在電線電纜的設(shè)計(jì)、選材、生產(chǎn)、銷售過程中,往往碰到很多溫度參數(shù),如90℃、105℃、125℃、150℃等。這些參數(shù)在行業(yè)中的通俗名稱都叫耐溫等級(jí)參數(shù),那這些參數(shù)是怎么來的呢?同是90℃的耐溫等級(jí)的材料,為什么老化溫度不一樣呢?老化溫度和耐溫等級(jí)是什么關(guān)系?絕緣允許的導(dǎo)體長期最高工作溫度是怎么定義的?什么是溫度指數(shù)?什么是材料的額定溫度?硅烷交聯(lián)料能滿足125℃的耐溫等級(jí)嗎?
要回答上述問題,首先要了解標(biāo)準(zhǔn)體系,因?yàn)椴煌臉?biāo)準(zhǔn)體系對(duì)耐溫等級(jí)的定義是不同的。我們常見的標(biāo)準(zhǔn)體系主要有國家標(biāo)準(zhǔn)(及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn))、UL標(biāo)準(zhǔn)、EN/IEC標(biāo)準(zhǔn)等。
由于國標(biāo)和行標(biāo)的編制,很多內(nèi)容是參考和借鑒了國際標(biāo)準(zhǔn),因此我們先來看看UL標(biāo)準(zhǔn)或EN/IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)耐溫等級(jí)的規(guī)定。
一、UL標(biāo)準(zhǔn)
UL標(biāo)準(zhǔn)中,常見的耐溫等級(jí)是60℃、70℃、80℃、90℃、105℃、125℃和150℃。這些耐溫等級(jí)是怎么來的呢?是導(dǎo)體的長期工作溫度嗎?實(shí)際上,這些所謂的耐溫等級(jí),在UL標(biāo)準(zhǔn)中稱作額定溫度(rating temperature)。它并不是導(dǎo)體的長期工作溫度。
額定工作溫度
UL標(biāo)準(zhǔn)中額定溫度的確認(rèn)是按照公式1.1來確定的(參見UL 2556-2007中4.3章材料長期老化部分)。具體過程是先假定材料的一個(gè)耐溫等級(jí),如105℃,然后按公式1.1計(jì)算出烘箱的測(cè)試溫度112℃,分別在這樣的測(cè)試溫度下將樣品放置90天、120天和150天,得到樣品的伸率變化率和老化天數(shù)的數(shù)據(jù),然后再通過最小二乘法推算出老化天數(shù)和斷裂伸長率的線性關(guān)系,進(jìn)而依據(jù)此線性關(guān)系推算在此烘箱溫度(112℃)下老化300天時(shí)的樣品斷裂伸長率。
如果斷裂伸長率的變化率小于50%,則認(rèn)為此材料可以達(dá)到這個(gè)假定的額定溫度,如果斷裂伸長率的變化率大于50%,則認(rèn)為此材料的額定溫度不能達(dá)到假定的額定溫度,需要重新假定一個(gè)額定溫度,繼續(xù)上述試驗(yàn)。
由此可見,在UL標(biāo)準(zhǔn)體系中如果采用反推的方法可以這樣認(rèn)為:某個(gè)材料在某溫度A℃下老化300天,其伸率變化率不超過50%,再將溫度A減去5.463,然后再除以1.02,得到溫度B℃,即可認(rèn)定此材料可以達(dá)到溫度B℃的額定溫度。
這一額定溫度,絕不是絕緣層允許的導(dǎo)體的長期最高工作溫度。因?yàn)殚L期最高工作溫度中的“長期”實(shí)際上應(yīng)該是電纜在此工作溫度下的壽命,至少要以年為單位計(jì)算,如光伏電纜標(biāo)準(zhǔn)EN50618中,電纜的壽命設(shè)計(jì)為25年,UL標(biāo)準(zhǔn)中的額定溫度一般會(huì)比導(dǎo)體的長期最高工作溫度高。
短期老化溫度
材料的短期老化溫度,即我們平常在標(biāo)準(zhǔn)中最常見的7天、10天等,如105℃的材料,老化條件為136℃×7天。那這和額定溫度是什么關(guān)系呢?在UL標(biāo)準(zhǔn)中,短期老化的溫度是靠材料的長期使用經(jīng)驗(yàn)獲得的,但也總結(jié)了一些方法來確認(rèn)。如在UL2556-2007標(biāo)準(zhǔn)4.3.5.6章及附錄D中這樣確定一個(gè)材料的短期老化溫度。首先按照表1-1選擇一個(gè)額定溫度、老化溫度和老化時(shí)間。
如果按照上述條件測(cè)試的材料的老化后的伸率變化率大于50%,則認(rèn)定為此材料可以按照此條件來確定老化溫度,如果伸率變化率大于50%,則材料的額定溫度和短期老化溫度要下降一個(gè)等級(jí)。
除此之外,在UL758-2010的第14章中也總結(jié)了簡單的公式來確定短期老化溫度。如式1.2:
二、EN/IEC標(biāo)準(zhǔn)
在EN/IEC標(biāo)準(zhǔn)中,很少像UL標(biāo)準(zhǔn)中那樣看到額定溫度(rating temperature),取而代之的是導(dǎo)體長期工作溫度(operation temperature)或者溫度指數(shù)。那么這兩個(gè)溫度有什么區(qū)別呢?
實(shí)際上,在EN/IEC標(biāo)準(zhǔn)體系中,對(duì)電纜的耐溫等級(jí)的評(píng)價(jià)主要是按照EN 60216或IEC 60216來評(píng)價(jià)的。此標(biāo)準(zhǔn)主要是評(píng)價(jià)絕緣材料的熱壽命。其評(píng)價(jià)方法是將材料在不同溫度下進(jìn)行老化試驗(yàn),以斷裂伸長率的變化率為50%作為老化的終點(diǎn),得出材料在不同溫度下的老化天數(shù)。然后通過線性回歸的方式將老化天數(shù)和老化溫度做線性相關(guān)處理,得出一個(gè)線性關(guān)系曲線。然后根據(jù)電纜的壽命確定最高工作溫度,或者根據(jù)長期工作溫度,確定線纜的壽命。
而溫度指數(shù),就是指絕緣材料在熱老化20000H后,斷裂伸長率的變化率為50%時(shí),所對(duì)應(yīng)的溫度。以光伏電纜標(biāo)準(zhǔn)EN 50618:2014為例,其電纜的設(shè)計(jì)壽命為25年,長期工作溫度為90℃,而溫度指數(shù)則是120℃。絕緣材料的短期老化溫度,也是以上述線性關(guān)系推導(dǎo)出來的。
所以,EN 50618:2014中絕緣材料的老化溫度為150℃。這一老化溫度和UL標(biāo)準(zhǔn)系列中額定溫度為125℃的材料的老化溫度158℃非常接近。
通過上述分析不難看出,同樣的導(dǎo)體的長期工作溫度,由于電纜的設(shè)計(jì)壽命不同,可能其要求的老化溫度并不一樣。在同樣的長期工作溫度下,電纜設(shè)計(jì)壽命越短,絕緣材料的短期老化溫度就可以要求的越低。
例如在IEC 60502-1:2004中要求的XLPE絕緣料的長期最高工作溫度為90℃,而此材料的老化溫度為135℃。這里的135℃卻和UL標(biāo)準(zhǔn)中額定溫度為105℃的老化溫度136℃很接近,卻和同樣是長期最高工作溫度同樣為90℃的EN 50618:2014中絕緣的老化溫度差很多。盡管在60502-1:2004沒有找到電纜的設(shè)計(jì)壽命,但兩種電纜的設(shè)計(jì)壽命肯定是不同的。
三、國標(biāo)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
我國的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在編制過程中,很多內(nèi)容是參考和借鑒了UL標(biāo)準(zhǔn)或EN/IEC標(biāo)準(zhǔn)。但是由于是多方參考,所以有些表述筆者認(rèn)為是不準(zhǔn)確的。例如在GB/T 32129-2015、JB/T 10436-2004、JB/T 10491.1-2004中,無論是材料還是電線,其耐溫等級(jí)都有90℃、105℃、125℃和150℃,這明顯是借鑒了UL的標(biāo)準(zhǔn)體系。但是,對(duì)于耐熱的表述卻是允許的導(dǎo)體長期最高工作溫度。這個(gè)耐熱性的表述又明顯參考IEC標(biāo)準(zhǔn)體系。
在IEC標(biāo)準(zhǔn)體系中,導(dǎo)體的長期最高工作溫度應(yīng)該和電纜的設(shè)計(jì)壽命關(guān)聯(lián),可這些國標(biāo)及行標(biāo)中,根本沒有電纜壽命的表述。所以這種“適用的電纜導(dǎo)體長期允許最高工作溫度是90℃、105℃、125℃和150℃”的表述有待商榷。
那么硅烷交聯(lián)型XLPE能不能達(dá)到125℃的耐溫等級(jí)呢?比較嚴(yán)謹(jǐn)回答應(yīng)該是硅烷交聯(lián)型XLPE可以達(dá)到UL標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的125℃的額定溫度,因?yàn)樵赨L1581第40章的絕緣和護(hù)套材料總則中,已經(jīng)明確提出不對(duì)材料的化學(xué)成分做規(guī)定。而XLPE導(dǎo)體的長期最高工作是否能達(dá)到125℃,這和電纜的設(shè)計(jì)壽命及使用場合有關(guān),目前,沒有找到相關(guān)資料系統(tǒng)評(píng)價(jià)此材料的壽命。通過短期老化來推測(cè),如果電纜的設(shè)計(jì)壽命是25年,其允許的導(dǎo)體的長期最高溫度肯定能大于90℃。
在IEC標(biāo)準(zhǔn)中,傳統(tǒng)的電力電纜、建筑用線甚至太陽能電纜的設(shè)計(jì)導(dǎo)體長期最高工作溫度都不會(huì)超過90℃,但并不代表用于此類電纜的材料允許的長期最高工作溫度不能大于90℃。也不能說輻照交聯(lián)料可以達(dá)到125℃的耐溫等級(jí),而硅烷交聯(lián)料不能達(dá)到125℃的耐溫等級(jí),這樣的表述是沒有道理的。
總之,一個(gè)材料能否達(dá)到某個(gè)溫度等級(jí),不能簡單的回答是或不是,而是要結(jié)合材料耐溫等級(jí)的評(píng)價(jià)方法或者電纜的設(shè)計(jì)壽命來考慮的,不能將幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系混合著亂用。