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Raychem瑞侃 中高壓相關技術

作者:汎武事業 專業技師

1.交鏈技術與交鏈特性 

  材料科學的一項重大革命,就是交鏈技術的發展。由於這項突破性的發展,增強了材料本身性質的特性,甚至克服了製造與應用上的困難度。如今電力、電子、通信等工業應用材料大部分都是以交鏈技術來驅導。

  然而,什麼是交鏈技術?交鏈特性在那裡?恐怕大家接觸資訊不夠, 汎武公司Raychem技師 非常高興能有機會為大家介紹一下。

1.1材料

材料有很多種,瑞侃(Raychem)使用的材料統稱為熱塑性材料,這些熱塑性材料是由一串長分子聚合物組合而成。依化學方式來表式則由一長串的碳原子以化學鍵相連接。其它的原子如氫、氧、氮、氟等等同樣可以用化學鍵搭接在碳鍵上。

  基本碳鍵算是材料的本體主要成份,然而若希望製成不同功能的材料,就必須混合其它填加物如顏料、燄阻劑、防氧化劑等等。

  至於熱塑性材料的結構強度,則依分子間的距離和分子結構的結晶狀而定。

1.2放射

  由於我們對原子能量的瞭解,一項重要的發現就是如果將塑性材料經由放射能量的穿透會造成其內部鄰近分子鍵的永久交鏈。

  這也就是說經由交鏈處理後的分子鍵,除了原先晶點構造外,另外加上了因放射能量而形成的交鏈鍵,更加穩固了塑性材料的結構強度。換句話說就是強化了材質。

Raychem

改變形狀後的塑性材料,可再經由溫度下降,造成材料內部結晶點的重現。這時候的塑性材料又具備有結晶鍵與交鏈鍵。到此為止,經過交鏈處理的熱塑性材料便是提供客戶用的材料(見2)。

Raychem瑞侃熱塑性材料特色_圖2

當客戶拿到經過交鏈處理的塑性材料時,只需將材料加熱,這時結晶鍵再度熔解,交連鍵的作用會將材料拉回成原來的形狀(見3)。

Raychem 瑞侃熱塑性材料特色_圖3

再經由冷卻,結晶鍵再度形成,造成塑性材料定型於熱縮後的形狀(見4)。

Raychem 瑞侃熱塑性材料特色_圖4

說明了交鏈技術的熱縮彈性記憶,除非該材料再度加熱,並且施以機械力去改變形狀,否則其形狀再也不會改變。

  由於交鏈技術有以下四點重要特性:

  熱縮記憶

  高溫穩定

  抗溶劑侵蝕

  抗低溫蠕動

  於是Raychem發展了一系列的歐規美規的肘型接頭,69KV電纜處理頭及接續大環境需求為前提的熱塑性材料給工業界。

  在電力界,我們不難想像的到,交鏈技術的突破造成改良型材料結構的效果。因此,我們堅持要用“火”去達到高品質塑性材料的要求。

2. 塑性材料之製造邏輯

塑性材料的研究已成為近五十年來最熱門的話題。在電力界傳統式利用油、紙、瓷等材料做為電力絕緣的技術,雖然已廣為人知,然而其功能效果與經濟利益是否合乎電力公司的要求則未可知。讓我們來談談目前世界上研發的新型塑性材料。了解其製造電纜處理頭及絕緣材料配件的邏輯與其產品功能。然後我們再來討論這些塑性材料是否能取代傳統式材料?以及是否能達到電力公司的理想?

2.1在我們討論塑性材料特性之前,讓我們先列出有那些因素會影響塑性材料本身的材質:

    2.1.1氣候效應

    2.1.2污染效應

    2.1.3溫度效應

    2.1.4機械效應

這些效應對塑性材料的影響都會因時間地域而有所不同,所以身為電機工程師人員就必需了解在他的領域內,有那些效應是必需要加以考慮的。

2.1.1氣候效應

在氣候效應中主要影響塑性材料的因素有:

紫外線光──紫外線光照射在塑性材料的表面會貫穿,分解其內部的化學鍵,導致塑性材料的機械與電氣特性的衰減。

    大氣層中的氧──當氧氣與塑性材料經過紫外線光照射斷鍵後的游離基接觸時會形成過氫氧化物和過氫氧游離基,這個過程加速了多種衍生根基的自動催化作用。這出就是說由於氧的催化作用加速了材料特性的衰減。

    濕氣──當濕氣與塑性材料表面接觸時會因為化學水解,日光照射產生羥根基加速降解反應。同時若有污染物溶解在塑性材料表而潮濕薄膜層時會導致加速電痕或介質貫穿等電力特性的衰減。另外濕氣對某些塑性材料會溶解其內部的可塑體和穩定劑,致使塑性材料容易碎裂及加速氧化。

2.1.2污染效應

污染的形態可分氣態污染與固態污染兩種:

    氣態污染──常見的氣態污染有臭氧、氧化硫及氧化氮。這些氣態污染可能是直接由工廠,汽車排廢氣或者是大氣層光學作用而形成。這些污染氣體會與塑性材料的表面起斷鍵作用導至材料本身物理化學,電氣特性的衰減。

    固態污染──典型固態污染包括有煤灰、塵埃、鹽、砂、泥灰、煙灰等等。其污染的程度與形態隨地域而改變。其中鹽害的污染最為嚴重,因為鹽分的沉積於塑性材料表而會使其洩漏電流過大,導至電痕與侵蝕現象的發生。

2.1.3溫度效應

    溫度效應可分為環境溫度與局部溫度兩種

    環境溫度──溫度上昇容易造成塑性材料斷鍵,溫度下降容易造成塑性材料失去延展性,加速材料化學,電氣特性的衰減。

    局部溫度──由於塑性材料製造品質不佳,或者是兩種塑性材料介面相容性不良,都會造成氣囊的存在。這些瑕疵會因為溫度分佈不均勻,加速材質的破壞。

2.1.4機械效應

    機械效應可分為機械位移或電應力兩種

    機械位移──由於塑性材料與金屬有不同的膨脹係數,所以當溫度產生變化時,其彼此間介面會因為延展位移造成材料表面形成微小裂縫,提前材料特性的惡化反應。

    電應力──由於各種塑性材料的體積電阻不同,造成等電位線分佈不均勻,因而形成電應力局部集中的現象,加速破壞塑性材料的特性。

2.2概略了解影響塑性材料本身材質的因素後,讓我們再進一步探討如何去改良塑性材料,使其能克服上述的氣候、污染、溫度與機械等效應。

    一般來說精研製成的塑性材料,起碼必須具備有數種以下的特性:

    .防電痕      .抗電弧

    .抗侵蝕     .防潮濕擴散

    .抗紫外線光   .低煙無毒

    .燄阻       .良好熱傳導

    .堅軔       .抗撞擊

    .長時間庫存   .長時間運轉

    您可能會想到若是塑性材料通通具備有上述材料特性,不是很好嗎?話是沒錯,然而在調配添加物於塑性材料內可能有困難。因為任何形式與特性的塑性材料都必須折衷於材料互斥與材料整合的邏輯觀念中。

    舉個例來說:防電痕的特性,就是要讓塑性材料的表面形成不受束縛的游離碳粒,這些碳粒會隨自然環境的因素如風或雨水而被帶走。Raychem的解決方法就是在塑性材料中填加三氫氧化鋁。三氫氧化鋁會結合空氣中的氧和污染物內的碳起化學變化,形成三氧化二鋁、水、一氧化碳及二氧化碳。(見5

    顯而易見的是碳粒會變成碳的氧化物,在塑性材料的表面上自行剝落,達到防電痕的效果。可能有人會問:若是加重三氫氧化鋁的成分不是會更好嗎?不幸的是在塑性材料內加重三氫氧化鋁的成份後可能會導至其它材料特性的不彰(例如延伸率及濕性電氣強度等等)。是以,任何一種塑性材料在凸顯某些功能的時候,必需考慮到是否會犧牲掉其他某些材料特性。

  總之,要達到某些特定材料特性時,必須填加物的調配去對抗各種效應的影響。

 

  基於塑性材料互斥與互親的考量,Raychem在製造熱塑性材料時,會依據大環境下的需求調配各種填加物,達到甚至超越電力公司的理想。舉個例來説:針對塑性材料具備防電痕與抗侵蝕的特性,又同時兼顧到材料本身的延展性及電力強度,Raychem參照填加物攙入的比例,記錄出各種特性彰顯與衰減之比例圖(見6)。圖中箭頭所指的方向便是Raychem發展熱塑性材料的研究方向。

Raychem瑞侃 塑性材料防電痕保護
   圖5  塑性材料防電痕保護

                            

 

Raychem防電痕材料與其他物理、化學、電氣特性關係
圖6  Raychem防電痕材料與其他物理、化學、電氣特性關係

 

Raychem在精研製造塑性材料時,完全按照資料庫裡的材料特性、物理、化學、電氣特性關係圖為依據,提供、改良、創新各種熱塑性材料。

    當然,上述的例子,只是熱塑性材料發展的一小項目而已。在此,台灣瑞侃公司概略的列出填加物的種類供大家參考:

填加物

填充物

顏料

穩定劑

記憶劑

交連輔助劑

交連線光過濾劑

燄阻劑

煙黑抑制劑

增塑劑

潤滑劑

脫模劑

防電痕劑

特性

減少製造成本,增加機械強度

提供顏色

避免材料在製造過程時熱氧化

增強熱縮性

增強交連特性

防止材料暴露於紫外線光下的衰減

防止材料燃燒

防止材料產生煙黑

提高材料柔軟性

改善製造過程困難度

改善脫模效果

改善防電痕特性

  

 由此可見,因環境的需要,TE/Raychem提供了成千上萬種的熱塑性材料給工業界,其對塑性材料之製造邏輯是非常嚴謹的。

 

3.交連塑性材料功能標準依據

Raychem開發之熱塑性材料,依使用環境、功能、電壓等級,諸多因素之考量,而佐配不同之混合物。經射出成形,放射交連,擴撐定型,材料測試,再配合其他配件,組合成整套的施工材料組。

3.1功能標準依據

    整組材料的設計、製造、組合符合甚至超越了國際標準。其依據標準如下:

國際標準組織

國際電工委員會

美國標準協會

美國材料試驗學會

美國環境保護局

美國電子電機工程學會

美國國防部標準

美國電機製造業學會

美國保險業實驗所

及其他國家之標準

ISO

IEC

ANSI

ASTM

EPA

IEEE

MIL

NEMA

UL

 

3.2 舉例高壓電纜端末處理IEEE 48-1990標準:

IEEE 48-1990對電纜端末處理依環境有三種等級之分:

    第三級:外半導層的電應力控制

    第二級:第三級+漏電絕緣(防電痕功能)

    第一級:第二級+密封防水處理

    為什麼Raychem之高壓端末符合IEEE-48第一級標準?

3.2.1電應力控制

    為防止導體與外半導間閃絡,所以外半導需剝除足夠長度以降低絕緣層表面電應力至低於空氣離子化的程度。

    外半導剝除後,其邊緣處的電力線分佈非常密集,在極小的間隙中有極大的電位差,此電位差產生的電應力,不但容易破壞絕緣,且因電場強度超過空氣介電強度,會造成局部放電現象(電暈),影響電纜壽命甚鉅。

應電力控制

 

電氣特性擴散法

    熱縮型電纜配件係利用電應力控制套管之電氣特性,完成與電力錐相同效果之電力擴散。與電力錐不同的是材料兼具高電容率及高直流體積電阻。

Raychem 應電力持續擴散法

 

3.2.2防電痕功能

Raychem高壓端末絕緣材料內含有防電痕添加劑。當洩漏電流增大乾帶形成時,跳躍在乾帶上之電弧會對塑性材料產生高溫並碳化其表面之污染雜質。此時塑性材料內部之三氫氧化鋁會與碳化雜質及氧產生化學變化,形成三氧化二鋁(粉末狀)、水氣、一氧化碳及二氧化碳消逸於空氣中,不會有碳樹形成,此為Raychem防電痕之功效nontracking)功能。

3.2.3密封防水處理

    Raychem高壓端末防水處理為內置熱融膠帶方式與其他以膠布纏繞防水不同。

    當加熱於此耐高溫兼具防電痕功能的膠帶上時,會變成高黏度慢流動的狀態, 填補任何空隙,達到100%防水功效。

    基於3.2.1,3.2.2及3.2.3Raychem之高壓端末符合甚且超過IEEE-48第一級標準。

電應力控制方法

    為克服局部放電現象及疏解外半導邊緣處電應力的集中,故應做電應力控制。

    基本上電應力控制的方法有二,且各有其優缺點:

    A.幾何擴散法    B.電氣特性擴散法

幾何擴散法

    早期足以絕緣材料做成錐狀物,再使用導電性材料延伸外半導層,使零電位形成喇叭狀。如此可疏解半導層邊緣處的電應力集中,降低電暈的發生,使電纜使用壽命延長,此為大家熟知的電力錐,基本上有兩種材料:

  1. 膠布預製,其優缺點如下:

     

    Raychem 應電力控制法比較

 

 

4.交連塑性材料之應用

交連塑性材料之應用非常廣泛。大凡電力、電子、通訊等工業應用產品皆有用到交連塑性材料。在電力界應用最廣的有交連聚乙烯電纜,交連塑性電纜配件,防鹽害污染交連絕緣材料等。在交連塑性材料的貢應與成效上,都已漸漸取代了傳統式的材料。

    您或許會問:那Raychem在電力系統應用上,有那些材料?在此非常樂意的提供這方面的材料應用:

高壓熱縮電纜配件

46/69kV

等級LHVT-72H

中壓熱縮電纜配件

5/8/15/25/35kV

等級IXSU-F

低壓熱縮電纜配件

1kV

等級WCSM

高壓熱縮絕緣材料

高壓匯流排,開關設備BBIT

低壓熱縮絕緣材料

低壓匯流排,開關設備BPTM

鹽害污染防護材料

輸配電屋外絕緣系統HVBT

核能級熱縮絕緣材料

核能廠1E級設備  NHVT

 

 

5.實際應用範例與成效

    總而言之,新型熱塑性材料已經問世五十餘年。這種新科技產品的推出,可讓電力公司在系統運轉上達到安全、可靠、省錢。我們都知道材料的改良每天在進步,同樣的,我們對新科技產物的知識也應該是朝夕在增加。

然而,有一點非常重要的是在材料裝設上,施工人員必需要具備有專業的知識與專業的訓練。否則材料再好到後來也會因為施工不當而發生問題。在此,以堅定無比的信心,希望各位專業人員能受到最妥當的訓練與協助。

塑性絕緣材料使用年限分析

    塑性絕緣材料使用年限常因環境因素、電壓等級、污染程度、操作溫度而改變。事實上也沒有任何一種標準方法或規範可以準確的預測塑性絕緣材料之壽命。

    Raychem在塑性絕緣材料壽命預測上,則是依據ARRHENIUS方法提供熱縮型塑性絕緣材料在使用年限資料上之參考數據:

Raychem 瑞侃熱縮型塑性材料加速老化測試數據_圖10

註:當塑性材料之延伸率設定在100%,及各種操作溫度下,預測其使用年限約長達40年(90℃)之久。可是在一般情況下,塑性材料之延伸率很少超過10%,做上述預測使用年限是非常保守的估計。

 

材料所產生之不同特性

TE電力部Raychem產品乃以材料科學與技術為基礎研發與創造各項產品之特性,泰科熱縮電纜末端產品之優異特性已達到72KV等級且經過多年系統運轉,更顯產品之穩定性,耐久性與可靠性。

Raychem電纜末端產品已運轉超過30年,其經驗充份展現出泰科於材料科學之領先地位,並以此條件不斷研發新一代之產品。

特點:

無儲藏時限。     使用壽命長。

安裝簡易。       符合所有尺寸。

 Raychem 瑞侃熱縮電纜處理頭剖面圖

IXSU-F/OXSU-F屋內/屋外之設計可滿足所有氣候條件且可應用42 KV等級。

組件滿足末端之電力特性,電應力控制及防水性之各項要求。

泰科了解高分子與合成絕緣材料之差異性,運用各種材料特性組成之基礎配方及添加材料讓其發揮各項所期望之特性以達到熱縮電纜末端處理組件各項優秀之特性。

 

絕緣材料

IXSU-F/OXSU-F所選用之材料乃經過多年研發單位心血結晶所得到符合電氣與環境要求之材料。

此材料配方是經過多年改良與數十年之穩定性與長期運轉所展現出抗電痕、抗機械應力、適用於嚴苛環境與高絕緣強度等各項特性。

Raychem 瑞侃IXSU-F 屋內 OXSU-F屋外型 

IXSU-F terminations installed with Raychem

Bushing boot (RCAB)

 Raychem 瑞侃IXSU-F 屋內 OXSU-F屋外型

IXSU-F terminations installed with Raychem

insulated connection system (RICS)

 

應力控制材料

新的配方提供完美之物理與電氣特性且與絕緣管採同軸壓出之技術製造。

產  品

本產品之設計已達到系統42KV 800mm2 等級。

 

【本文章來源出處: 節錄自 電機月刊】 

 

電力絕緣熱縮塑性材料技術研討【電機月刊】
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