Dây & cáp điện cao su: Ưu, nhược điểm, công nghệ sản xuất

Dây và cáp có lớp cách điện bằng cao su hiện nay vẫn được sử dụng để kết nối các bộ thu dòng và phân phối điện trong mạng điện thứ cấp, đồng thời cũng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông, xây dựng và đời sống hàng ngày. Nhìn chung thì cáp, dây điện có cách điện bằng cao su có thể được chia thành các nhóm sau:

• Dây cáp điện;
• Cáp điều khiển;
• Cáp và dây điện mềm;
• Dây cáp và dây điện hàng hải;
• Cáp khai thác gỗ;
• Dây dẫn cho toa xe điện;
• Dây máy bay, ô tô và máy kéo.

Việc sử dụng vật liệu cách điện bằng cao su hoặc nhựa không phải do mong muốn có được một loại cáp điện mềm mà nhằm mục đích tạo điều kiện thuận lợi và đơn giản hóa việc kết nối cáp. Độ bền điện môi trung bình cao của lớp cách điện cao su trong hầu hết các trường hợp đều có các điểm yếu nên phải tăng độ dày của lớp cách điện lên rất nhiều so với các loại cách điện khác như bằng giấy tẩm dầu hoặc nhựa.

I. Công nghệ sản xuất cách điện cao su

Các hoạt động công nghệ chính bao gồm sản xuất cao su và nhựa và ứng dụng chúng vào lõi hoặc dây. Quá trình sản xuất cao su liên quan đến việc làm dẻo cao su và đưa các chất độn (phấn, bột talc), chất làm mềm, chất tăng cường và chất lưu hóa vào đó.

Hỗn hợp cao su sẽ được ép đùn vào lõi bằng cách ép nóng trên máy ép hoặc ép nguội trên các con lăn định hình đặc biệt. Độ dày của lớp cách điện cao su phụ thuộc vào tiết diện của dây dẫn và điện áp định mức của dây hoặc cáp, và độ dày của vỏ bọc được xác định tùy thuộc vào đường kính của cáp, có thể thay đổi từ 1 – 8 mm đối với vỏ cao su và từ 2 – 4 mm đối với vỏ bọc vinylite làm bằng nhựa PVC. Lớp cách điện cao su sau khi được ép vào lõi dây dẫn sẽ được lưu hóa để truyền các tính chất vật lý cần thiết cho lớp cách điện, bao gòm độ bền cơ học và độ đàn hồi. Vỏ  bọc ngoài thì không cần lưu hóa.

Một bím sợi bông được phủ lên trên lớp cách điện cao su của dây điện, có thể được ngâm tẩm bằng bitum hoặc thành phần khác hoặc phủ một lớp vecni nitro (đối với dây máy bay và máy kéo ô tô). Các thao tác công nghệ còn lại như xoắn thành cáp và dán vỏ bảo vệ cũng được thực hiện tương tự như các sản phẩm cáp điện khác.

II. Ưu điểm và nhược điểm của dây điện cao su

Các đặc tính điện và cơ của vật liệu cách nhiệt cao su đã giúp đáp ứng một số thiết kế dây và cáp hoạt động trong điều kiện vận hành cực kỳ khó khăn  như máy khai thác gỗ, máy xúc… Một loạt các giá trị điện trở suất (từ 10¹³ đến 10¹⁷ Ω/cm) và sự thay đổi đáng kể của hằng số điện môi tùy thuộc vào thành phần trong cao su cũng như công nghệ sản xuất của nó giúp có thể sản xuất nhiều loại dây và cáp điện cao su khác nhau cho nhiều mục đích khác nhau.

Nhưng cùng với những ưu điểm tích cực thì cũng có những nhược điểm rất điển hình trong quá trình sản xuất và vận hành dây điện cao su như:

1. Sự hiện diện của bong bóng và màng không khí trong lớp cách điện;
2. Tính không ổn định của cao su lưu hóa khi tiếp xúc với ozon (O3);
3. Ảnh hưởng của lực cơ học và lực căng đến độ bền điện của cách điện;
4. Giảm các đặc tính cơ và điện của cao su khi bị nung nóng;
5. Độ thấm ẩm xuyên qua cao su;
6. Độ kháng kém trước tác động của dầu mỏ và dầu khoáng;
7. Mất tính chất cơ học tùy thuộc vào thời gian lão hóa nhiệt.

Hiện nay, cao su lưu hóa được sử dụng rộng rãi, quá trình lưu hóa được thực hiện với lưu huỳnh. Những loại cao su “không chứa lưu huỳnh” như vậy có khả năng chịu nhiệt cao hơn và do đó có tuổi thọ dài hơn.

Tóm lại cao su lưu hóa dựa trên cao su tự nhiên và tổng hợp được sử dụng để sản xuất các loại sản phẩm cáp khác nhau và do đó đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất cáp. Khó khăn lớn nhất nảy sinh khi sử dụng cách điện cao su là sản xuất dây và cáp điện HVAC, đơn giản như đối với cáp điện 6/10 kV để tải điện cho máy xúc, máy nạo vét, máy kéo công suất lớn… Khả năng chống ozone kém của cao su dẫn đến sự phá hủy nhanh chóng và giảm mạnh tuổi thọ của dây cáp đó. Trong những trường hợp này, cao su lưu hóa đặc biệt chống ozon được sản xuất, ví dụ nó sẽ được thêm lớp sơn bóng bện cũng được sử dụng làm lớp phủ bảo vệ.

Các công thức chế tạo cao su chịu dầu và xăng đã được phát triển để có thể sản xuất cao su cách điện dùng cho cáp khai thác gỗ hoạt động trong giếng dầu ở nhiệt độ cao từ -50 đến +150°C.

Thành của cao su lưu hóa thường bao gồm các vật liệu chính sau:

• Cao su tự nhiên (NK) hoặc tổng hợp (SC);
• Chất độn – phấn, cao lanh, bột talc…
• Chất làm mềm – axit stearic, parafin, thạch dầu mỏ, bitum…
• Chất tăng cường đặc tính cơ học của hợp chất cao su (muối cacbon).

Lượng cao su trong hỗn hợp cao su được sử dụng trong sản xuất dây và cáp thay đổi (theo trọng lượng) từ 25 – 60%, và tổng lượng của tất cả các chất độn là từ 35 – 70 %, khoảng 2% là chất làm mềm và khoảng 1.5% cho chất lưu hóa (lưu huỳnh).

III. So sánh cao su với PVC, PE

Cùng với cao su, vật liệu nhựa nhiệt dẻo tổng hợp còn được gọi là chất đàn hồi cũng được sử dụng rộng rãi. Trong số đó phải kể đến hợp chất nhựa rất phổ biến được làm từ PVC, được sử dụng rộng rãi trong ngành dây cáp hạ thế và lớp vỏ bọc bảo vệ.

1. So sánh cao su với PVC

Nhựa PVC thu được bằng cách trùng hợp vinyl clorua. Hợp chất nhựa thu được bằng cách trộn nhựa nghiền mịn với chất làm dẻo, chất ổn định và chất độn. Carbon trắng và cao lanh thường được sử dụng làm chất độn còn tricrysyl phosphate, dibutide phthalate… được sử dụng làm chất hóa dẻo. Ngoài PVC, chất đồng trùng hợp của vinyl clorua cũng được sử dụng, ví dụ vinyl axetat. Nhược điểm chính của cách điện PVC là:

• Tính chất điện không đủ (điện trở cách điện không đủ và giá trị tiếp tuyến tổn thất điện môi lớn) do sự hiện diện của chất hóa dẻo, cũng như việc dễ dàng loại bỏ ion C l trong nhựa vinyl clorua;
• Chống chịu băng giá kém.

Điểm tích cực của PVC bao gồm:

• Khả năng chống lão hóa nhiệt cao hơn;
• Khả năng chống dầu và tất cả các chất bôi trơn;
• Khả năng chống mài mòn cao;
• Không thấm nước;
• Khả năng chống lại một số dung môi, axit và kiềm ngoại trừ axit sulfuric 93% và axit axetic.
• Không dễ cháy.

2. So sánh cao su với PE

PE hiện được sử dụng rộng rãi để sản xuất vật liệu cách điện chất lượng cao cho dây và cáp . Đây là vật liệu tương đối mềm (khi đun nóng đến 70°C, mật độ của nó giảm đồng đều), có khả năng chống băng giá và kháng ozone tốt, được sử dụng rộng rãi để cách điện cả nguồn điện cũng như dây và cáp cao tần.

Với sự phát triển hóa học hiện nay, chúng ta có thể mong đợi trong tương lai gần sự xuất hiện của các vật liệu tổng hợp, việc ứng dụng chúng vào sản xuất dây cáp điện sẽ giúp giải quyết hoàn toàn các vấn đề chưa được giải quyết ở nhiều loại dây và cáp cách điện hiện nay, nhất là cáp điện cao thế.