и изоляции пар кабелей местной связи.
• Судовые кабли: Специальные морозостойкие и маслостойкие марки.
• Кабели для неподвижного и гибкого монтажа: Важно различать: для гибких кабелей (например, переносок) используются более пластифицированные и стойкие к многократным изгибам марки ПВХ.

Технология нанесения ПВХ изоляции

Процесс нанесения осуществляется методом экструзии на кабельных линиях. Основные этапы:

1. Подготовка шихты: Компоненты ПВХ-компаунда дозируются и смешиваются в скоростных смесителях до получения однородной массы.
2. Подача в экструдер: Готовая шихта или готовый гранулят подается в загрузочную воронку экструдера.
3. Пластикация и экструзия: В цилиндре экструдера материал нагревается (до ~160-190°C) и перемешивается шнеком, переходя в вязкотекучее состояние.
4. Формование: Расплавленный ПВХ продавливается через фильеру (головку) экструдера, которая формирует слой изоляции на токопроводящей жиле или поверх других элементов кабеля.
5. Охлаждение: Кабель с нанесенной изоляцией проходит через охлаждающую ванну с водой, где ПВХ переходит из вязкотекучего в твердое состояние.
6. Прием на приемное устройство: Охлажденный кабель наматывается на барабан или бухту.

Преимущества и недостатки ПВХ изоляции

Преимущества:

• Универсальность: Оптимальный баланс электроизоляционных, механических и химических свойств.
• Экономичность: Низкая стоимость сырья и простота переработки.
• Долговечность: Срок службы при правильной эксплуатации составляет 25-30 лет и более.
• Гибкость и удобство монтажа: Кабели легко прокладывать по трассам сложной конфигурации.
• Химическая стойкость: Устойчивость к влаге, маслам, агрессивным средам (в зависимости от рецептуры).
• Негорючесть: Самозатухающие свойства, что критически важно для групповой прокладки.

Недостатки:

• Ограниченная термостойкость: Максимальная рабочая температура +105°C против +90°C для сшитого полиэтилена (XLPE) и +250°C для фторопластов.
• Выделение токсичных газов и дыма при горении: Основной фактор, ограничивающий применение в метро, аэропортах, больницах, многоэтажных зданиях без дополнительных мер противопожарной защиты.
• Сравнительно высокие диэлектрические потери: Непригодность для кабелей на высокое и сверхвысокое напряжение.
• Деградация под воздействием тепла и электрического поля: Со временем пластификаторы могут мигрировать, что приводит к потере гибкости и растрескиванию изоляции («поливинилхлоридная болезнь»).
• Экологические вопросы: Сложность утилизации и наличие в традиционных рецептурах тяжелых металлов и галогенов.

Тенденции и развитие: Безгалогенные огнестойкие материалы (БГО)

В связи с ужесточением требований пожарной безопасности, особенно в общественных зданиях и на транспорте, наблюдается активный переход на безгалогенные огнестойкие полимеры (БГО, LSZH — Low Smoke Zero Halogen). Эти материалы (чаще всего на основе полиолефинов с наполнителями из гидроксида алюминия или магния) при горении не выделяют коррозионно-активных галогенсодержащих газов и дыма. Однако они, как правило, дороже и менее гибки, чем ПВХ.

---

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Чем отличается изоляция от оболочки в кабеле с ПВХ?

• Изоляция наносится непосредственно на токопроводящую жилу. Ее основная функция – обеспечение электрической прочности. К ее диэлектрическим свойствам (удельному сопротивлению, tg δ) предъявляются самые высокие требования.
• Оболочка наносится поверх изолированных жил (и экрана, если он есть). Ее основная функция – защита от механических, химических, климатических воздействий. К ее механической прочности, стойкости к раздиру, УФ-излучению и распространению пламени требования выше, чем к диэлектрическим свойствам. Поэтому рецептура ПВХ-компаунда для изоляции и оболочки различается.

2. Почему ПВХ изоляция со временем дубеет и трескается?
Это процесс, известный как «тепловое старение» и «миграция пластификаторов». Под длительным воздействием повышенной температуры и электрического поля летучие пластификаторы постепенно испаряются или мигрируют из объема материала. Это приводит к потере эластичности, увеличению жесткости и, в конечном итоге, к растрескиванию. Низкие температуры ускоряют этот процесс.

3. Можно ли прокладывать ПВХ кабель на улице?
Да, можно, но при условии, что его оболочка стойка к ультрафиолетовому излучению. Стандартные марки ПВХ без УФ-стабилизаторов быстро деградируют под солнцем (теряют пластификатор, появляются микротрещины). Для наружной прокладки предназначены кабели с маркировкой «Светостабилизированный» или в черной оболочке, содержащей сажу, которая является эффективным УФ-стабилизатором.

4. Что означает маркировка «нг», «нг-LS», «нг-HF» на кабеле с ПВХ изоляцией?
Эта маркировка указывает на поведение кабеля при групповой прокладке в случае пожара:

• нг (не распространяющий горение): Кабель не распространяет горение при прокладке пучком. Достигается использованием в рецептуре антипиренов.
• нг-LS (Low Smoke): Не распространяет горение и имеет пониженное дымовыделение. Рецептура модифицирована для снижения дымообразования.
• нг-HF (Halogen Free): Не распространяет горение и не содержит галогенов. Фактически, это кабель с изоляцией/оболочкой из БГО-материала, а не ПВХ.

5. Каков реальный срок службы кабеля с ПВХ изоляцией?
Номинальный срок службы, заявленный в ГОСТ и МЭК, составляет 30 лет. Однако реальный срок сильно зависит от условий эксплуатации:

• При работе в номинальном температурном режиме (+70°C) и без перегрузок срок может превышать 30 лет.
• При постоянной работе при повышенных температурах, в агрессивных средах, под УФ-излучением или с регулярными перегрузками срок службы может сократиться до 10-15 лет.

6. Почему ПВХ не применяется для кабелей на напряжение выше 6-10 кВ?
Основная причина – высокий тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ). С ростом напряжения и емкостного тока диэлектрические потери в ПВХ (P = U² ω C tg δ) становятся настолько велики, что вызывают значительный нагрев изоляции, что приводит к ее тепловому пробою. Для высоких напряжений используются материалы с очень низким tg δ, такие как сшитый полиэтилен (XLPE) или бумажно-масляная изоляция.