ساختمان کابل هاي برق

ساختمان کابل ها


امروزه در صنعت برق بخش عظیمی از توزیع انرژی الکتریکی ، بویژه در فشار ضعیف بوسیله کابلها انجام می‌گیرد. البته برای انتقال انرژی الکتریکی فشار متوسط و قوی نیز در برخی موراد از کابلهای مخصوص استفاده می‌شود. کاربرد کابلها در تاسیسات الکتریکی بسیار وسیع و دارای اهمت زیادی است. کارخانجات کابل سازی انواع بسیار زیادی از کابلها را برای مصارف عمومی و خصوصی تولید می‌کنند. همچنین صدها هزار نفر تخصص با مهارتهای مختلف در بخشهای گوناگون این صنعت مشغول بکار هستند. البته علاوه بر بخش تولید و فشار قوی نیاز به مهلت و رعایت اصول فنی دارد.

ساختمان کابلها

کابلها بر اساس نوع کاربردی که دارند بسیار متنوع هستند و به شکلهای گوناگون در بازار یافت می‌شود. ساختمان و اجزای تشکیل دهنده کابلهای مخابراتی کاملا با کابلهای مورد استفاده در صنعت برق فشار قوی و فشار ضعیف تفاوت دارند. اما بطور کلی کابلها همواره از دو قسمت اصلی هادی و عایق تشکیل شده‌اند. تفاوت کابلها ناشی از نوع کاربرد آنهاست. یعنی نوع کاربردشان موجب می‌شود که جنس ، شکل ، تعداد ، سطح مقطع هادیها و عایقها با یکدیگر تفاوت داشته باشند. این تفاوتها موجب تقسیم بندی کابلها می‌گردد.

هادیها

هادیها از سیم مسی تقریبا خالص و دارای انعطاف قابل قبول یا از آلومینیوم یا آلیاژهای مخصوص ساخته می‌شوند. سطح مقطع هادیها با توجه به مقدار جریان عبوری و نوع کاربرد در اندازهای گوناگون و شکلهای متفاوت درست می‌شود.

دایره‌ای شکل تک رشته با علامت اختصاری (re) و چند رشته با علامت اختصاری (rm).

مثلثی (سه گوش) شکل تک رشته با علامت اختصاری (se) و چند رشته با علامت اختصاری (sm).

عایقها

عایق سیمها و غلافی که روی کابل قرار می‌گیرد، معمولا از جنس پلاستیک PVC (پلی وینیل کلراید) است البته عایقهای دیگری همچون کاغذ و برخی ترکیبات شیمیایی در بعضی کابلهای مخصوص مورد استفاده قرار می‌گیرند. این عایقها بر اساس شرایط کاری و محیطی و نوع مصرفی که دارند. از استحکام مکانیکی و مشخصه الکتریکی لازم برخوردار باشند. برای جلوگیری از اشتباه و جهت تشخیص سیمهای کابل از یکدیگر ، عایق سیمهای هادی را در رنگهای مختلف انتخاب می‌کنند.

غلاف کابلها

برای محافظت کابلها در برابر عوامل محیطی و ضربات مکانیکی آنها را بوسیله یک یا چند لایه (غلاف) از جنس (مس ، سرب ، فولاد) ، کاغذ پلاستیکی بویژه PVC می‌پوشانند. کابلها با توجه به لایه‌های خارجی آنها به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند.

جریان مجاز قابل تحمل

جریان مجاز عبوری از سیمها و کابلها به گونه‌ای تعیین می‌شود که در هر نقطه از کابل ، حرارت تولید شده در هادیهای آن به خوبی به محیط اطراف منتقل می‌شود؛ بطوری که درجه حرارت عایق در سطح هادی سیمها و کابلهای PVC از 70 درجه سانتیگراد تجاوز نکند. جریان عبوری داده شده برای کابلهای برق وقتی در داخل خاک قرار می‌گیرد، بر مبنای قرار گرفتن کابل بر روی بستری از ماسه نرم است که پس از خاک ریزی به روی کانال سطح آن آجر فرش شود.

به علاوه ، کابل در مسیر خود می‌تواند داخل تعداد محدودی لوله فولادی که هیچ یک از آنها بیش از 6 متر نباشد، عبور کند. جریان مجاز کابلهایی که در هوای آزاد قرار دارند. بر اساس ضریب بار 1 و در هوای با درجه حرارت 30 درجه سانتیگراد است. جریان مجاز کابل هنگامی که کاملا در داخل آب قرار گرفته باشد 15/1 برابر جریان در کابل قرار گرفته در خاک است. اما باید توجه داشت که وقتی قسمتی از کابل در خاک یا هوای آزاد باشد. این قسمتها تعیین کننده جریان عبوری از کابل هستند.

افت ولتاژ در کابل

در شبکه‌های پخش انرژی الکتریکی اندازه سطح کابل تنها بر اساس جریان مجاز عبوری از آن انتخاب نمی‌شود بلکه طول کابل که متناسب با افت ولتاژ است نیز عامل تعیین کننده‌ای به شمار می‌آید.

شرایط نصب و قرار دادن کابلهای برق

کابلهای با عایق و غلاف پلاستیکی را نباید هیچگاه در درجه حرارت زیر 5- درجه سانتیگراد نصب و کابل کشی کرد. در صورت اجبار ، قرقره ، کابل باید چند روز قبل از نصب در محیط گرمی حدود 20 درجه سانتیگراد انبار شود. در هنگام کابل کشی شعاع خمش کابلهای پلاستیکی نباید از 15 برابر قطر خارجی کابل کوچکتر باشد. اما در انتهای کابل می‌توان شعاع خمش در موارد خاص با رعایت اصول فنی تا نصف مقدار فوق کاهش داد.

هنگامی که کشیدن کابل توسط دستگاه انجام می‌گیرد باید مواظب بود که نیروی کششی وارده به کابل از مقادیر مجاز نشود، در خاک دفن شود باید گودالی به عمق 70 سانتیمتر حفر کرد و کابل را در این گودال در خاک نرم (الک شده) به ارتفاع 20 سانتیمتر قرار داد. روی آن را آجر (و بر روی آجر) خاک معمولی ریخت. این عمل سبب می‌شود که از فشار طبقات خاک بر روی کابل و تغییر شکل آن جلوگیری به عمل آید و همچنین در موقع کندن زمین با بیل و کلنگ صدمه‌ای به کابل وارد نیاید

سيم ها و كابل ها در صنعت برق
در ارزش حياتي انرژي الكتريكي ،‌مي گويند كه خون رگهاي جهان صنعت مي باشد. و اين توصيف خود نقش سازنده توليد و انتقال و توزيع نيروي برق را بيان مي كند .
ظاهراً تصور مي شود كه هزينه عمده استفاده از اين انرژي ،‌فقط مربوط به توليد است ، در حاليكه مراكز نيرو با همه تاسيسات و تجهيزات خود كه بمنزله قلب سيستم است حدود30 تا 35 درصد از هزينه را بخود اختصاص مي دهد و 65 تا 70 درصد كل هزينه تاسيسات مربوط به سيستم برق رساني است .
مراحل برق رساني نيز شامل موارد زير است :
- انتقال انرژي از نيروگاه ها به فواصل طولاني كه با فشار قوي انجام مي گيرد .
- بخش انرژي كه با ولتاژهاي متوسط از يك خط انتقال فشار قوي صورت مي گيرد تا انرژي مراكز عمده مصرف يك ناحيه را تامين كند .
تكنولوژي كابل ها
- توزيع انرژي برق كه با ولتاژهاي معمولي از مراكز پست هاي فرعي هر ناحيه انجام مي گيرد و برق مصرف خانگي يا صنعتي و كشاورزي را مي رساند .
در تمام موارد فوق نيز ،‌هزينه عمده برق رساني را قيمت سيم هاي هادي انرژي در بر مي گيرد و براي اينكه در هر موقع از شب و روز بتوان از جريان برق بمنزله يك منبع مطمئن انرژي استفاده شود تا روشنائي و گرما و نيروي محركه صنايع تامين گردد ،‌لازم است در هر مرحله اي از برق رساني از هادي هاي مناسب استفاده شود كه شبكه مشخصات زير را داشته باشد :
الف – اطمينان كار
ب – امكان رفع فوري نواقص
ج- تامين حداقل شرايط قابل قبول با كمترين هزينه . حال براي شناخت از تكنولوژي سيم ها و كابل هاي مورد مصرف در صنايع الكتريكي و كيفيت انتخاب و كاربرد آن ها مباحثي باين شرح بررسي مي شود :
فلزات هادي – عايق هاي الكتريكي – انواع سيم ها – ساختمان و كار گذاشتن كابل ها
قبل از آغاز بحث ،‌برخي از تعاريف فيزيكي و مشخصات مواد بطور ساده يادآوري مي شود و همچنين جداول و علائم و مقررات استاندارد در هر زمينه نيز درج شده است .
يادآوري تعاريف فيزيكي از مشخصات مواد
ساختمان مواد
موادي كه به طريق شيميايي به مواد ساده تري تجزيه نشوند و از اتم هاي نظير تشكيل يافته باشند مواد اصلي يا عناصر نام دارند .
مجموعا 102 عنصر شناخته شده اند كه از آن ها 13 عنصر را بطور مصنوعي مي توان بدست آورد .
اتم – كوچكترين جز يك عنصر شيميايي كه قابل تجزيه شدن به اجزاء كوچكتر نباشد ، اتم از هسته و الكترون هائي تشكيل يافته است كه بدور هسته مي چرخند .
ملكول –كوچكترين جز يك جسم است كه با وسائل مكانيكي قابل تقسيم شدن با جزاء كوچكتر نمي باشد و از اتم هاي نظير يا غير نظير تشكيل يافته است كه بطريق شيميايي مي توان آنها را جدا كرد .
حالات مواد
مواد اصلي شيميايي (عناصر ) به فلزات و غير فلزات تقسيم بندي مي شوند . فلزات در درجه حرارت معمولي باستثناي جيوه ،‌همگي جامدند و غير فلزات (شبه فلزات) همگي جامد يا گازي هستند
(بجز برم كه مايع است) فلزات به آهني و غير آهني و همچنين فلزات سبك و سنگين تقسيم مي شوند .
جرم مخصوص – نسبت جرم M برحجم V را جرم مخصوص مي گويند :
مقاومت مخصوص : مقاومت الكتريكي سيمي بطور يك متر و مقطع يك ميليمتر مربع را مقاومت مخصوص آن سيم مي گويند كه ممكن است در درجات مختلفي داده شود و علامت اختصاري آن است .
براي مايعات از واحد اهم سانتيمتر مربع بر سانتيمتر يا اهم سانتيمتر استفاده مي شود .
براي عايق ها نيز اهم سانتيمتر يا مگااهم سانتيمتر بكار مي رود . قابليت هدايت X- مقدار عكس مقاومت مخصوص را قابليت هدايت مي گويند :


ضريب حرارت : ضريب حرارت نشان مي دهد كه مقاومت هر اهم از جسمي در مقابل بالا رفتن درجه حرارت باندازه يك سانتي گراد چقدر تغيير ميكند (اضافه مي شود يا كم مي شود)
مقاومت رويه – عبارت است از مقاومت در سطح عايق بين دو الكترود (دو قطعه فلزي در فاصله 10 ميلي متر و با ولتاژ 100 ولت و يا ولتاژ آزمايش 1000 ولت ) .
استحكام الكتريكي : مقدار مؤثر ولتاژ متناوبي كه بين دو الكترود واقع در نمونه آزمايش موجود بوده و باعث جرقه زدن مي شود .
استحكام الكتريكي : برابر نسبت ولتاژ آزمايش به ضخامت نمونه تحت آزمايش مي باشد.
انبساط طولي (انبساط خطي ) – عبارت است از افزايش طولي برحسب ميكرومتر كه يك ميله بطول يك متر در اثر بالا رفتن درجه حرارت باندازه يك درجه سانتيگراد پيدا مي كند . مقدار تغييرات طولي به نسبت درجات حرارت بيك نسبت نيست .
خواص و كا ربرد فلزات غير آهني
مس) Cu ) فلز چكش خوار و قابل خم شدن است و كاركرد در روي آن آسان است . در مقابل حرارت دوام زياد دارد و در مقابل اسيدها و بازها مقاوم است . در برابر تشكيل نمك (بجز نوشا در آمونياك و گوگرد) نيز دوام دارد . قابليت لحيم كاري ،‌اتصالات مطمئن ، در كليدها و بست هاي برقي را دارد . قابليت جوش دادن و ريختن آن خوب نيست . نسبت به درجه خلوص مس در محصولات غلطكي ، پرسي و بويژه ها قابليت هدايت الكتريكي آن خوب و قابل استفاده مي باشد.
آلومينيوم (Ae ) قابليت كوره كاري و چكش خواري دارد ،‌جوش دادن و قابل ريخته شدن آن ميسر و در برابر زنگ زدگي مقاوم است .
در برابر اسيدها و بازها ، غير مقاوم بوده و با بست هاي پيچي نامطمئن است . هادي الكتريكي خوبي بوده و براي تهيه ورق هاي بسيار نازك ،‌لوله ها ،‌ميله ها و شاسي راديو ،‌حفاظت در مقابل نقوذ امواج و همچنين براي روتورهاي قفسي در الكتروموتورها مناسب است .
سرب (PB ) قابل پرسكاري و چكش خواري و غلطك زدن و لحيم كاري است .
در مقابل اسيد مقاوم بوده وفلز بسيار نرمي است . اتصال هاي سربي مثل اتصالات مسي، سمي است ودر صفحه هاي باطري و پوشش سربي كابل ها ،‌لوله ها ،‌واشرها ،‌سرنج ،‌سفيدآب سرب و دستگاههاي شيميائي بكار مي رود.
قلع (sn ) قابليت ذوب شدن و خم كردن و غلطك زدن دارد و چكش خوار است . براي لحيم كاري بسيار با اهميت است . براي قلع اندود كردن سيم ها و ورق ها بكار مي رود .
روي (zn) بخوبي قابليت ريختن دارد و درحرارت 100 تا 150 درجه سانتيگراد چكش خوار است ،‌قابل غلطك زدن ،‌كشيدن و مقاوم در برابر زنگ زدگي بوده ولي در برابر اسيدهاو بازها دوام ندارد . براي الكترود پيل ها ،‌پوشش ها و بعنوان تهيه آلياژ برنج ، مفرغ قابل استفاده است .
نيكل خام ( Ni ) قابليت كش آمدن ،‌غلطك زدن ،‌چكش خواري و جوش دادن دارد . خاصيت مغناطيسي و قابليت صيقلي كردن در درجه گرماي معمولي ،‌مقاوم در برابر زنگ زدگي و بالا بردن خاصيت قابليت نفوذ مغناطيسي دارد . در آكومولاتورها و آب نيكل دادن فلزات و تهيه آلياژهاي نيكلين و كنستانتان و ورق هاي بسيار نازك مورد استفاده قرار مي گيرد.
آلياژهاي مس – تركيبات مختلف از مس با ساير فلزات ،‌انواع آلياژ برنج را تشكيل مي دهد كه بخوبي قابل ريختن ،‌براده گيري ، لحيم كردن و قابليت هدايت بسيار خوب ،‌غير مغناطيسي و مقاوم در برابر آب سرد و گرم و بخار و حساسيت كم در برابر محلول هاي با آب و گاز مي باشد. اگر درصد مس آن زياد باشد در حالت سردي و با درصد كم مس و همچنين در حالت گرمي قابليت شكل دادن دارد .
آلياژهاي نيكل –نيكل داراي قوه رنگ دهي زياد است و آلياژ را سفيد رنگ مي كند . مقدار مقاومت الكتريكي را بالا برده و تغيير مقاومت را با درجه حرارت كم مي كند (براي مقاومت ثابت مثل كنستانتان مناسب است ) .
آلياژهاي منيزيم – اين آلياژها ،‌جرم مخصوص كم با نقطه ذوب پائين دارند و بخوبي قابل براده گيري با ضريب الاستيسيته خيلي كم و غير حساس در مقابل بارهاي ضربه اي مي باشند،‌قابل لحيم كاري نيستند ولي تحت شرايطي قابل جون دادن هستند ،‌فقط در حالت گرم قابل تغيير شكل دادن هستند ،‌چون براده هاي منيزيم بآساني قابل سوختن است در موقع براده گيري آن بايد احتياط شود.
فلزات هادي براي خط انتقال انرژي
سيم آلومينيومي
سيم هاي آلومينيومي داراي 5/99 درصد آلومينيوم و 5/0 درصد از فلزات ديگر مي باشد . مقاومت مخصوص آن در 20 درجه سانتي گراد 828/2 =P ميكرو اهم سانتيمتر است كه در حدود 6/1 برابر مقاومت مخصوص مس سخت مي باشد . در خطوط هوائي استفاده از آلومينيوم از نظر مقاومت مكانيكي جالب نيست و با انتخاب سيم آلومينيوم در خطوط هوائي ،‌ناچا را بايد فواصل پايه ها را كوتاه تر كرد و همين امر سبب افزايش تعداد پايه و در نتيجه بالا رفتن هزينه مي گردد . لذا آلومينيوم را همراه با فولاد بكار مي برند . در كابل هاي عايق عيب عمده استفاده از آلومينيوم در مقايسه با مس در اين است كه در مقاومت هاي مساوي قطركابل بزرگتر شده و حجم مواد عايق بيشتر مي شود .
سيم آلمليك Almelec يا آلدراي Aldrey
اين فلز آلياژي است كه 3/98 درصد آلومينيوم و مقدار كمي منيزيم و سيليسيم دارد كه پس از آب دادن و زدن و دوباره پختن درست شده است و هدايت ويژه آن 10 درصد از آلومينيوم خالص كمتر است يعني 10 درصد مقاومت مخصوص بيشتري دارد (15/36=P ميكرواهم سانتيمتر است ) . ولي اين آلياژ مقاومت مكانيكي درحد گسيختگي 67 درصد از آلومينيوم خالص بيشتر است يعني اگر مقاومت مكانيكي درحد گسيختگي براي آلومينيوم 16 تا 19 كيلو گرم بر ميليمتر مربع باشد براي اين آلياژ بيشتر از 33 كيلو .
گرم بر ميليمتر مربع مي باشد . اين فلز نسبت به (آلومينيوم فولاد ) دو عيب دارد ،‌يكي اينكه قابليت انبساط آن بيشتر است كه مجبور به انتخاب پايه هاي بلندتر مي شويم ،‌دوم اينكه سبكتر از (آلومينيوم – فولاد ) مي باشد لذا در مقابل باد ،‌انحراف بيشتري خواهد داشت .
سيم آلومينيوم – فولاد : اين كابل ها در وسط يك هسته از رشته هاي فولاد گالوانيزه و در بيرون آن رشته هاي آلومينيومي دارد . مقاومت مكانيكي آن بستگي به تعداد رشته هاي فولاد و آلومينيوم دارد . با نسبت هاي معمولي ،‌مقاومت مخصوص اين كابل ها درحدود 5/3 ميكرو اهم سانتيمتر يعني دو برابر مس و مقاومت مكانيكي آن 45 برابر مس مي باشد . كابل هائي نيز از آلمليك و فولاد وجود دارد كه در آن بجاي آلومينيوم ‌،آلياژ آلمليك بكار رفته است .
سيم مس – فولاد (كاپرولد copper weed )
اين هادي داراي مغز فولادي است كه از فلز مس پوشيده شده است .
مقاومت مكانيكي آن در حد گسيختگي 70 الي 100 كيلوگرم بر ميليمتر مربع مي باشد.
هدايت مخصوص آن يك چهارم هدايت مخصوص مس و نصف هدايت مخصوص (آلومينيوم –فولاد ) مي باشد .
اگر شدت جريان باندازه كافي ضعيف باشد انتخاب سطح مقطع از روي ملاحظات مكانيكي تعيين مي شود . مزاياي اين سيم نسبت به سيم مسي عبارت است از :
الف – وزن كمتري دارد .
ب- فواصل پايه هاي حامل را مي توان طولاني تر انتخاب كرد .
ج – قيمت هر كيلو گرم آن ارزانتر است .
لذا بيشتر بعنوان كابل زمين در خطوط فشار قوي و يا كابل هاي حمال بكار برده مي شود.
سيم فولادي – از فولاد اغلب بعنوان كابل زمين استفاده مي شود و دو نوع دارد يكي فولاد با مقاومت مكانيكي درحد گسيختگي 140 كيلوگرم بر ميليمتر مربع كه كربن كمتري دارد و ديگري فولاد با كربن بيشتر و مقاومت مكانيكي درحد گسيختگي 180 كيلو گرم بر ميليمتر مربع كه بهر حال در كابل هاي آلومينيوم – فولاد و
آلمليك – فولاد يا كابل هاي زميني ،‌از نوع دوم بطور متداول زياد مصرف مي شود .
سيم مس سخت – مس از نوع الكتروليتي با درجه خلوص 96/99 درصد هدايت خوب دارد كه خيلي خالص ولي
(‍ زده شده ) با مقاومت مخصوص 76/1 يعني 98 درصد هدايت مس (دوباره پخته ) را دارد .
سيم مس نيمه سخت – در شبكه هاي فشار ضعيف از نوعي مس نيمه سخت استفاده مي شود كه مقاومت مكانيكي آن درحد گسيختگي 32 كيلو گرم بر ميليمتر مربع مي باشد و فاصله بين پايه ها از 50 متر تجاوز نمي كند .
سيم برنز تلفونيك – اين سيم مقاومت مكانيكي بيشتر از سيم مسي دارد ولي هدايت الكتريكي آن ضعيف تر است . برنز آلياژي از مس و قلع است و هدايت الكتريكي آن 72 درصد هدايت مس و مقاومت مكانيكي آن متغير و تا 75 كيلو گرم بر ميليمتر مربع مي رسد .
نتيجه – سيم هاي مس و آلومينيوم – فولاد و آلمليك بيشتر لخت و در خطوط هوائي بكار مي روند ولي مس و آلومينيوم براي سيم هاي عايق (كابل ) بكار برده مي شوند .
مقايسه مشخصات فلزات و آلياژها
الف – مشخصات الكتريكي : در مقاومت الكتريكي مساوي ،‌سيم آلومينيوم و آلمليك و آلومينيوم فولاد خيلي جالب تر از مس يا برنز هستند چون :
هر 100 كيلوگرم آلومينيوم جانشين 5/199 كيلوگرم مس مي شود .
هر 100 كيلوگرم آلمليك جانشين 181 كيلوگرم مس مي شود .
هر 100 كيلوگرم آلومينيوم – فولاد جانشين 139 كيلو گرم مس مي شود .
چون قيمت هر كيلوگرم كابل (با مقاومت اهمي مساوي در هر كيلومتر ) براي مس بيشتر از آلومينويم و آلمليك مي باشد لذا از نظر اقتصادي بكار بردن آلومينيوم و بويژه آلمليك و آلومينيوم فولاد مقرون بصرفه مي باشد .