Isolamento XLPE em cabos de alimentação CA: propriedades do material, construção do cabo e seleção prática

O isolamento XLPE ajuda os cabos de energia a manter a separação elétrica e a resistir à deformação à medida que seus condutores aquecem. É utilizado em cabos de ligação de inversores, quadros de distribuição, equipamentos industriais e transformadores. Compreender o material facilita a comparação das especificações dos cabos, mas as condições completas de construção e instalação ainda determinam se um cabo se adequa a um projeto.

Este guia explica o que é XLPE, como a reticulação altera o polietileno, como ela se relaciona com o XLPO e o que verificar ao escolher cabos de alimentação CA de baixa ou média tensão. Exemplos doGama de cabos AC SINELINKconectar a ciência dos materiais com configurações reais do produto.

Por que o isolamento é importante em cabos de alimentação CA

Um condutor transporta corrente; o isolamento separa esse condutor eletricamente de outros condutores, telas e terra. Esta separação deve permanecer eficaz enquanto o cabo sofre tensão elétrica, aquecimento e resfriamento repetidos e forças mecânicas associadas à instalação.

A corrente produz calor no condutor. O quanto o cabo aquece depende das perdas elétricas e da facilidade com que o calor escapa. Cabos agrupados, ambientes quentes e solo com má condução podem dificultar o resfriamento. O isolamento, portanto, deve funcionar como parte de um sistema térmico e elétrico, e não como uma amostra de material isolada.

Para um contratante ou comprador EPC, o XLPE é um ponto de partida. Verifique se o cabo completo corresponde ao circuito pretendido:

• Isolamento:confirme o grau, as dimensões e a classificação de tensão.
• Proteção externa:combine a bainha e as camadas protetoras com a rota.
• Limites de instalação:confirme se o cabo é adequado para a instalação planejada.

Um material adequado é o ponto de partida para um design de cabo confiável.

O que é XLPE e como a reticulação altera o polietileno

XLPE significa polietileno reticulado. O polietileno, ou PE, é um polímero feito de longas cadeias moleculares. O PE termoplástico comum pode amolecer e fluir quando aquecido o suficiente. A reticulação introduz conexões químicas entre cadeias, criando uma rede que restringe seu movimento.

A rede altera o comportamento do material sob calor e carga. O PE reticulado não flui e não se remodela como um termoplástico comum quando suas regiões cristalinas derretem. Isso ajuda a resistir à deformação térmica. Ele ainda pode amolecer, envelhecer, oxidar ou degradar se sua temperatura ou exposição exceder os limites da formulação e do projeto do cabo.

A reticulação não é, portanto, uma promessa de resistência ilimitada à temperatura. As propriedades finais também dependem da resina base, dos aditivos, das condições de fabricação e do grau de reticulação. O isolamento acabado deve atender aos testes definidos, em vez de apenas levar o nome XLPE.Evonik explica os principais mecanismos de reticulação e seus efeitos na estabilidade do polietileno.

XLPE e XLPO comparados

XLPO significa poliolefina reticulada. As poliolefinas são uma família mais ampla de polímeros que inclui o polietileno. Nesse sentido químico amplo, o XLPE pertence à família XLPO. Os termos não são duas categorias materiais mutuamente exclusivas.

Nas especificações de cabos, entretanto, os nomes são usados ​​em diferentes níveis de detalhe. XLPE identifica o polietileno como o polímero subjacente. XLPO é uma descrição mais ampla que pode abranger diferentes formulações ou misturas de poliolefinas. Nenhum dos nomes fornece uma receita completa ou garante uma classificação específica de chama, fumaça ou intemperismo.

Um cabo solar pode usar formulações XLPO tanto no isolamento quanto na bainha externa, com cada formulação otimizada para um trabalho diferente. Um cabo de alimentação CA convencional pode usar isolamento XLPE sob uma bainha de PVC. Estas são opções de construção diferentes e não são evidências de que um rótulo de material seja universalmente melhor.

Para a perspectiva do cabo solar, leia nosso artigo complementar,XLPO em cabos solares: propriedades de materiais e reticulação de feixe de elétrons explicadas. Ele fornece a introdução relacionada ao XLPO e ao processamento por feixe de elétrons; o presente guia concentra-se no isolamento XLPE em cabos de alimentação CA.

Onde o XLPE fica em um cabo de alimentação

O isolamento e a bainha do condutor têm funções separadas

Um típico cabo de núcleo único de baixa tensão não blindado tem três camadas principais, cada uma com uma função separada:

• Condutor:transporta corrente.
• Isolamento XLPE:fornece o isolamento elétrico primário.
• Bainha externa:protege o núcleo isolado contra as condições externas cobertas pela especificação do produto.

A notação Cu/XLPE/PVC lê de dentro para fora: condutor de cobre, isolamento XLPE e bainha de PVC. Al/XLPE/PVC segue a mesma lógica com um condutor de alumínio. Um cabo pode, portanto, conter XLPE e PVC sem qualquer contradição: os dois materiais têm funções diferentes.

Construções multicore adicionam núcleos isolados, enchimentos ou ligantes conforme necessário. Cabos blindados e blindados adicionam outros componentes. Estas camadas devem ser identificadas individualmente ao revisar um desenho ou cotação.

Como o isolamento XLPE é fabricado

A rota de fabricação combina um composto apropriado com extrusão e reticulação controladas. A sequência exata depende do processo. É incorreto presumir que todo cabo de alimentação XLPE passa por uma linha de irradiação por feixe de elétrons.

Reticulação de peróxido

Em sistemas de peróxido, o aquecimento ativa um iniciador que promove conexões entre cadeias poliméricas. As condições de extrusão e cura devem evitar reações prematuras e, ao mesmo tempo, atingir as propriedades de isolamento pretendidas. A limpeza do material e o processamento estável são especialmente importantes em cabos que operam sob tensões elétricas mais elevadas.

Alguns projetos de cabos curados com peróxido requerem desgaseificação controlada para reduzir os subprodutos da reação. O tratamento depende do composto, espessura do isolamento e especificação; não é um horário universal aplicável a todos os cabos XLPE. UMEstudo Jicable de subprodutos de peróxidoilustra por que a desgaseificação é uma consideração distinta na fabricação de isolamento de cabos de alta tensão.

Reticulação de silano

Os sistemas de silano usam reações químicas assistidas por umidade para formar a rede. O composto e a rota de produção determinam como a funcionalidade do silano e o catalisador são introduzidos. A cura pode envolver exposição controlada à umidade, com temperatura e tempo gerenciados para atingir o resultado especificado.

A questão importante da produção é se as propriedades exigidas são alcançadas em todo o isolamento. A aparência superficial por si só não pode demonstrar uma cura satisfatória.

Reticulação por feixe de elétrons

Elétrons de alta energia podem criar sítios reativos em um composto polimérico adequado, permitindo a formação de ligações entre as cadeias. Este percurso requer um processo de formulação e exposição adequado à geometria do cabo. A penetração do feixe, a dose absorvida, o transporte do cabo e a uniformidade da exposição são importantes.

A radiação também pode promover a cisão e a oxidação da cadeia. Mais exposição, portanto, não é automaticamente melhor. O processo qualificado deve equilibrar a formação de rede pretendida com alterações materiais indesejadas.

A qualidade depende do resultado final

Nas diferentes rotas, o controle de produção inclui manuseio de compostos, dimensões de extrusão, concentricidade de isolamento, controle de contaminação e verificação de comportamento térmico e mecânico. O teste de endurecimento a quente é um método relevante para materiais reticulados; seu procedimento é descrito emCEI 60811-507. Os requisitos de aceitação vêm da especificação do cabo aplicável. Um resultado bem-sucedido de ajuste a quente por si só não estabelece a conformidade completa do cabo.

Por que o XLPE é amplamente utilizado para isolamento de cabos

Desempenho elétrico

As formulações adequadas de XLPE proporcionam forte isolamento elétrico e baixas perdas dielétricas. Essas características ajudam a explicar seu uso na distribuição de energia. O benefício depende do isolamento ser corretamente projetado e fabricado: contaminantes, vazios e interfaces danificadas podem prejudicar o desempenho mesmo quando o material nominal é apropriado.A Borealis descreve um grau de isolamento XLPE dedicado para cabos CA de média tensão.

Resistência ao calor e estabilidade dimensional

A reticulação ajuda o isolamento a resistir à deformação sob temperaturas elevadas e cargas mecânicas. Muitos cabos de alimentação XLPE convencionais são especificados para uma temperatura máxima do condutor contínuo de 90 graus. Isto descreve o condutor, não o ar circundante, e é uma classificação a ser verificada para o cabo exato.

Terminais e equipamentos conectados podem impor limites de temperatura mais baixos. A classificação de isolamento mais elevada do cabo não anula essas restrições. ODiscussão IET sobre classificações de cabos termofixosexplica por que a compatibilidade do equipamento é importante ao selecionar a capacidade de transporte de corrente.

Curto-circuito e desempenho a longo prazo

O serviço contínuo e as condições de curto-circuito são tarefas diferentes. Alguns projetos de cabos XLPE especificados permitem uma temperatura do condutor de 250 graus durante um curto-circuito limitado, geralmente de até cinco segundos. Esta não é uma meta operacional ou permissão para superaquecimento repetido. A carga permitida deve ser verificada em relação à corrente de falta, ao tempo de eliminação do dispositivo de proteção, ao tamanho do condutor e à especificação do cabo.

O desempenho a longo prazo também depende dos antioxidantes, da temperatura operacional, da exposição ambiental e da integridade de todo o cabo. O XLPE oferece aos projetistas uma capacidade térmica útil, mas não elimina a necessidade de dimensionamento e proteção adequados.

Isolamento XLPE e PVC comparado

Uma comparação útil mantém a função constante: isolamento XLPE versus isolamento PVC. Comparar um material de isolamento com o revestimento externo de outro cabo pode levar a conclusões enganosas.

Uma classificação de temperatura de isolamento mais alta pode suportar uma corrente permitida mais alta sob condições adequadas, mas nenhum aumento percentual universal se aplica. Método de instalação, agrupamento, temperatura ambiente e limites do equipamento devem ser incluídos na comparação. Da mesma forma, nenhum nome de material por si só estabelece flexibilidade, vida útil esperada ou custo total instalado.

Condutores de cobre ou alumínio com isolamento XLPE

O isolamento XLPE pode ser aplicado a condutores de cobre ou alumínio. A escolha do condutor afeta a resistência elétrica, o peso, as dimensões e o projeto da conexão; isso não altera o papel básico do isolamento.

Para comprimento e área de seção transversal iguais, o alumínio tem maior resistência elétrica que o cobre. Uma seção de alumínio maior pode, portanto, ser necessária para atender aos mesmos requisitos do circuito. A seleção real deve satisfazer a ampacidade, a queda de tensão e a taxa de falta, em vez de depender de uma única relação de substituição.

A menor densidade do alumínio pode reduzir o peso de manuseio, especialmente em alimentadores grandes. O potencial custo-benefício deve ser avaliado juntamente com as maiores dimensões dos cabos, arranjo de suporte e terminais compatíveis. A preparação correta da superfície, a seleção do conector e os procedimentos de aperto são partes importantes da conexão instalada.

SINELINK'sCabo de alimentação Al / XLPE / PVCoferece uma opção de condutor de alumínio com isolamento XLPE e revestimento de PVC. Compare-o com a versão de cobre usando os requisitos completos do circuito e a interface do equipamento, e não apenas o preço do condutor.

Por que os cabos de média tensão precisam de camadas adicionais

À medida que o estresse elétrico aumenta, as interfaces ao redor do isolamento exigem maior controle. Um típico cabo de média tensão blindado adiciona camadas semicondutoras ao redor do condutor e do isolamento, bem como uma blindagem metálica. As funções desses componentes são diferentes.

A tela metálica não substitui a armadura mecânica. Sua seção transversal e disposição de ligação devem ser coordenadas com o projeto elétrico. As juntas e terminações dos cabos também precisam de dimensões, classificações de tensão e componentes de controle de tensão compatíveis.

OCabo não blindado isolado em XLPE de núcleo único SINELINK MV com condutor de cobreutiliza telas semicondutoras, uma tela de fita de cobre e uma bainha de PVC. É um exemplo útil de como um material de isolamento faz parte de uma construção coordenada de média tensão.

Leia atentamente a designação da tensão:

• U₀:tensão nominal entre o condutor e a terra ou blindagem.
• U:tensão nominal entre condutores.
• Uₘ:tensão máxima do sistema associada.

Selecione a classificação do sistema e suas condições de aterramento; não deduza adequação da palavra XLPE.

A armadura da bainha e as especificações de fogo ainda são importantes

Rotas ao ar livre e enterradas

O isolamento XLPE dentro de um cabo não estabelece, por si só, resistência à luz solar, óleo, exposição a produtos químicos ou imersão contínua. Essas condições envolvem a bainha e outros componentes de proteção, bem como o isolamento. O enterramento direto requer um projeto de construção e instalação de cabos adequado aos riscos reais de solo, água e mecânicos.

Um cabo não blindado pode precisar de proteção mecânica externa. Um cabo blindado ainda precisa de manuseio, dobra e terminação corretos. Para circuitos CA de núcleo único, o material e o arranjo da armadura requerem atenção especial às perdas magnéticas; um projeto blindado de aço multinúcleo não deve ser copiado indiscriminadamente em uma especificação de núcleo único.Construções de cabos blindados BT da Elandilustrar esta distinção.

Para um exemplo multicore, revise oCabo blindado XLPE 3C+2 de cinco núcleos com condutor de cobre. Confirme os tamanhos dos núcleos, as funções do circuito e a construção exata da armadura em relação ao design do projeto.

Retardante de chama, baixo teor de fumaça e halogênio

As especificações relacionadas ao fogo descrevem propriedades diferentes. Verifique cada requisito separadamente:

• Retardo de chama:propagação da chama sob testes definidos.
• Baixa fumaça:geração de fumaça.
• Requisitos livres de halogênio:composição relevante do material ou testes de gás especificados.
• Resistência ao fogo ou integridade do circuito:função elétrica contínua sob condições de incêndio especificadas.

O polietileno não modificado não contém halogênios, mas isso não torna todos os cabos isolados em XLPE um produto acabado com baixa emissão de fumaça e sem halogênio. Uma bainha de PVC contém cloro. Preenchimentos, fitas e outros componentes não metálicos também devem ser considerados ao fazer uma solicitação de cabo completo.

SINELINK'sCabo de alimentação CA de baixa tensão retardador de chamas LSZHcombina isolamento XLPE com uma construção especificada com baixo teor de fumaça e livre de halogênio. Combine a variante selecionada e as evidências de teste com o desempenho de incêndio exigido. O retardamento de chama não estabelece a integridade do circuito durante um incêndio.

O que afeta a vida útil do isolamento XLPE

O envelhecimento térmico se acumula durante a operação. O sobreaquecimento sustentado e as más ligações podem acelerar a deterioração, enquanto as bainhas danificadas ou as condições de instalação inadequadas podem expor o cabo a tensões adicionais. Uma vida útil universal não pode ser atribuída apenas pelo nome do isolamento.

Em aplicações de média tensão, defeitos e interfaces adversas podem concentrar tensões elétricas. A descarga parcial pode danificar o isolamento localmente. A arborização elétrica envolve caminhos relacionados a avarias ramificadas; o water treeing é um processo de degradação diferente associado à umidade e ao estresse elétrico. Esses termos não devem ser usados ​​de forma intercambiável nem devem ser considerados para descrever todos os cabos descoloridos.

Grau do material e matéria de construção. Os compostos retardadores de água são opções de design distintas e os recursos de bloqueio de água são separados da designação XLPE básica. A instalação e a manutenção devem preservar o sistema de proteção do cabo, incluindo vedações, integridade da bainha e juntas e terminações adequadas.

Quando a condição do cabo for incerta, a avaliação deverá seguir o procedimento apropriado de inspeção e teste elétrico. Uma fotografia ou a aparência do revestimento externo não podem estabelecer a vida útil restante do isolamento. O histórico operacional, o carregamento e os resultados dos testes fornecem evidências mais úteis do que uma estimativa de vida útil sem suporte.Visão geral dos materiais dos cabos da Borealisfornece informações básicas sobre sistemas de isolamento e escolhas de materiais.

Como especificar um cabo CA isolado em XLPE

Comece com o serviço do circuito e as informações da rota e, em seguida, selecione a construção completa. O mesmo material de isolamento pode ser utilizado em cabos com capacidades de instalação muito diferentes.

Peça evidências que correspondam ao cabo solicitado

Solicite registros que correspondam ao cabo solicitado:

• Condutor e dimensões:resistência do condutor e dimensões de isolamento.
• Desempenho elétrico:testes de tensão aplicáveis.
• Desempenho dos materiais:propriedades de tração, envelhecimento e testes de endurecimento a quente.
• Projetos de média tensão blindados:os testes elétricos especificados para esse projeto, incluindo testes de descarga parcial, quando aplicável.

Os testes de rotina, de amostra e de tipo têm finalidades diferentes. Os compradores devem concordar quais registros de produção acompanham o pedido e quais relatórios de qualificação de projeto o apoiam. Não se deve presumir que um resultado de teste para outra fonte de tensão, construção ou fabricação cubra o cabo oferecido.

A norma aplicável deve corresponder à faixa de tensão e ao mercado.CEI 60502-1trata de cabos de energia com isolamento extrudado classificados em 1 kV e 3 kV;CEI 60502-2aborda a faixa relevante de 6 kV a 30 kV, com tensões máximas de sistema associadas. Uma designação de 26/35(40,5) kV não deve ser automaticamente apresentada como coberta pela IEC 60502-2. Verifique o padrão e a edição específicos do projeto. O teste de conjunto a quente refere-se a um método de teste de material, não a uma aprovação completa do produto.

Perguntas frequentes

P: XLPE é igual a XLPO?

XLPE identifica polietileno reticulado, enquanto XLPO é o termo mais amplo poliolefina reticulada. O polietileno pertence à família das poliolefinas, mas uma descrição ampla do XLPO não identifica uma formulação exata. Compare as especificações do produto e as evidências de teste em vez de confiar apenas na sigla.

P: Todo cabo XLPE é livre de halogênio

Não. O isolamento XLPE pode ser usado sob uma bainha de PVC ou junto com outros componentes que contenham halogênio. Uma reivindicação de cabo acabado deve levar em conta os componentes relevantes e os testes exigidos. O desempenho de baixa emissão de fumaça e retardador de chama também precisa de evidências separadas.

P: Os cabos isolados em XLPE podem ser usados ​​ao ar livre ou enterrados

Eles podem ser projetados para essas aplicações, mas o XLPE por si só não estabelece a adequação. Verifique as propriedades do revestimento, a exposição à água, a proteção mecânica e os requisitos de instalação do cabo exato. O enterramento direto e a instalação em duto subterrâneo protegido são condições diferentes.

P: Todos os cabos XLPE estão interligados por feixe de elétrons?

Não. Processos de peróxido, silano e irradiação podem ser usados ​​com sistemas de polietileno adequados. A rota qualificada depende da formulação, geometria do cabo e requisitos de desempenho. Pergunte ao fornecedor quando a especificação do projeto requer um processo específico.

P: Uma classificação de 90 graus permite a operação em condições de ar de 90 graus?

Não. Uma temperatura máxima do condutor de 90 graus deixa uma margem térmica entre o ambiente circundante e o condutor. A corrente cria calor adicional, portanto a corrente permitida depende do ambiente e das condições de resfriamento. Os limites de temperatura terminal também devem ser respeitados.

P: O isolamento XLPE é sempre melhor que o PVC

A escolha adequada depende do circuito, dos limites de temperatura, dos requisitos de instalação e de custo. O XLPE oferece propriedades térmicas e elétricas úteis, mas um cabo isolado com PVC compatível pode ser apropriado para sua função específica. Compare designs de cabos equivalentes para a mesma instalação.

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Referências técnicas

As fontes abaixo apoiam a discussão de materiais e engenharia. As classificações e disponibilidade específicas do produto devem ser confirmadas em relação à cotação atual e à folha de dados aprovada.

• Evonik - Silanos para reticulação: redes de polietileno e rotas químicas e de radiação.
• IET - Cabo SWA de PVC termoplástico ou termoendurecível XLPE: classificações de temperatura do condutor e restrições do equipamento.
• CEI 60811-507: método de teste de ajuste a quente para materiais reticulados.
• Jicable - Distribuição de subprodutos de peróxido ao longo de cabos XLPE desgaseificados: subprodutos de fabricação e desgaseificação.
• Borealis-Borlink LS4201R: exemplo de um composto de isolamento de MT CA dedicado.
• Eland Cables - Cabos XLPE blindados de baixa tensão: construções de proteção representativas de núcleo único e multinúcleo.