איך למנוע זקנה של כבלים מואזלים מפלסטיק בסביבות לחות?

למה umedות מאיצה את הזדקנותם של כבלים חשמליים מבודדים מפלסטיק

דדגרדציה הידרולית של בידוד PVC ו-XLPEภายใต חשיפה ממושכת ללחות

כבלים חשמליים מבודדים בפולימרים כמו פוליויניל כלוריד (PVC) או פוליאתילן משוחלב (XLPE) נוטים להתנוות עם הזמן כאשר הם נתונים לסביבה רטובה. המים חודרים לחומר הפלסטי, ופורקים את הקשרים הכימיים החשובים הנמצאים בקבוצות אסטר בתוך חומרי הגמישות ובנקודות חלש אחרות לאורך שרשראות הפולימר. כשמדובר בכבלים PVC, הלחות מוציאה את חומרי הגמישות מהחומר, מה שמוביל לאיבוד גמישות ולבלייה, כגון התפרקות לחתיכות קטנות והופעה של סדקים זעירים. גם לכבלים XLPE יש בעיות דומות, בהן המים חודרים לחלקים הלא-גבישיים של החומר ומחלישים את הקשרים המשוחלבים בין מולקולות. זה יורד בצורה משמעותית ביכולת של החומר לבידוד חשמלי, ולעיתים מקטין את יעילותו בכ-30% בסביבות מאוד לחות. מעניין כי תהליך ההתנוון הזה מתרחש מהר יותר ככל שהטמפרטורה עולה – באופן כללי, קצב התגובה מכפיל עצמו עם עליה של 10 מעלות צלזיוס. אם נוסיפים מזהמים מהאוויר, כמו חלקיקי מלח או חומרים חומציים המצויינים בלחות, התגובות מחריפות אף יותר ויוצרות מסלולים שדרכם חשמל עלול לדלוף. אם כבלים נשארים בסביבות בהן הרطوبة נשמרת מעל 70% לאורך זמן, מחצית מהחיים השימושיים שלהם נחתכת בהשוואה לתנאים יבשים לחלוטין. ברור שזה מגדיל את הסיכון לתקלות ברשת החשמל כולה.

כיצד שיתוף הפעולה של רטיבות עם חום וחמצן מזרז את שבירת שרשרת הפולימר

לחות איננה פועלת לבד. למעשה, היא מאיצה מאוד את תהליך ההזדקנות כשמשולבת יחד עם חום וחמצן, במין שותפות מרסנת למדי. כשאדי מים חודרים לחומרי בידוד, הם עוזרים לחמצן לחדור דרכם ביתר קלות. זה גורם לתופעה הנקראת 'קריעת שרשרת חמצנית', בה רדיקלים חופשיים מטרידים מתחילים לקרוע שרשרות פולימריות. התוצאה? נוצרות קבוצות קרבוניל שמפגרות לגמרי את המבנה המולקולרי. וגם לא נוכל לשכוח מהטמפרטורה שמפעילה את חלקה. טמפרטורות גבוהות מאיצות בצורה מעריכית הן את תהליכי ההידרוליזה והן את החמצון. הלחות פועלת כמעט כמו מערכת משלוח של חום וחומרים פעילים אחרים, ודוחפת אותם עמוק יותר אל תוך החומרים לאורך זמן. התפשטות וכיווץ מתמידים הנובעים משינויי רמת הלחות יוצרים מתח מכני בתוך החומרים. מתחים אלו יוצרים סדקים זעירים שפותחים פני שטח חדשים שפגיעים לקלקול נוסף. כל הגורמים הללו יחד מקצרים את חוזק המשיכה בכ-40 אחוז לעומת סיבה בודדת בלבד. מה שאנחנו רואים בפועל הוא חומרים הופכים לקשיחים הרבה לפני הזמן הצפוי, כיווץ של הבידוד, הפסדי דיאלקטריות גבוהים יותר, ולבסוף כשלים חשמליים המתרחשים בסביבות שבהן שוררת לחות גבוהה.

סימנים עיקריים של התדרדרות הנגרמת על ידי לחות בכבלים חשמליים מבודדים פלסטיק

מבחנים חזותיים ומיכאניים: סדקים, שינוי צבע ואיבוד חוזק מתיחה

כאשר כבלים חשמליים עם בידוד פלסטיק נחשפים לחום גבוה לתקופות ארוכות, הם מציגים סימנים גלויים של נזק. התפרצויות מיקרו מתחילות להتشמע על פני השטח מכיוון שהרטיבות מפריעה לנועם של שרשרות הפולימר, מה שממיס את החומרים במהירות רבה יותר מהרגיל. גם הצבע משתנה – לרוב הופך לצהבהב או מפתח מראה לבן דמוי ק chalk. זה קורה כאשר אור UV מפרק את החומרים מהר יותר, במיוחד כשנוכחת מים. מבחני מעבדה תומכים בכך ומציגים שבידוד שנמסך מאבד כ-40% מכוחו המקורי. הקשרים בין מולקולות מתפרקים בתהליך הנקרא הידרוליזה בחומרים PVC ו-XLPE. ככל שהכבלים מתחלשים, הם הופכים לקצת מסוגלים להתמודד עם מלחיצות רגילות מעבודות התקנה, רעידות במהלך פעילות וגורמים סביבתיים אחרים. בסופו של דבר, המוליכים הפנימיים נחשפים ובסיכון של כשל.

תסמינים חשמליים: הפסד דיאלקטרי מוגבר, התנגדות בידוד מופחתת והתחלה של פריצה חלקית

הדרדרות בביצועים חשמליים מספקת ראיות חד-משמעיות לנוכחות של לחות:

• אובדן דיאלקטרי מגביר ב-15–30%, ניתן לגילוי באמצעות בדיקת tan-delta
• התנגדות בידוד יורד מתחת ל-1 MΩ/ק"מ — הרבה מתחת לסף הבריאותי של 1000+ MΩ/ק"מ — ומאפשר זרמי דליפה וסיכונים של התרסקות תרמית
• פריצה חלקית (PD) מתרחשת בסף רטיבות יחסית נמוך כמו 30%, לרוב מלווה בקרקים שמישמעים או בה phátירות RF

תסמינים אלו נובעים ממסלולים של יוניזציה הנגרמים על ידי לחות, אשר מקטינים את סף הפריצה. כפי שמדווחים מחקרים דיאלקטריים עמיתיים, שלשה זו מתרחשת לעיתים קרובות לפני כשל בידוד קטסטרופלי באקלימים לחים.

אסטרטגיות מניעה מוכחות עבור כבלים מוארקים פלסטיים באקלימים לחים

עיצוב כבל עמיד בפני לחות: מעטפת משופרת, ממלאים הידרופוביים וסרטים מונעים

הנדסת חומרים ממלאה תפקיד מרכזי כהגנה מקדמית בפני התדרדרות סביבתית. תהליך הגלילה המשולש המשמש במעטפת XLPE יוצר מחסום צפוף בהרבה, המצמצם את העברת אדי מים ב unos 80% לעומת חומרי PVC רגילים. כשמדובר במניעת חדירת מים, מינרלים הידרופוביים כמו סיליקה מעופשת מבצעים פלאים בבלימת ספיגת לחות לתוך החימום עצמו. בסיטואציות קיצוניות במיוחד שבהן הביצועים הם קריטיים, מהנדסים פונים לצינורות פולימריות מ laminated אלומיניום שעצרות למעשה את תנועת הלחות גם לאורך וגם בכיוון הרוחב של מבנה הכבל. כל התכונות המשולבות הללו מבטיחות שהחוזק דיאלקטרי ישאר גבוה בהרבה מ-15 kV/מ"מ גם לאחר שהייה של 5,000 שעות בתנאי רטיבות של 95%. תוצאות אלו אושרו באמצעות הליכי בדיקה סטנדרטיים שצוינו בהנחיות IEC 60811-504 ו-IEEE 532, ונותנים לייצרנים ביטחון באיכות ובאמינות המוצר.

שיטות מומלצות להתקנה: חיבור, ניקוז והימנעות ממפגעי תתל

הביצוע בשטח הוא חשוב באותה מידה. נקודות פגיעות – במיוחד סיומות, חיבורים ונקודות כניסת צינורות – חייבות להיות חסומות מפני חדירת לחות:

• יש להשתמש בשريط גומי מתאחד-בעצמו בנקודות סיום כדי ליצור חיבורים קבועים ו chống מים
• יש לכוון את הכבלים בזווית ירידה של 1–2° במגירות או בצינורות כדי למנוע הצטברות מים
• יש להתקין צינורות הרחק מאזורים עם תנודות טמפרטורה מהירות (>5° צלזיוס בשעה) כדי למזער היווצרות תתל
  לנקודות כניסת צינורות יש צורך בחיבורים דחיסה עם דירוג IP68, ותיבות החיבורים צריכות לכלול אריזות יבשנים מסיליקה ג'ל. נתוני תחזוקה תעשייתית מראים ששיטות אלו מפחיתות כשלים הקשורים ללחות ב-60%.

שכבות הגנה וחומות שימור לחות להתקנות שטח במיזוג הישן

מערכות קיימות יכולות להפיק תועלת רבה מפתרונות שהותקנו לאחר ההתקנה, מה שפירושו לרוב אורך חיים תפעולי ארוך יותר. הזרקה של ג'ל סיליקון תיקסוטרופי לפערים במעטפת יוצרת חומות שמאלצות את עצמן, שמאטות את התפשטות של סדקים קטנים ועומדות בלחץ מים. החומר הפוליאוריטן הדו-קומפוננטי גם עובד היטב מאוד, ומייצר שכבות חלקות שלא ייבלו בקלות גם בתנאים טרופיים קיצוניים שבהם הציוד נפגע קשות. ואל נשכח גם מאקרילטים מאולרים על ידי קרינת UV – הם מתארכים במהירות יוצאת דופן, לפעמים בתוך פחות מדקה וחצי, וגורמים לפני השטח להיות דוחים מים בהרבה, עם זוויות מגע של יותר מ-110 מעלות. כל עוד כולם עוקבים אחרי ההוראות של היצרנים, שדרוגים מסוג זה מוסיפים בדרך כלל בין שמונה לעשרים שנים נוספות של שירות לפני שיצטרך להחליף את כל הכבלים.

בחירת והגדרת כבלים חשמליים מבודדים פלסטיק עמידים ברטיבות

בעת הגדרת כבלים חשמליים מבודדים בפלסטיק לסביבות לחות, יש להעדיף פוליאתילן משובח (XLPE) על פני PVC סטנדרטי, בשל עמידותו העדיפה בפני דיטוריאציה הידרולית ויציבות ארוכת טווח תחת לחץ חום-לחות. קריטריונים מרכזיים לבחירה כוללים:

• הרכב החומר : XLPE שומר על 85% מכוח המשיכה הראשוני לאחר 1,000 שעות בתנאי 90°‏C/85% RH (לפי פרוטוקול ההشيخון המאיץ IEEE 532)
• שילוב מחסום : לכבלים עם סרטים אטומים לחדירת מים מאלומיניום-פולימר אורך יורד חדירת מים ב-97% לעומת עיצובים ללא מחסום
• כיסוי חיצוני : מעטפת из MDPE/HDPE (פוליאתילן בצפיפות בינונית או גבוהה) מתגבה טוב יותר מול לחות מתמשכת – ומציגה איבוד דיאלקטרי נמוך ב-40% לאחר חמש שנים של חשיפה בשדה באזור טרופי

האימות חייב לכלול:

• אימות צד ג' לפי UL 1277 (לכבלים חשמליים) או IEC 60502-2 (למתחים מוגדרים עד 30 ק"ו), עם אימות מפורש לביצועים בסביבות לחות
• בדיקות זקנה מואצת שמדמות 20 שנות שירות באקלים טרופי (למשל, מחזורים של 85°C/85% RH לפי IEC 60068-2-30)
• מדידות פריצה חלצית של 5 pC במתח נומינלי, אשר מאשרות את שלמות הבידוד והממשקים

הימנעו מקבליים הכוללים מילויים ספוגי-לחה (למשל, חימר לא מעובד או סלולוזה). ציינו ציפוי ג'ל סיליקון מוחל ב завод בנקודות סיום במיקומים הנוטים להיווצרות קונדנס. לצורך שדרוגים, ציפויי פוליאוריטן על בסיס ממס, שמוחלים במקום – לאחר הכנת המשטח לפי ASTM D3359 – יכולים לשחזר ביעילות את ההתנגדות ללחות של קבליים פגומים.

שאלות נפוצות

אילו סוגי בידוד פלסטי הם הפגיעים ביותר בפני רטיבות?

כבלי חשמל מבודדים בפלסטיק המשתמשים בפוליויניל כלוריד (PVC) ובפוליאתילן משוחלב (XLPE) הם הפגיעים ביותר בפני רטיבות, מאחר שהם נוטים להתנוות הידרוליטית במצור מוגדל לחות.

כיצד משפיעה רטיבות גבוהה על אורך החיים של כבלי חשמל מבודדים בפלסטיק?

לחות גבוהה יכולה לצמצם משמעותית את אורך החיים של כבלים מבודדים פלסטיים, ולפעמים לקצץ אותו כמעט לחצי בהשוואה לתנאים יבשים. התדרדרות הנגרמת על ידי לחות, בשילוב עם טמפרטורה וחמצן, מאיצה שבירת שרשרת הפולימר, מה שמוביל לכשלים מכניים וחשמליים.

אילו צעדי מניעה ניתן לנקוט כדי להגן על כבלים מבודדים פלסטיים מפני לחות?

צעדי מניעה כוללים שימוש בעיצובי כבלים עמידים בפני לחות עם מעטפת משופרת, ממלאים הידרופוביים וסרטים מחסומים. בין תactices הטובות בהתקנה נמנים חיבוט נקודות חשופות ודאגה לריסוק תקין כדי למנוע הצטברות מים. ניתן גם להחיל חיפויים מגינים och מפגני לחות על מערכות קיימות.

מדוע יש להעדיף XLPE על פני PVC בסביבות לחות?

יש להעדיף XLPE על פני PVC בשל עמידותו העדיפה בפירוק הידרוליטי והיציבות האורכת לאורך זמן בתנאי לחות וחום, כאשר הוא שומר על עד 85% מכוח המשיכה הראשוני לאחר חשיפה ממושכת.