วิธีป้องกันการเสื่อมสภาพของสายเคเบิลฉนวนพลาสติกในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสูง?

เหตุใดความชื้นจึงเร่งการเสื่อมสภาพของสายไฟฟ้าหุ้มฉนวนพลาสติก

การเสื่อมสภาพแบบไฮโดรไลซิสของฉนวน PVC และ XLPE ภายใต้การสัมผัสความชื้นอย่างต่อเนื่อง

สายไฟที่มีฉนวนพลาสติก เช่น โพลีไวนิลคลอไรด์ (PVC) หรือพอลิเอทิลีนเชื่อมขวาง (XLPE) มักจะเสื่อมสภาพตามกาลเวลาเมื่อถูกสัมผัสกับความชื้นในระดับสูงอย่างต่อเนื่อง น้ำสามารถแทรกซึมเข้าไปในวัสดุพลาสติกได้ โดยทำลายพันธะทางเคมีที่สำคัญ เช่น กลุ่มเอสเตอร์ในสารปรับความยืดหยุ่น (plasticizers) และตำแหน่งอ่อนแออื่นๆ บนโซ่พอลิเมอร์เอง โดยเฉพาะสายเคเบิล PVC ความชื้นจะดึงเอาสารปรับความยืดหยุ่นเหล่านี้ออกไป ทำให้วัสดุมีความยืดหยุ่นลดลง ส่งผลให้เกิดปัญหา เช่น เกิดความเปราะและแตกร้าวเล็กๆ สายเคเบิล XLPE ก็เผชิญกับปัญหาในลักษณะเดียวกัน คือน้ำซึมเข้าไปในส่วนที่ไม่เป็นผลึกของวัสดุ และเริ่มทำให้พันธะเชื่อมขวางระหว่างโมเลกุลอ่อนแอลง สิ่งนี้ทำให้ความสามารถในการเป็นฉนวนไฟฟ้าลดลง โดยบางครั้งประสิทธิภาพอาจลดลงประมาณ 30% ในพื้นที่ที่มีความชื้นสูง และน่าสนใจคือ กระบวนการเสื่อมสภาพนี้จะเกิดขึ้นเร็วขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โดยทั่วไปอัตราการเสื่อมสภาพจะเพิ่มเป็นสองเท่าทุกครั้งที่อุณหภูมิสูงขึ้น 10 องศาเซลเซียส หากมีสารปนเปื้อนจากอากาศ เช่น อนุภาคเกลือ หรือสารที่มีความเป็นกรดปนมากับความชื้น ปฏิกิริยาเหล่านี้จะยิ่งรุนแรงขึ้น จนสร้างทางให้กระแสไฟฟ้ารั่วไหลได้ หากสายเคเบิลอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสัมพัทธ์สูงกว่า 70% เป็นเวลานาน ช่วงอายุการใช้งานจะลดลงเกือบครึ่งหนึ่ง เมื่อเทียบกับสภาพแวดล้อมที่แห้งสนิท สิ่งนี้ย่อมเพิ่มโอกาสในการเกิดความล้มเหลวภายในระบบโครงข่ายไฟฟ้าโดยรวม

ความชื้นทำงานร่วมกับความร้อนและออกซิเจนอย่างไรเพื่อเร่งการแตกตัวของพันธะโพลิเมอร์

ความชื้นไม่ได้ทำให้เกิดปัญหาเพียงอย่างเดียว แต่กลับเร่งกระบวนการเสื่อมสภาพให้รวดเร็วขึ้นมากเมื่อรวมกับความร้อนและออกซิเจน จนกลายเป็นความร่วมมือที่สร้างความเสียหายอย่างแท้จริง เมื่อไอน้ำเข้าไปในวัสดุฉนวน จะช่วยให้ออกซิเจนเคลื่อนผ่านวัสดุเหล่านั้นได้ง่ายขึ้น ส่งผลให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า การแตกตัวของโซ่โพลิเมอร์โดยออกซิเดชัน (oxidative chain scission) โดยที่อนุมูลอิสระที่ก่อปัญหาจะเริ่มทำลายโซ่โพลิเมอร์ ผลลัพธ์คือ เกิดกลุ่มคาร์บอนิล (carbonyl groups) ซึ่งทำลายโครงสร้างโมเลกุลอย่างรุนแรง และยังไม่รวมถึงอุณหภูมิที่มีบทบาทด้วย อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะเร่งกระบวนการไฮโดรไลซิสและการออกซิเดชันในอัตราที่เพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ ความชื้นทำหน้าที่คล้ายระบบขนส่งความร้อนและสารเคมีที่มีปฏิกิริยาต่างๆ เข้าสู่ภายในวัสดุมากขึ้นตามเวลาที่ผ่านไป การขยายตัวและหดตัวอย่างต่อเนื่องอันเนื่องมาจากความชื้นที่เปลี่ยนแปลง ทำให้วัสดุเกิดความเครียดทางกล ความเครียดนี้นำไปสู่การเกิดรอยแตกจิ๋วที่เปิดผิววัสดุใหม่ให้เสี่ยงต่อการเสื่อมสภาพเพิ่มเติม ทุกปัจจัยที่กล่าวมานี้รวมกันทำให้ความแข็งแรงด้านแรงดึงลดลงประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับกรณีที่มีเพียงสาเหตุเดียว สิ่งที่เราพบในการใช้งานจริงคือ วัสดุจะกรอบและเสื่อมสภาพเร็วกว่าที่คาดไว้ ฉนวนหดตัว การสูญเสียพลังงานไดอิเล็กทริกเพิ่มขึ้น และในที่สุดเกิดความล้มเหลวทางไฟฟ้าในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสูง

สัญญาณสำคัญของการเสื่อมสภาพจากความชื้นในสายเคเบิลไฟฟ้าที่มีฉนวนพลาสติก

ตัวบ่งชี้ทางสายตาและกลไก: การแตกร้าว สีซีดจาง และการสูญเสียความแข็งแรงดึง

เมื่อสายไฟฟ้าที่มีฉนวนพลาสติกถูกทิ้งไว้ในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสูงเป็นเวลานาน จะเริ่มแสดงอาการเสียรูปให้เห็นได้ รอยแตกร้าวเล็กๆ จะเริ่มปรากฏบนผิวเนื่องจากความชื้นรบกวนการเคลื่อนไหวของพอลิเมอร์เชน ทำให้วัสดุเปราะและเสื่อมสภาพเร็วกว่าปกติ สีของวัสดุก็เปลี่ยนแปลงไปด้วย โดยมักจะเหลืองหรือกลายเป็นสีขาวขุ่นคล้ายผงแป้ง ซึ่งเกิดจากการที่รังสี UV ทำลายวัสดุอย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะเมื่อมีน้ำมาเกี่ยวข้อง มีการทดสอบในห้องปฏิบัติการยืนยันว่า ฉนวนที่ถูกน้ำซึมเข้าไปจะสูญเสียความแข็งแรงเดิมประมาณ 40% พันธะระหว่างโมเลกุลจะแตกตัวจากกระบวนการที่เรียกว่า ไฮโดรไลซิส (hydrolysis) ทั้งในวัสดุ PVC และ XLPE เมื่อสายไฟเหล่านี้อ่อนแอลง ก็จะทนต่อแรงเครียดจากงานติดตั้ง การสั่นสะเทือนขณะใช้งาน และปัจจัยแวดล้อมอื่น ๆ ได้น้อยลง ในที่สุด ตัวนำไฟฟ้าด้านในอาจถูกเปิดเผยและเสี่ยงต่อการชำรุด

อาการทางไฟฟ้า: การสูญเสียไดอิเล็กตริกเพิ่มขึ้น, ความต้านทานฉนวนลดลง และการเริ่มต้นของภาวะการปล่อยประจุบางส่วน

ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่เสื่อมถอยให้หลักฐานยืนยันอย่างชัดเจนถึงการซึมเข้าของความชื้น:

• การสูญเสียดีอิเล็กทริก เพิ่มขึ้น 15–30% สามารถตรวจสอบได้ผ่านการทดสอบ tan-delta
• ความต้านทานในการกันความร้อน ลดลงต่ำกว่า 1 MΩ/km—ต่ำกว่าเกณฑ์มาตรฐานของสายเคเบิลที่ดีมากกว่า 1000 MΩ/km อย่างมาก—ทำให้เกิดกระแสรั่วและเพิ่มความเสี่ยงต่อการเกิดภาวะความร้อนเกินควบคุม
• การปล่อยประจุบางส่วน (PD) เริ่มเกิดขึ้นที่ระดับความชื้นสัมพัทธ์ต่ำเพียง 30% มักมาพร้อมกับเสียงแตกกรอบหรือคลื่นวิทยุรั่วออกมาที่ได้ยินได้

อาการเหล่านี้เกิดจากเส้นทางการไอออไนซ์ที่กระตุ้นโดยความชื้น ซึ่งทำให้ค่าแรงดันทะลุฉนวนลดต่ำลง ตามที่มีเอกสารวิจัยด้านไดอิเล็กตริกยืนยันไว้ ปรากฏการณ์ทั้งสามประการนี้มักเกิดขึ้นก่อนที่ฉนวนจะเสียหายอย่างรุนแรงในพื้นที่ที่มีความชื้นสูง

กลยุทธ์การป้องกันที่ได้ผลสำหรับสายเคเบิลไฟฟ้าหุ้มพลาสติกในสภาพอากาศชื้น

การออกแบบสายเคเบิลทนความชื้น: ชั้นหุ้มที่ดีขึ้น, สารเติมแต่งกันน้ำ, และเทปชั้นกั้น

วิศวกรรมวัสดุมีบทบาทสำคัญในฐานะการป้องกันแนวหน้าจากการเสื่อมสภาพของสิ่งแวดล้อม กระบวนการอัดรีดสามชั้นที่ใช้กับชั้นหุ้ม XLPE สร้างชั้นกั้นที่หนาแน่นมากขึ้น ซึ่งช่วยลดการถ่ายเทไอระเหยของน้ำลงประมาณ 80% เมื่อเทียบกับวัสดุ PVC ทั่วไป เมื่อต้องการกันน้ำอย่างมีประสิทธิภาพ แร่ธาตุที่ไม่ชอบน้ำ เช่น ซิลิกาที่เผาไฟแล้ว (fumed silica) จะช่วยได้อย่างมากในการป้องกันไม่ให้ความชื้นถูกดูดซึมเข้าไปในฉนวนไฟฟ้าเอง สำหรับสถานการณ์ที่ต้องการประสิทธิภาพสูงเป็นพิเศษ วิศวกรจะใช้เทปอลูมิเนียมโพลิเมอร์แบบชั้นบาง ซึ่งสามารถหยุดการเคลื่อนที่ของความชื้นได้ทั้งตามแนวความยาวและแนวกว้างของโครงสร้างสายเคเบิลได้โดยตรง คุณสมบัติทั้งหมดที่รวมกันนี้ทำให้ความต้านทานต่อแรงดันไฟฟ้า (dielectric strength) ยังคงสูงกว่า 15 กิโลโวลต์ต่อตารางมิลลิเมตร แม้จะผ่านการทดสอบในสภาวะความชื้น 95% เป็นเวลา 5,000 ชั่วโมง ผลลัพธ์เหล่านี้ได้รับการยืนยันผ่านขั้นตอนการทดสอบมาตรฐานตามที่ระบุไว้ใน IEC 60811-504 และแนวทาง IEEE 532 ซึ่งทำให้ผู้ผลิตมั่นใจในความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการติดตั้ง: การปิดผนึก การระบายน้ำ และการหลีกเลี่ยงจุดที่กักเก็บความชื้น

การดำเนินการในสนามมีความสำคัญไม่แพ้กัน จุดที่เสี่ยงต่อความเสียหาย—โดยเฉพาะจุดปลายสาย จุดต่อ และจุดเข้าของท่อร้อยสายเคเบิล—จำเป็นต้องได้รับการปิดผนึกเพื่อป้องกันการซึมเข้าของความชื้น:

• ใช้เทปยางแบบผสมตัวเอง (self-amalgamating rubber tape) ที่จุดปลายสาย เพื่อสร้างพันธะกันน้ำถาวร
• จัดเรียงสายเคเบิลให้มีความลาดเอียงลงต่ำ 1–2° ในถาดหรือท่อ เพื่อป้องกันการสะสมของน้ำ
• ติดตั้งท่อร้อยสายเคเบิลให้ห่างจากพื้นที่ที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว (>5°C/ชั่วโมง) เพื่อลดการควบแน่น
  จุดเข้าของท่อร้อยสายเคเบิลต้องใช้ข้อต่อแบบอัดผนึกที่มีค่าระดับ IP68 และกล่องต่อสายควรใส่ซิลิกาเจลดูดความชื้น ข้อมูลการบำรุงรักษาในภาคอุตสาหกรรมแสดงว่าแนวทางปฏิบัติเหล่านี้สามารถลดความล้มเหลวที่เกี่ยวข้องกับความชื้นได้ถึง 60%

ชั้นเคลือบป้องกันและอุปสรรคกันความชื้นที่ใช้งานในสนามสำหรับการปรับปรุงระบบเดิม

ระบบที่มีอยู่สามารถได้รับประโยชน์อย่างมากจากโซลูชันที่ติดตั้งเพิ่มเติมหลังการติดตั้ง ซึ่งมักหมายถึงอายุการใช้งานที่ยืดยาวขึ้น การฉีดเจลซิลิโคนแบบทิกซอโทรปิกเข้าไปในช่องว่างของปลอกจะสร้างสิ่งที่น่าทึ่งขึ้นมา นั่นคือ อุปสรรคที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้ ซึ่งช่วยหยุดไม่ให้รอยแตกร้าวเล็กๆ ขยายตัวออกไป และทนต่อแรงดันน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ สารโพลียูรีเทนสองส่วนก็ทำงานได้ดีเช่นกัน โดยสร้างชั้นเคลือบที่เรียบเนียนและไม่สึกหรอได้ง่าย แม้ในสภาวะเขตร้อนที่รุนแรงซึ่งอุปกรณ์ต้องเผชิญกับสภาพแวดล้อมที่โหดร้าย นอกจากนี้ยังต้องไม่ลืมเรื่องอะคริเลตที่แข็งตัวด้วยแสง UV ซึ่งสามารถเซ็ตตัวได้อย่างรวดเร็ว บางครั้งน้อยกว่าหนึ่งนาทีครึ่ง และทำให้พื้นผิวมีคุณสมบัติกันน้ำได้ดียิ่งขึ้น โดยมุมสัมผัสเกิน 110 องศา ตราบใดที่ทุกคนปฏิบัติตามคำแนะนำของผู้ผลิตในคู่มือการใช้งาน งานปรับปรุงเหล่านี้โดยทั่วไปจะช่วยยืดอายุการใช้งานของสายเคเบิลออกไปได้อีก 8 ถึง 12 ปี ก่อนที่จะต้องเปลี่ยนสายเคเบิลทั้งเส้น

การเลือกและการกำหนดสายเคเบิลจ่ายไฟที่มีฉนวนพลาสติกต้านความชื้น

เมื่อกำหนดสายเคเบิลไฟฟ้าหุ้มฉนวนพลาสติกสำหรับใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้น ควรให้ความสำคัญกับฉนวนแบบเชื่อมขวางโพลีเอทิลีน (XLPE) มากกว่า PVC มาตรฐาน เนื่องจากมีความต้านทานการเสื่อมสภาพจากปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสได้ดีกว่า และมีความเสถียรภาพระยะยาวภายใต้ความเครียดจากความร้อนและความชื้นได้ดีกว่า เกณฑ์หลักในการคัดเลือก ได้แก่

• องค์ประกอบของวัสดุ : XLPE ยังคงแรงดึงเดิม 85% หลังผ่านการทดสอบเป็นเวลา 1,000 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 90°C/ความชื้นสัมพัทธ์ 85% (ตามโปรโตคอลการเร่งอายุ IEEE 532)
• การรวมแผ่นกันน้ำ : สายเคเบิลที่มีเทปป้องกันความชื้นแบบอลูมิเนียม-พอลิเมอร์แนวตามยาว สามารถลดการซึมผ่านของน้ำได้ 97% เมื่อเทียบกับการออกแบบที่ไม่มีแผ่นกันน้ำ
• เสื้อผ้า : ปลอกหุ้มแบบโพลีเอทิลีนความหนาแน่นปานกลางหรือสูง (MDPE/HDPE) มีประสิทธิภาพเหนือกว่า PVC ในสภาพความชื้นต่อเนื่อง โดยแสดงการสูญเสียพลังงานไดอิเล็กทริกน้อยกว่า 40% หลังจากการใช้งานจริงในพื้นที่เขตร้อนเป็นเวลาห้าปี

ต้องมีการตรวจสอบโดย:

• การรับรองจากหน่วยงานภายนอกตามมาตรฐาน UL 1277 (สำหรับสายเคเบิลกำลัง) หรือ IEC 60502-2 (สำหรับแรงดันไฟฟ้าไม่เกิน 30 กิโลโวลต์) พร้อมการยืนยันประสิทธิภาพการใช้งานในพื้นที่เปียกชื้นอย่างชัดเจน
• การทดสอบการเสื่อมสภาพเร่งที่จำลองอายุการใช้งาน 20 ปีในสภาพภูมิอากาศร้อนชื้น (เช่น การทดสอบแบบไซเคิลที่ 85°C/85% RH ตามมาตรฐาน IEC 60068-2-30)
• การวัดการปล่อยประจุบางส่วนที่ระดับ 5 pC ที่แรงดันไฟฟ้าตามค่าที่กำหนด เพื่อยืนยันความสมบูรณ์ของฉนวนและอินเทอร์เฟซ

หลีกเลี่ยงสายเคเบิลที่ใช้สารกรอกดูดความชื้น (เช่น ดินเหนียวหรือเซลลูโลสที่ไม่ผ่านการบำบัด) ควรระบุให้มีการเคลือบเจลซิลิโคนโดยโรงงานที่จุดต่อปลายทางในพื้นที่ที่มีแนวโน้มเกิดการควบแน่น สำหรับการปรับปรุงใหม่ สามารถใช้การเคลือบโพลียูรีเทนชนิดละลายน้ำที่ทำการทาในสถานที่จริง—หลังจากการเตรียมพื้นผิวตามมาตรฐาน ASTM D3359—เพื่อฟื้นฟูความสามารถในการกันความชื้นของสายเคเบิลที่เสื่อมสภาพได้อย่างมีประสิทธิภาพ

คำถามที่พบบ่อย

ประเภทของฉนวนพลาสติกใดที่เสี่ยงต่อความชื้นมากที่สุด

สายเคเบิลพลังงานที่มีฉนวนพลาสติกชนิดโพลีไวนิลคลอไรด์ (PVC) และพอลิเอทิลีนข้ามพันธะ (XLPE) มีความเสี่ยงต่อความชื้นมากที่สุด เนื่องจากมีแนวโน้มจะเสื่อมสภาพจากปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสเมื่อสัมผัสกับความชื้นเป็นเวลานาน

ความชื้นสูงมีผลต่ออายุการใช้งานของสายเคเบิลพลังงานที่มีฉนวนพลาสติกอย่างไร

ความชื้นสูงสามารถลดอายุการใช้งานของสายเคเบิลฉนวนพลาสติกได้อย่างมาก บางครั้งอาจลดลงเกือบครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับสภาพแวดล้อมที่แห้ง การเสื่อมสภาพจากความชื้นร่วมกับอุณหภูมิและออกซิเจนจะเร่งการแตกตัวของโซ่โพลิเมอร์ ส่งผลให้เกิดความล้มเหลวทางกลและทางไฟฟ้า

ควรดำเนินมาตรการป้องกันอย่างไรเพื่อปกป้องสายเคเบิลฉนวนพลาสติกจากความชื้น

มาตรการป้องกันรวมถึงการใช้ออกแบบสายเคเบิลที่ทนต่อความชื้น โดยมีชั้นหุ้มเสริม สารกรองกันน้ำ และเทปขัดขวาง การปฏิบัติตามแนวทางที่ดีที่สุดในการติดตั้งคือการปิดผนึกจุดที่เปิดเผยและตรวจสอบให้มั่นใจว่าระบบท่อน้ำทิ้งทำงานได้ดีเพื่อหลีกเลี่ยงการขังน้ำ นอกจากนี้ยังสามารถใช้ชั้นเคลือบป้องกันและอุปสรรคกันความชื้นกับระบบเดิมได้

เหตุใดควรให้ความสำคัญกับ XLPE มากกว่า PVC ในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้น

ควรให้ความสำคัญกับ XLPE มากกว่า PVC เนื่องจากมีความต้านทานการเสื่อมสภาพจากปฏิกิริยาน้ำได้ดีกว่า และมีความเสถียรภาพในระยะยาวที่ดีขึ้นภายใต้สภาวะความร้อนและความชื้น โดยสามารถคงความแข็งแรงดึงเริ่มต้นไว้ได้สูงถึง 85% หลังจากการสัมผัสเป็นเวลานาน