توضیح کابل های برق: انواع کابل کشی برق و عایق سیم

چه هستند کابل های برق ?

کابل های برق، هادی های الکتریکی عایق بندی شده ای هستند که برای انتقال انرژی الکتریکی از یک منبع به یک بار طراحی شده اند – چه آن بار یک ساختمان، یک ماشین، یک قطعه زیرساخت یا یک دستگاه مصرف کننده باشد. هر کابل برق دو عملکرد را به طور همزمان انجام می دهد: انتقال جریان با حداقل تلفات مقاومتی، و مهار جریان ایمن در یک ساختار عایق شده و محافظت شده که از تماس با افراد، تجهیزات یا محیط جلوگیری می کند.

در ابتدایی ترین سطح، یک کابل برق شامل یک هادی و یک لایه عایق . در عمل، بیشتر کابل‌های مورد استفاده در کاربردهای صنعتی، تجاری و زیرساختی بسیار پیچیده‌تر هستند - شامل چندین هادی، صفحه‌های نیمه‌رسانا، سپرهای فلزی، لایه‌های زره‌دار و غلاف‌های بیرونی، که هر کدام یک هدف مکانیکی یا الکتریکی مشخص را انجام می‌دهند. ساخت کابل بر اساس ولتاژی که باید حمل کند، جریانی که باید تحمل کند، محیط نصبی که در آن کار می کند و تنش های مکانیکی که در طول عمر کاری با آن مواجه می شود تعیین می شود.

کابل های برق بر اساس رتبه بندی ولتاژ به سه دسته کلی طبقه بندی می شوند: ولتاژ پایین (LV) کابل های تا 1 کیلو ولت، مورد استفاده برای سیم کشی ساختمان، اتصالات لوازم خانگی و توزیع صنعتی سبک؛ ولتاژ متوسط (MV) کابل های دارای ولتاژ 1 کیلوولت تا 36 کیلو ولت که برای توزیع برق صنعتی و فیدرهای برق استفاده می شود. و ولتاژ بالا (HV) کابل هایی با توان بالای 36 کیلو ولت که در شبکه های انتقال و زیرساخت های برق در مقیاس بزرگ استفاده می شود. هر کلاس ولتاژ دارای استانداردهای اندازه هادی، الزامات ضخامت عایق و کدهای نصب است که بر طراحی و استفاده آن حاکم است.

مواد رسانا نیز تقریباً جهانی هستند مس یا آلومینیوم . مس رسانایی برتر (تقریباً 58 MS/m در مقابل 35 MS/m آلومینیوم)، استحکام کششی بالاتر و مقاومت بهتر در برابر خوردگی در نقاط اتصال را ارائه می‌دهد، که آن را به هادی ترجیحی برای اکثر برنامه‌های سیم‌کشی ثابت و کابل‌های انعطاف‌پذیر تبدیل می‌کند. آلومینیوم به طور قابل توجهی سبک تر و هزینه کمتری در هر واحد رسانایی دارد، به همین دلیل است که بر خطوط انتقال هوایی و کابل های توزیع زیرزمینی با بخش بزرگ که در آن وزن و هزینه مواد ملاحظات اولیه است، غالب است.

انواع کابل کشی برق

کابل کشی برق یک دسته محصول واحد نیست بلکه یک خانواده وسیع از ساختارها است که هر کدام برای ترکیب خاصی از کلاس ولتاژ، روش نصب، قرار گرفتن در معرض محیطی و تقاضای مکانیکی بهینه شده اند. مهمترین انواع کابل در توزیع برق و سیم کشی ساختمان در زیر توضیح داده شده است.

کابل های PVC یا XLPE غیر زره پوش (NYY / N2XY)

کابل های ولتاژ ضعیف غیر زره پوش با عایق PVC یا XLPE و غلاف بیرونی PVC پرکاربردترین نوع کابل در خدمات ساختمانی، سیم کشی های صنعتی سبک و کاربردهای دفن مستقیم در مجرا هستند. نامگذاری NYY (عایق PVC، روکش PVC) و نام N2XY (عایق XLPE، غلاف PVC) از قراردادهای نامگذاری IEC استفاده می شود که در سراسر اروپا و بیشتر بازارهای بین المللی استفاده می شود. این کابل ها در پیکربندی های تک هسته ای و چند هسته ای با سطح مقطع هادی از 1.5 میلی متر مربع تا 300 میلی متر مربع یا بیشتر در دسترس هستند. انواع عایق‌شده با XLPE دارای درجه‌بندی جریان بالاتری نسبت به معادل‌های PVC در همان اندازه هادی هستند با توجه به عملکرد حرارتی برتر عایق پلی اتیلن متقاطع.

کابل های زره پوش (SWA و AWA)

کابل‌های زره‌دار لایه‌ای از محافظ مکانیکی بین عایق و غلاف بیرونی دارند. سیم فولادی زره پوش (SWA) کابل‌ها از لایه‌ای از سیم‌های فولادی گالوانیزه استفاده می‌کنند که به‌صورت مارپیچی در اطراف مجموعه هسته عایق‌شده پیچ می‌شوند و در برابر خرد شدن، حمله جوندگان و ضربه‌های تصادفی مقاومت می‌کنند. SWA انتخاب استاندارد برای دفن مستقیم بدون مجرا، توزیع زیرزمینی، و اجراهای روی سطح در محیط‌های صنعتی در معرض آسیب مکانیکی است. سیم زره آلومینیومی (AWA) کابل‌ها از سیم‌های آلومینیومی به جای فولاد استفاده می‌کنند، وزن را کاهش می‌دهند و خطر خوردگی گالوانیکی را در کابل‌های رسانای آلومینیومی از بین می‌برند - و این باعث می‌شود آنها برای کابل‌های تک هسته‌ای زیرزمینی که زره‌های فولادی تلفات جریان گردابی غیرقابل قبولی در سیستم‌های AC ایجاد می‌کنند، ترجیح داده شوند.

کابل های عایق معدنی (کابل MICC / MI)

کابل های عایق معدنی از پودر اکسید منیزیم فشرده (MgO) به عنوان ماده عایق استفاده می کنند که بین هادی های مسی و غلاف بیرونی مسی یا فولادی ضد زنگ بدون درز بسته بندی شده است. نتیجه یک کابل با مقاومت استثنایی در برابر آتش - MgO غیر قابل احتراق است و غلاف فلزی در هیچ شرایط آتش سوزی نمی سوزد یا بخارات سمی منتشر نمی کند. کابل‌های MI یکپارچگی مدار را در دمای بیش از 1000 درجه سانتی‌گراد حفظ می‌کنند و برای مدارهای اعلام حریق، روشنایی اضطراری، سیستم‌های استخراج دود و سایر سیم‌کشی‌های ایمنی در بسیاری از قوانین ساختمانی الزامی هستند. محدودیت‌های آن‌ها هزینه بالاتر، انعطاف‌پذیری محدود و حساسیت به نفوذ رطوبت در انتهای بریده‌شده است که نیاز به پایانه‌های مهر و موم شده دارد.

کابل های انعطاف پذیر و دنباله دار

کابل‌های انعطاف‌پذیر از هادی‌های ریز رشته‌ای استفاده می‌کنند - که از ده‌ها تا صدها سیم نازک منفرد به هم تابیده شده‌اند - برای دستیابی به شعاع خمش و استقامت چرخه انعطاف‌پذیر مورد نیاز برای اتصالات متحرک: سیم‌های دستگاه، ابزارهای قابل حمل، سیم‌های کششی، و سیم‌های عقب ماشین. کلاس رشته‌بندی انعطاف‌پذیری را تعیین می‌کند: هادی‌های کلاس 5 (رشته‌های ریز) و کلاس 6 (رشته‌های فوق‌العاده ریز) بر اساس IEC 60228 برای کاربردهایی که اغلب خم می‌شوند استفاده می‌شوند، در حالی که کلاس 2 (رشته‌ای) برای سیم‌کشی ثابت استاندارد است. عایق ها و روکش های کابل انعطاف پذیر برای مقاومت در برابر سایش، روغن و خمش مکرر به جای بهینه سازی صرفاً برای عملکرد حرارتی فرموله شده اند.

کابل های ولتاژ متوسط و بالا XLPE

بالای 1 کیلو ولت، ساخت کابل به طور قابل توجهی پیچیده تر می شود. کابل های MV و HV نیاز دارند هادی screens and insulation screens - لایه های نازکی از مواد نیمه هادی که مستقیماً روی هادی و روی سطح بیرونی عایق اعمال می شود - برای صاف کردن غلظت میدان الکتریکی در سطح هادی و در سطح مشترک عایق-غلاف. بدون این صفحه‌ها، هندسه غیریکنواخت رساناهای رشته‌ای تشدید میدان موضعی کافی برای ایجاد تخریب عایق در طول زمان ایجاد می‌کند. XLPE ماده عایق غالب برای کابل های MV و HV در سراسر جهان است که به دلیل مقاومت در برابر رطوبت، وزن سبک تر و توانایی کارکرد در دمای رسانای بالاتر (90 درجه سانتیگراد مداوم در مقابل 70 درجه سانتیگراد برای PVC) در 30 سال گذشته تا حد زیادی کابل های عایق شده با روغن کاغذی (PILC) را جابجا کرده است.

کابل های داده و سیگنال با هادی های برق (کابل های هیبریدی)

کابل های هیبریدی هادی های برق و سیگنال ها یا هادی های داده را در یک غلاف واحد ترکیب می کنند و پیچیدگی نصب را در برنامه هایی کاهش می دهند که هم برق و هم ارتباطات باید به یک نقطه پایانی برسند - ماشین آلات صنعتی، سیستم های دوربین مدار بسته، اتوماسیون ساختمان و نظارت بر انرژی های تجدیدپذیر. المان های برق و سیگنال به صورت فیزیکی از هم جدا می شوند و اغلب به صورت جداگانه در داخل کابل غربال می شوند تا از تداخل الکترومغناطیسی از هادی های برق که مدارهای سیگنال را خراب می کنند جلوگیری شود.

انواع عایق سیم

عایق سیم لایه مادی اطراف هادی است که از خروج جریان از مسیر مورد نظر جلوگیری می کند. عایق باید در مقابل تنش الکتریکی ولتاژ کارکرد، تنش حرارتی دمای هادی تحت بار و هرگونه تنش مکانیکی یا شیمیایی که توسط محیط نصب وارد می شود مقاومت کند. انتخاب ماده عایق یکی از مهم‌ترین تصمیمات در مشخصات کابل است - درجه حرارت کارکرد، ظرفیت حمل جریان، مقاومت شیمیایی، رفتار آتش‌سوزی و عمر مفید را تعیین می‌کند.

پی وی سی (پلی وینیل کلراید)

پی وی سی پرکاربردترین مواد عایق و پوشش کابل در سطح جهان است که بیشترین حجم تولید کابل های ولتاژ پایین را به خود اختصاص می دهد. برتری آن از ترکیب مطلوب خواص با هزینه کم ناشی می شود: استحکام دی الکتریک کافی، مقاومت خوب در برابر رطوبت و بسیاری از مواد شیمیایی، چقرمگی مکانیکی مناسب، و سهولت پردازش در تجهیزات اکستروژن استاندارد. عایق پی وی سی استاندارد برای دمای هادی پیوسته درجه بندی می شود 70 درجه سانتی گراد ، با فرمولاسیون های تخصصی موجود برای کاربردهای 90 درجه سانتی گراد و 105 درجه سانتی گراد.

محدودیت اولیه PVC رفتار آن در برابر آتش است. احتراق PVC گاز کلرید هیدروژن و سایر ترکیبات سمی هالوژنه را آزاد می کند و کابل های PVC در شرایط آتش سوزی دود سیاه متراکمی تولید می کنند. به همین دلیل است که استفاده از PVC به طور فزاینده ای در ساختمان هایی با اشغال بالا، فضاهای محدود، تونل ها و زیرساخت های حمل و نقل عمومی محدود یا ممنوع می شود - به ویژه در اروپا، جایی که الزامات هالوژن بدون دود کم (LSZH) PVC را در بسیاری از رده های مشخصات جایگزین کرده است.

XLPE (پلی اتیلن متقاطع)

XLPE با اتصال عرضی زنجیره های پلیمری پلی اتیلن، تبدیل یک ماده ترموپلاستیک به ترموست تولید می شود. اتصال متقاطع یک شبکه پلیمری سه بعدی ایجاد می کند که در دماهای بالا ذوب نمی شود یا جریان نمی یابد - برخلاف پلی اتیلن استاندارد یا PVC که با افزایش دما به تدریج نرم می شوند. نتیجه یک ماده عایق است که برای دمای هادی پیوسته درجه بندی شده است 90 درجه سانتی گراد (کابل‌های برق) و دمای اتصال کوتاه تا 250 درجه سانتی‌گراد، در مقایسه با محدودیت‌های اتصال کوتاه 70 درجه سانتی‌گراد و 160 درجه سانتی‌گراد PVC.

درجه حرارت بالاتر XLPE به طور مستقیم ظرفیت حمل جریان کابل را در اندازه هادی معین افزایش می دهد - یک کابل 95 میلی متر مربعی با عایق XLPE تقریباً 15 تا 20٪ جریان بیشتری نسبت به همان اندازه هادی با عایق PVC در شرایط نصب معادل دارد. XLPE همچنین خواص دی الکتریک عالی را ارائه می دهد و آن را به عایق انتخابی برای همه کابل های فشار متوسط ​​و فشار قوی تبدیل می کند. محدودیت‌های آن شامل هزینه مواد و پردازش بالاتر در مقایسه با PVC است، و این واقعیت که اتصال متقابل برگشت‌ناپذیر است - قطع و ضایعات کابل XLPE را نمی‌توان با ذوب مجدد بازیافت کرد.

LSZH / LS0H (هالوژن کم دود صفر)

ترکیبات عایق و پوشش LSZH از پلیمرهای ترموپلاستیک یا ترموست بدون هالوژن - معمولاً بر اساس ترکیبات پلی الفین پر شده با تری هیدرات آلومینیوم (ATH) یا هیدروکسید منیزیم به عنوان بازدارنده شعله، فرموله می شوند. هنگامی که مواد LSZH در معرض آتش قرار می گیرند، حداقل دود را آزاد می کنند و هیچ گاز اسید هالوژنیک تولید نمی کنند. این به طور چشمگیری شرایط بقا و تخلیه را در فضاهای بسته بهبود می بخشد: هیدروژن کلرید حاصل از سوزاندن کابل های پی وی سی یکی از دلایل اصلی ناتوانی در آتش سوزی ساختمان است ، مستقل از خود حرارت و شعله.

کابل‌های LSZH در تونل‌ها، فرودگاه‌ها، ایستگاه‌های راه‌آهن، مراکز داده، کشتی‌های نیروی دریایی و ساختمان‌های با اشغال بالا در بیشتر بازارهای توسعه‌یافته الزامی هستند. مبادله در مقابل PVC هزینه بالاتر و در برخی فرمولاسیون ها کاهش انعطاف پذیری در دماهای پایین است - مربوط به تاسیسات در آب و هوای سرد یا محیط های یخچالی.

EPR (لاستیک اتیلن پروپیلن)

EPR یک ماده عایق لاستیکی مصنوعی است که انعطاف پذیری عالی را در محدوده دمایی وسیع (معمولاً -40 درجه سانتیگراد تا 90 درجه سانتیگراد مداوم)، مقاومت فوق العاده در برابر ازن، اشعه ماوراء بنفش، و هوازدگی و خواص دی الکتریک خوب ارائه می دهد. کابل‌های EPR در شرایط سرد که PVC و XLPE به طور قابل‌توجهی سفت می‌شوند، انعطاف‌پذیری را حفظ می‌کنند، و EPR را به عایق ترجیحی برای کابل‌های معدن، کاربردهای دریایی و دریایی، کابل‌های جوشکاری و هر گونه نصبی که نیاز به خمش مکرر در محیط‌های بیرونی یا خشن دارد تبدیل می‌کند. EPR همچنین به عنوان عایق در کابل های ولتاژ متوسط ​​استفاده می شود که انعطاف پذیری آن نصب را در مسیرهای پر ازدحام کابل ساده می کند.

لاستیک سیلیکونی

عایق لاستیکی سیلیکونی معمولاً در محدوده دمایی استثنایی عمل می کند 60- تا 180 درجه سانتی گراد به طور مداوم، با برخی از درجه ها تا 200 درجه سانتیگراد یا بالاتر. در دماهای برودتی که بیشتر مواد عایق دیگر شکننده می‌شوند، انعطاف‌پذیر می‌ماند و خواص الکتریکی خود را در دمایی که PVC یا EPR را تخریب می‌کند، حفظ می‌کند. کابل های عایق سیلیکون در سیم کشی کوره ها، عناصر گرمایشی، کاربردهای هوافضا و دفاعی و تجهیزات صنعتی با دمای بالا استفاده می شود. سیلیکون در مقایسه با مواد عایق سخت تر، استحکام مکانیکی نسبتاً کمی دارد و برای جلوگیری از ساییدگی سطح نیاز به حمل و نقل دقیق دارد، اما در کاربردهای با دمای بالا اغلب تنها گزینه عایق قابل دوام است.

PTFE (پلی تترا فلوئورواتیلن)

PTFE بالاترین مقاومت شیمیایی را نسبت به هر ماده عایق سیم معمولی ارائه می دهد - اساساً در برابر تمام اسیدها، بازها و حلال ها در دماهای تا 260 درجه سانتی گراد بی اثر است. سیم‌های عایق‌شده با PTFE در ابزارآلات آزمایشگاهی، تجهیزات پردازش شیمیایی، سیم‌کشی هوافضا و هر برنامه‌ای که قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی تهاجمی یا دماهای شدید می‌تواند سایر مواد عایق را از بین ببرد، استفاده می‌شود. PTFE گران است و پردازش آن دشوار است، که استفاده از آن را به برنامه های تخصصی محدود می کند، جایی که ترکیب ویژگی منحصر به فرد آن نمی تواند با جایگزین های کم هزینه تکرار شود.

اکسید منیزیم (عایق معدنی)

همانطور که در بخش انواع کابل در بالا توضیح داده شد، پودر MgO فشرده به عنوان عایق در کابل های عایق معدنی عمل می کند. این تنها عایق کابل واقعاً غیر قابل احتراق است که در استفاده متداول است - نمی سوزد، گاز منتشر نمی کند و در شرایط آتش سوزی که هر نوع عایق دیگری را از بین می برد، تخریب نمی شود. کاربرد آن در هر جایی که یکپارچگی مدار در شرایط آتش سوزی یک نیاز ایمنی باشد، تخصصی است اما حیاتی است.

چگونه محیط نصب، انتخاب کابل و عایق را تعیین می کند

هیچ نوع کابل یا ماده عایق به طور کلی بهینه نیست - مشخصات صحیح همیشه با ترکیبی از الزامات الکتریکی و محیط فیزیکی که کابل باید در طول عمر خود زنده بماند تعیین می شود.

• دفن مستقیم بدون مجرا نیاز به کابل‌های زره‌دار (SWA یا AWA) با غلاف‌های بیرونی محکم و مقاوم در برابر رطوبت زمین، مواد شیمیایی خاک و گاه اختلالات مکانیکی دارد. عایق XLPE به دلیل مقاومت در برابر رطوبت و ظرفیت جریان بالاتر نسبت به PVC ترجیح داده می شود.
• ساختمان های محصور و فضاهای عمومی به طور فزاینده‌ای به کابل‌های LSZH تحت مقررات ایمنی آتش‌سوزی، به‌ویژه در مسیرهای فرار، اتاق‌های کارخانه و نواحی بالای سقف‌های کاذب که کابل‌ها به مقدار زیاد کار می‌کنند، نیاز دارند.
• اجراهای اکسپوز در فضای باز غلاف های تثبیت شده در برابر اشعه ماوراء بنفش (پلی اتیلن سیاه یا PVC مقاوم در برابر اشعه ماوراء بنفش) و برای کابل هایی که در معرض خطر آسیب مکانیکی قرار دارند، زره پوش یا حفاظت مجرای نیاز دارید.
• محیط های با دمای بالا - در نزدیکی کوره‌ها، موتورها یا سیستم‌های اگزوز - به کابل‌هایی نیاز دارند که برای دمای محیط به علاوه افزایش دمای هادی تحت بار تعیین شده باشند. عایق سیلیکون یا EPR معمولاً در جایی که دمای محیط بیش از 70 درجه سانتیگراد است مشخص می شود.
• قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی - در کارخانه‌های دارویی، پتروشیمی یا فرآوری مواد غذایی - ممکن است به عایق PTFE یا غلاف‌های مرکب مخصوص مقاوم در برابر مواد شیمیایی خاص موجود نیاز داشته باشند، زیرا PVC یا XLPE استاندارد می‌توانند در مواجهه با حلال‌ها و روغن‌های خاص متورم شوند، ترک بخورند یا یکپارچگی دی الکتریک را از دست بدهند.

درک این روابط بین محیط نصب، ساخت کابل و مواد عایق، پایه و اساس مشخصات صحیح کابل است. انتخاب کابلی که برای محیط نامناسب رتبه بندی شده است، یکی از شایع ترین دلایل خرابی زودرس کابل است — و در کاربردهای توزیع برق، خرابی کابل به معنی توقف برنامه ریزی نشده، تعویض پرهزینه در مسیرهای غیرقابل دسترس و حوادث احتمالی ایمنی است.