Краткий анализ показателей термостойкости проводов и кабелей. 

При проектировании, выборе материалов, производстве и продаже проводов и кабелей часто встречаются различные температурные параметры, такие как 90℃, 105℃, 125℃ и 150℃. В отрасли эти параметры обычно называют параметрами термостойкости. Откуда берутся эти параметры? Почему материалы с одинаковым показателем термостойкости 90℃ имеют разные температуры старения? Какова взаимосвязь между температурой старения и показателем термостойкости? Как определяется максимальная допустимая температура длительной эксплуатации проводника для изоляции? Что такое температурный индекс? Какова номинальная температура материала? Могут ли силансодержащие сшитые материалы соответствовать показателю термостойкости 125℃?

Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо сначала разобраться в системах стандартов, поскольку разные системы стандартов определяют показатели термостойкости по-разному. К распространенным системам стандартов относятся стандарты UL, стандарты EN/IEC, национальные стандарты и отраслевые стандарты.

I. Стандарты UL

В стандартах UL обычно используются следующие значения термостойкости: 60℃, 70℃, 80℃, 90℃, 105℃, 125℃ и 150℃. Откуда берутся эти значения термостойкости? Являются ли они долговременными рабочими температурами проводника? На самом деле, эти так называемые значения термостойкости в стандартах UL называются номинальными температурами. Это не долговременная рабочая температура проводника.

(I) Номинальная рабочая температура Номинальная температура в стандартах UL определяется по формуле 1.1 (см. главу 4.3, раздел «Долговременное старение», UL 2556-2007). Конкретный процесс включает в себя сначала принятие значения термостойкости материала, например, 105℃. Затем температура испытания в печи, 112℃, рассчитывается по формуле 1.1. Затем образцы выдерживают при данной температуре испытания в течение 90, 120 и 150 дней соответственно, чтобы получить данные о скорости изменения удлинения и количестве дней старения. Далее, с помощью метода наименьших квадратов рассчитывается линейная зависимость между количеством дней старения и удлинением при разрыве. На основе этой линейной зависимости рассчитывается удлинение при разрыве образца после 300 дней старения при данной температуре печи (112℃). Если скорость изменения удлинения при разрыве составляет менее 50%, считается, что материал достиг заданной номинальной температуры. Если скорость изменения удлинения при разрыве превышает 50%, считается, что материал не достиг заданной номинальной температуры, и необходимо принять новую номинальную температуру, после чего испытание продолжается.

Таким образом, в системе стандартов UL при использовании обратного метода расчета можно считать, что если материал стареет при определенной температуре A℃ в течение 300 дней, и изменение его удлинения не превышает 50%, то из температуры A вычитаем 5,463, а затем делим на 1,02, чтобы получить температуру B℃. Эта температура может считаться номинальной температурой при температуре B℃. Эта номинальная температура определенно не является максимально допустимой температурой длительной эксплуатации проводника в изоляционном слое. Потому что «длительная» в значении максимальной длительной рабочей температуры фактически относится к сроку службы кабеля при этой рабочей температуре, который должен рассчитываться в годах. Например, в стандарте на фотоэлектрические кабели EN50618 срок службы кабеля составляет 25 лет. Номинальная температура в стандарте UL, как правило, выше, чем максимальная длительная рабочая температура проводника.

(II) Температура кратковременного старения. Температура кратковременного старения материала — это 7, 10 и т. д. дней, наиболее часто встречающиеся в стандартах. Например, материал с номинальной температурой 105℃ будет подвергаться старению при 136℃ в течение 7 дней. Какова взаимосвязь между этим и номинальной температурой? В стандарте UL температура кратковременного старения определяется на основе многолетнего опыта работы с материалом, но для подтверждения были предложены некоторые методы. Во-первых, выбираются номинальная температура, температура старения и время старения. Если скорость изменения удлинения материала после старения превышает 50% при вышеуказанных условиях, то температуру старения можно определить в соответствии с этими условиями. Если скорость изменения удлинения превышает 50%, номинальную температуру и температуру кратковременного старения материала следует уменьшить на один уровень.

II. Стандарты EN/IEC. В стандартах EN/IEC, в отличие от стандартов UL, номинальная температура встречается редко. Вместо этого используется рабочая температура проводника или температурный индекс. В чем разница между этими двумя температурами?

Фактически, в системе стандартов EN/IEC оценка термостойкости кабелей в основном основана на стандарте EN 60216 или IEC 60216. Этот стандарт в основном оценивает термический срок службы изоляционных материалов. Метод оценки включает старение материала при различных температурах, используя 50%-ное изменение удлинения при разрыве в качестве конечной точки старения, и определение количества дней старения при различных температурах. Затем используется линейная регрессия для линейной корреляции количества дней старения с температурой старения, в результате чего получается линейная зависимость. Затем определяется максимальная рабочая температура на основе срока службы кабеля, или срок службы кабеля определяется на основе его долговременной рабочей температуры. Температурный индекс относится к температуре, при которой удлинение при разрыве изменяется на 50% после 20 000 часов термического старения. Рассмотрим в качестве примера стандарт EN 50618:2014 для фотоэлектрических кабелей. Расчетный срок службы кабеля составляет 25 лет, рабочая температура в течение длительного времени — 90°C, а температурный индекс — 120°C. Температура кратковременного старения изоляционного материала также определяется из вышеуказанной линейной зависимости. Следовательно, температура старения изоляционного материала в EN 50618:2014 составляет 150°C. Эта температура старения очень близка к температуре старения 158°C для материалов с номинальной температурой 125°C в серии стандартов UL.

Из приведенного выше анализа легко заметить, что для одного и того же проводника требуемая температура старения может различаться в зависимости от расчетного срока службы кабеля. При одинаковой рабочей температуре в течение длительного времени, чем короче расчетный срок службы кабеля, тем ниже может быть требуемая температура кратковременного старения изоляционного материала.

III. Национальные и отраслевые стандарты. Многие аспекты национальных и отраслевых стандартов моей страны были заимствованы из стандартов UL и EN/IEC в процессе их разработки. Однако из-за этого использования нескольких источников некоторые утверждения, на мой взгляд, неточны. Например, в стандартах GB/T 32129-2015 и JB/T 10491.1-2004 материалы и провода указаны с показателями термостойкости 90℃, 105℃, 125℃ и 150℃, что явно заимствовано из системы стандартов UL. Однако описание термостойкости относится к максимально допустимой длительной рабочей температуре проводника. Это описание термостойкости явно ссылается на систему стандартов IEC. В системе стандартов IEC максимальная длительная рабочая температура проводника должна быть связана с расчетным сроком службы кабеля, но в этих национальных и отраслевых стандартах срок службы кабеля вообще не упоминается. Таким образом, утверждение о том, что «максимально допустимая долговременная рабочая температура проводников кабеля составляет 90℃, 105℃, 125℃ и 150℃», является спорным.

Так может ли сшитый силаном полиэтилен с поперечными связями (XLPE) достичь температурной стойкости 125℃? Более строгий ответ заключался бы в том, что сшитый силаном XLPE может достичь номинальной температуры 125°C, указанной в стандарте UL, поскольку в главе 40 стандарта UL 1581 «Общие правила для изоляционных и оболочных материалов» прямо указано, что химический состав материалов не указан. Возможность достижения максимальной долговременной рабочей температуры проводника из XLPE в 125°C зависит от расчетного срока службы кабеля и области применения. В настоящее время систематической оценки срока службы этого материала не найдено. Исходя из кратковременного старения, если расчетный срок службы кабеля составляет 25 лет, допустимая максимальная температура проводника в течение длительного времени, безусловно, превысит 90°C. В стандартах IEC расчетная максимальная рабочая температура проводников для традиционных силовых кабелей, строительных кабелей и даже солнечных кабелей не превышает 90°C, но это не означает, что допустимая максимальная рабочая температура материалов, используемых в таких кабелях, не может превышать 90°C. Также неразумно утверждать, что облученные сшитые материалы могут достичь температурной стойкости 125°C, в то время как силановые сшитые материалы — нет; такое утверждение нелогично.

Короче говоря, на вопрос о том, может ли материал достичь определенного уровня температуры, нельзя ответить просто «да» или «нет». Вместо этого его следует рассматривать в сочетании с методом оценки уровня температурной стойкости материала или расчетным сроком службы кабеля. Не следует смешивать и использовать несколько стандартных систем без разбора.