PERÉNYI KÁRLY Posta Kísérleti Intézet Habosított polietilén légkábel-érszigetelés élettarta-vizsgálata ET 621.315.24:621.315.616.96:678.742.2. 405.8 A korszerű, vazeltöltésű postai földkábelekben a kábelerek töör polietilén szigetelését a habosított polietilén érszigetelés váltotta fel. Ennek előnyeire, űszaki paraétereire, gazdaságosságának és egbízhatóságának isertetésére e cikk keretében ne térünk ki, csupán azt vizsgáljuk, hogy elviseli-e a habosított polietilén anyag légkábelek érszigeteléseként a felhasználási igénybevételeket, tehát alkalazható-e erre a célra. A habosított polietilén kábel-érszigeteléssel szeben táasztott követelények, akár földkábelekben, akár légkábelekben kívánjuk felhasználni, közel azonosak, dössze két pontban térnek el egyástól: ivel a légkábelek ne vazeltöltésűek, ezért ne kívánjuk eg a vazel-állóságot a légkábelekben alkalazandó habosított polietilén anyagtól, viszont a habosított polietilén légkábel-érszigetelő anyagként nagyobb hőigénybevételt kénytelen elviselni, t a föld alatt, ezért nagyobb hőstabilitást kívánunk. ' A habosított polietilén érszigetelés légkábelekhez való alkalazhatóságának egítélése érdekében tehát az alábbi feladatokat kellett elvégeznünk: eg kellett határozni a légkábelek belső hőérsékletének gadozását, odellezve az üzei körülényeket, eg kellett állapítani a habosított polietilén érszigetelések hőstabilitását, és a kísérleti eredények figyelebe vételével választ kellett adni arra, hogy a habosított polietilén érszigetelés 20 évi üzeeltetést feltételezve alkalas-e a fokozottabb igénybevétel elviselésére. 1. Légkábel belső hőérsékletének érése 1.1. Mérőberendezés készítése A légkábelek belső hőérsékletének egállapítására egy folyaatosan űködő érő és regisztráló berendezést terveztünk és építettünk. A berendezés 4 fő részből áll: érzékelők, erősítő rész, tápegység, regisztráló. Érzékelők i 4 TH" típusú üvegterisztorokat alkalaztunk, aelyeknek belső ellenállását úgy választottuk Beérkezett: 1978. I. 14. eg, hogy az 10 kíí-nál nagyobb legyen. Ebben az esetben a vezetékek ellenállása a érések pontosságát ne befolyásolta. Erősítő rész Az erősítő panelja egy nagy érzékenységű heatstone-hidat, egy kétfokozatú IC-erősítőt és egy diódás egyenirányítót foglal agába. Az érzékelő terisztor hőérséklettől függő ellenállása képezi a heatstone-híd egyik ágát. A híd többi ellenállását a érés időtartaa alatt 20 ±1 C hőérsékletű térben tartottuk. Az általunk készített berendezés hat erősítő panelt tartalaz, tehát egyidejűleg hat érőhely kialakítását teszi lehetővé. Tápegység A berendezést külön tápegységről űködtettük. Ez az AC DC tápegység biztosította a rendszer 15 V-os egyenfeszültséggel való ellátását. Regisztráló Ganz gyártányú, PCa típusú hatpontíró, elynek 4 csatornáját használtuk fel a éréshez. A regisztráló papír 24 órás beosztása egkönnyítette az eredények értékelését. A készülék űködése A berendezés a heatstone-hidat használja fel a hőérsékletváltozás dikálására. A híd egyik ágát az érzékelő terisztor képezi. Működés során a hőérséklet gadozása következtében változik a terisztor ellenállása, s ez az ellenállás-növekedés vagy -csökkenés a híd kieneti pontja feszültségkülönbséget idéz elő. A felerősített jeleket diódás egyenirányító teszi alkalassá a űszer, jelen esetben regisztráló berendezés űködtetésére. A érőberendezés blokkvázlata az 1. ábrán látható. 1. ábra. A légkábelek belső hőérsékletét érő berendezés blokk-vázlata 305
HÍRADÁSTECHNIKA XXIX. ÉVF. 10. SZ., 1.2. A érések lefolytatása A érések egkezdése előtt az érzékelő terisztorokat, illetve a érőhidakat a egfelelő éréshatárra be kellett állítanunk: a terisztorokat klíakarába helyeztük, s annak hőérsékletét változtatva a hidak ellenállását úgy szabályoztuk be, hogy a rendszer a +20 C-tól a +75 C-ig terjedő tartoányban dolgozzék. A vizsgálatot 7x4-es, polietilén köpenyű, önhordó légkábel 1 hosszú tadarabján végeztük. A kábel két középső érnégyesét kihúztuk, s helyébe kb. 30 40 c élyre két érzékelő terisztort helyeztünk. Az így előkészített kábeldarabot a Posta Kísérleti Intézet tetőteraszán üzeelő kitételi álloáson úgy rögzítettük, hogy a lehető legtöbb napsugárzás érje. napos órái A haradik terisztort, elyre előzőleg korotartalú polietilén csövecskét zsugorítottunk, közvetlenül a kábel ellé függesztettük fel. Ez az érzékelő érte az ún. ^ fekete test" hőérsékletet, elyből jó közelítéssel a kábelköpeny napsugárzástól függő felelegedésének értékére következtethettünk. A negyedik terisztorral a levegő hőérsékletének változását figyeltük; telepítésénél ügyeltünk arra, hogy denkor árnyékban és esőtől védve legyen. A éréseket 1977. júliusában kezdtük el, s augusztus Végéig folyaatosan regisztráltuk a takábel belsejének, felületének és környezetének +20 C-ot eghaladó hőérsékletét. 0 érhető UQpotíék -tncafíyiséq rttor pilis oufialitt IH.BB-fl<H 2. ábra. A ta-kábel köpenyének és belsejének hőérsékletgadozása a érési időszakban (a diagraon párhuzaosan feltüntettük a levegő hőérsékletváltozását, és napos órák száát is) 306
PERÉNYI K.: HABSÍTTT PLIETILÉN LÉGKÁBEL ÉRSZIGETELÉS ÉLETTARTAM VIZSGÁLATA 3 g M o H eső napsütés P cg X T-t T-f 27,5 X I> <* rh l> 12,5 00 IC uíifl ctcf oo 1> C * * Tf-^i eo C -rj< <M Cl 00 i-h (N C ó"i> C IN 1Í5 T-Í r>* " C0 w o rh!>cct C C0 T-Í i> CN C t^l> 00 cys cjs o C C o o> o o T-I C5 C ca " CJ C r-t-r-t rf Í CÍrH* I> l> io r-tl> I> C r-t 00 00 C0 ih 00 I> TÍ TH " lh * T-T C0 l> I> C I> *o ) 00 C0 w T" 00 -* C0 cí ih TH tar" rh Q 00 t> ^* *# * C M - * C o T!?C i>cc i> "tf ffi i> i> r- rh l> 00 Cg ^< o eo io cícto I-TT-T ííí oo oo H H oo i> * T-H r-tr-t rf T-I TH CÍ r-töi 00 oo r» r-5 o iri*w oo oo r-t-t-h* w o -* TH TH o o trí Tf. i-t * M< TH <M Ci C Í cna? Í J 00 l> o c^octoo C0 IC CÍrH* C0 o C0 T-T 00 S ' C C ct x>cc w w w w i> cío "* oo r- l> C -* * -ch 00 "* C J rh T-T C (M IfllI TH *C TjH -c" rh rh* HT-^ rh rjí eo T-T-rJí iff-rjh o -^ rh * ^< io"i> ot oo <* r> ot C C rh rh Í o i> o"o C Í r- r-tc-too' C C l ot oo rh ós oo i-h w * i> * C C0 * oo oo ríh*0 ^ "^Ji "*CH i> r> TJ( Cl *» S Í C0 C ^ C0 C C C0 C i> i> rh rh ct oo C0 o o 00 ^ 00 t- C 00 00 00 rh C rh i> i> l> 1 1 I I l> 00 C0 o oo T-T C0 1 1 1 1 1 1 1 1 rh l ' TH o / <3 7 1 3, ^ ft, cq cq- >A ^ X* ^ TH Cl ^ ts, eq cq KI ti. cq cq ih <M ^ ti, cq í ) hq Cd cq cq dana Ycraazs XVSHZS 307
A. HÍRADÁSTECHNIKA XXIX. ÉVF. 10. SZ. 1.3. Az eredények értékelése Az érzékelők kalibrációs diagrajaak segítségével a regisztrált űszerkitéréseket C értékekre száoltuk át, és az így nyert adathalazt összefoglaló táblázatban heti, napi és óra bontásban fektettük fel. Az 1. táblázatban példaképpen a 29. hét érési eredényeit utatjuk be. A táblázat reggel 7 órától este 20 óráig óránként a legelegebb napszakban félóránként tünteti fel a négy érzékelő C-ra átszáított kitéréseit. Külön rovatban találhatók az általunk ért napi axiális hőérsékleti értékek, és a Meteorológiai Intézet által kiadott Időjárás havijelentés" alapján egállapított napi axiális hőérséklet, a napos órák száa és az esetleges csapadék is. A következtetések levonásának egkönnyítése céljából az érzékelők által ért napi legagasabb hőérsékleteket és a napos órák száát közös diagraon ábrázoltuk (2. ábra). Az 1. táblázat és a 2. ábra adatait értékelve egállapíthatjuk: a kábelköpenyt a közvetlen napsugárzás a érési időszakban ne elegítette fel +50 C fölé; a kábel belsejének hőérsékletét a kábelköpeny és a környezet hőfoka együttesen befolyásolja. Közvetlen napsugárzás hatására a kábelköpeny gyorsan' felelegszik, a környezeti hőérséklet és a fekete test" hőérséklet-különbsége eghaladhatja a +20 C-t is. A kábel belsejének hőérséklete dig alacsonyabb, t a köpenyé. A kábel köpenyének, és ezzel összefüggésben a kábel belsejének a napsütéstől/való függését egy napos és egy esős napon a 3. és a 4. ábrán beutatott diagraok szeléltetik; a érési időszakban a kábelköpenyen ért napi axiális hőérsékletek átlaga 41 C, íg a kábel belsejében 35 C, a környező levegőnél pedig 25 C ez az érték. Július Zk. vasárnap Napos órák stóa 12,5 H572-PK3I 3. ábra. A levegőnek, a ta-kábel köpenyének és belsejének hőérsékletváltozása egy derült napon L'C] hőérséklet? f c $ h» h» h Július 13-kedd Napos óraksiágy,í Hopenu 4. ábra. Átfutó vihar hatása a légkábelen ért hőérsékletre Összegezve a egállapításokat kiondhatjuk, hogy a habosított polietilén légkábel-érszigetelések élettartaának becslésénél elsősorban a légkábel belsejének a hőérsékletét kell figyelebe venni. Ez az érték napsütésnek kitett légkábelek esetében tegy 10 C-szal agasabb, t a környező levegő hőfoka, s csak felhős időben, árnyékos területre telepített kábelek esetében, illetve éjszaka veszi fel a környezet hőérsékletét. 2. Habosított polietilén érszigetelések Mstabilitásának egállapítása A habosított polietilén érszigetelések hő hatására történő örégedésének (hőstabilitásának) egállapítására szolgáló vizsgálatokhoz agukat a gyárilag előállított érszigeteléseket használtuk taként: 100 120 hosszúságú darabokra vágott szigetelt erekből eltávolítottuk a rézhuzalokat, és az így előkészített üres", habosított polietilén szigeteléseket egy függőleges tengely körül forgó hordozó keretre felerősítve 100 C hőérsékletű laboratóriui szárítószekrényben öregítettük. A szárítószekrényből hetente vettünk tákat, azokat először 24 órán keresztül 20 C-on és 65% relatív páratartalú klíaszekrényben állandósítottuk, ajd szakítógépen 250 /perc sebességgel elszakítottuk. A próbatestek befogási hossza 50 volt. A szakítás során regisztráltuk a próbatestek szakadási nyúlását, s azt viszonyítottuk az eredeti, ne öregített ták szakadási nyúlásához. A ták élettartarnának azt az időt tektettük, aelynek elteltével a egállapított szakadási nyúlások átlaga az eredeti átlagérték 50%-a alá süllyedt. Az a tény, hogy az öregített próbátestek szakadási nyúlása az eredeti nyúlásnak csak 50%-a, ég ne jelenti a leöregedett anyagok használhatatlanságát a vizsgálat időpontjában. A polier anyagoknak ilyódon defiált élettartaa önkényes de a űanyag- 308
PERÉNYI K.: HABSÍTTT PLIETILÉN LÉGKÁBEL ÉRSZIGETELÉS ÉLETTARTAM VIZSGÁLATA iparban elfogadott és alkalazott egállapodás következénye; a tapasztalat ugyanis azt bizonyítja, hogy a szakadási nyúlás ilyen arányú lecsökkenése után a vizsgált űanyag viszonylag gyorsan tönkreegy, rendeltetésszerű felhasználásra alkalatlanná válik. Esetünkben a ne öregített habosított polietilén érszigetelés-ták szakadási nyúlásának átlagértéke 460% volt; a hőöregítést 12 hétig folytatva a ták szakadási nyúlásának átlaga 270%-ra csökkent. Ez azt jelenti, hogy a habosított polietilén érszigetelés élettartaa 100 C-on végzett hőöregítés után 12 hét felett van. A későbbiekben látni fogjuk, hogy ez az eredény a habosított polietilén érszigetelés alkalazhatóságát bizonyítja! 3. Habosított polietilén érszigetelés alkalazhatóságának elbírálása A kéiai reakciók sebessége exponenciálisan függ a hőérséklettől, annak növelése gyorsítja, csökkenése pedig lassítja a lejátszódó folyaatokat [3]. A reakciósebesség hőérséklet-függését az alábbi képlet fejezi ki: E_ R T k=ae, ahol k a szóbanforgó reakció sebességi állandója, E a reakció aktiválási energiája T az abszolút hőérséklet Kelv-fokban (273+t C), R az cal ^ ( 1,99 7-; rr, A állandó, fok ol) ún. akciókonstans. Ha iserjük egy kéiai reakció aktiválási energiáját, akkor ki tudjuk száítani azt, hogy az adott kéiai reakció egyik hőérsékleten hányszor gyorsabban vagy lassabban játszódik le, t egy ásik hőérsékleten. (Ebben az esetben A értékének iseretére ncs szükségünk).. Ezt a lehetőséget használjuk ki, aikor 100 C-on végzett öregítési vizsgálatok eredényeiből következtetünk az anyag terészetes felhasználási viszonyok között várható élettartaára. Esetünkben a polietilén terikus aktiválási energiája a szakirodaloban szereplő adatok alapján [4]: =12000-^-. ol A reakció keresett sebességi állandója a gyorsított hőöregítés hőérsékletén: k 100 c=ae 12000 1»+M )=?A.9,53.10-8. A Meteorológiai Intézet adataiból [5] iserjük Magyarország évi átlagos középhőérsékletét (10,7 C) és a napsütés átlagos ennyiségét (5,4 óra/nap). Saját érésekből kiszáítottuk, hogy napsütéses időben a légkábel belső hőérséklete átlagosan 10 C-szal haladja eg a környezeti hőérsékletet; felhős időben, illetve napnyugtától napkeltéig pedig a légkábel belső hőérsékletét a környezeti hőérséklet határozza eg, azzal egegyezik. A habosított polietilén érszigetelés terooxidációjának (hőöregedésének) sebessége az évi átlagos középhőérsékleten, 10,7 C-on: 12000 io,7 c=ae~ í + 1 V=A -5,87-l" 10, napsugárzásnak kitett légkábel esetében pedig, 20,7 C belső átlaghőérsékletet véve figyelebe (10,7 C + 10 C): 12000 20,7»c = Ae" 1-99^20^ = A 1,21 10-9. Ez azt jelenti, hogy 10,7 C-on 162-szer, 20,7 C-on 79-szer lassabban öregszik a vizsgált ta, t 100 C-on. Aennyiben a habosított polietilén érszigeteléstől 20 év élettartaot kívánunk eg, akkor a száítás további enete a következő: 20 évben 1040 hét van (52 hét/év); az 1040 hétből 234 hét időtarta napsütéses 5 4 ^ 7g-1040l, aikor a kábel belsejének átlaghőérséklete 10 C-szal agasabb, t az átlagos környezeti hőérséklet, tehát 20,7 C; 20 év alatt 806 hétnek egfelelő ideig ncs napsütés, ekkor a légkábel hőérséklete egegyezik a környezeti átlagos hőérséklettel, ai 10,7 C; a terooxidáció különböző hőfokra száított sebességi állandóak figyelebe vételével 234 hét hőöregedes 20,7 C-on egfelel 3 hét 100 C-on végzett hőöregítésnek, íg a 806 hét 10,7 C-on 5 hétig tartó hőigénybevétellel egyenlő; ez összesén 8 hét 100 C-on lefolytatott esterséges öregítést jelent. Másképpen fogalazva: aennyiben a légkábelekben a habosított polietilén érszigetelésektől 20 év élettartaot várunk el, akkor a 100 C-on hőöregített próbatestek szakadási nyúlásának átlaga csak 8 hetes igénybevétel után csökkenhet le a kidulási átlagérték 50%-a alá. A légkábelek érszigetelése várható élettartaának becslésénél ezenkívül figyelebe kell venni az alábbi könnyítéseket": 100 C-on a hőöregedés a polietilén teljes térfogatában játszódik le, íg 90 G alatt a terooxidáció csak az anyag felületét érti, s ez lényegesen kisebb igénybevételt jelent [6]; a légkábel belsejének és a szárítószekrényben felfüggesztett próbatesteknek az oxigénellátása között különbséget tételezünk fel; arra gondolunk, hogy ivel a levegő-cirkuláció a kábelerek között gyakorlatilag nulla, ezért a beépített" érszigetelés oxidatív bolása valójában lassabban egy végbe, t a szárítószekrényben felfüggesztett táké; a leglényegesebb különbség a ateatikai összefüggésből száított várható élettarta és a terészetes igénybevételnek kitett kábel-érszigetelések valódi élettartaa között abból adódik, hogy a laboratóriuban végzett hőöregítés során a terooxidáció izoter légtérben játszódik le, üzei körülények között viszont a napi hőérséklet-gadozás 309
HÍRADÁSTECHNIKA XXIX. ÉVF. 10. SZ. hööregites időtartaa i \~ n[hét] H 572-PK5] ő. ábra. Habosított polietilén kábel-érszigetelés szakadási nyúlásának változása 100 G-on végzett hőöregítés hatására következtében szakaszos, részletekben történő hőközléssel kell száolnunk. Márpedig t tájékoztató érésekből kitűnt a polietilén a szakaszos hőigénybevételt tovább bírja, tha ugyanazzal a hőennyiséggel egyhuzaban terhelnénk. Összefoglalva: egállapítottuk, hogy a vizsgált próbatestek szakadási nyúlása ég 12 hét terooxidáció után se csökkent a kidulási érték 50%-a, azaz 230% alá. (A szakadási nyúlás hőöregítési idő összefüggést az 5. ábra szelélteti.) Laboratóriui vizsgálatak alapján kiondhatjuk tehát, hogy légkábelek ereek szigetelésére lehet habosított polietilént alkalazni. Az érszigetelések várható élettartaa terészetes igénybevételi viszonyok között több, t 20 év, s ha az előbbiekben felsorolt könnyítéseket" is figyelebe vesszük, úgy ég hosszabb felhasználási időtartara száíthatunk. IRDALM fl] Perényi Károly: Polietilén vizsgálatok (kutatási jelentések, ne publikált anyag). [2] Időjárás havijelentés" 1977. július és augusztus. rszágos Meteorológiai Intézet kiadványa. [3] Erdey-Grúz Tibor: A fizikai kéia alapjai. Műszaki Könyvkiadó, 1969. [4] Verdu: Coporteent des fils en polyéthyléne b. d. Plastiques odernes et élastoéres, 1973. ars., [5] Kliatizáció. Híradástechnikai tájékoztató közleények. HIKI. 1958. [6] Sztoljarov: IV spektroszkópiai ódszer alkalazása nagyolekulájú vegyületek oxidációs folyaataak tanulányozására. MKDK ford. 166940.