اجزا تشکیل دهنده کابل

حال و پس از مقدمه فوق، به زیر لایه های سازنده کابل های قدرت که محور اصلی مطلب امروز ما می باشد، می پردازیم. به طور کلی بخش های یک کابل قدرت و سایر انواع کابل های کنترلی و ابزار دقیقی به صورت زیر دسته بندی می شوند : ( از داخلی ترین سطح به نام هادی تا خارجی ترین سطح یعنی ژاکت کابل )

هادی / Conductor
اسکرین هادی / Conductor Screen
عایق / Insulation
اسکرین عایق / Insulation Screen
پرکننده یا فیلر / Filler
نوار نیمه‌هادی کاغذی
شیت هادی یا شیلد (غلاف یا سپر رسانا) / Conductor Sheath or Shield
لایه زیرین یا غلاف داخلی / Bedding or Inner Sheath
آرمور یا زره / Armour
شیت (غلاف) بیرونی یا ژاکت / Inner Sheath or Jacket

در ادامه هریک از موارد گفته شده در ساختار کابل ( لایه های کابل ) به تفکیک و به همراه شکل های گوناگون مورد بررسی بیشتر قرار خواهند گرفت.

1- لایه اول : هادی / Conductor

اصلی ترین بخش در ساختار کابل که مسئولیت هدایت جریان الکتریکی را برعهده دارد، هادی کابل می باشد. هادی معمولا از جنس مس یا آلمینیوم تابانده شده ( Stranded ) می باشد. که به اختصار به آن ها CU و AL می گویند. مس دارای وزن بیشتر ( در هر متر ) و هدایت الکتریکی بالاتری نسبت به آلمینیوم می باشد. علاوه بر موارد یاد شده برای عبور یک جریان یکسان از کابل آلمینیوم، سطح مقطع کابل آلمینیوم باید در حدود 1.6 برابر بیشتر از کابل مسی جهت عبور همان مقدار جریان باشد. موارد یاد شده باعث کاهش میزان قیمت کابل آلمینیومی نسبت به کابل مسی ( برای عبور یک جریان ثابت ) خواهد شد. با این وجود به دلیل پاره ای از موارد، هنوز هم استفاده از کابل های مسی با اقبال بیشتری از سوی خریداران و صنایع همراه است. (این مطلب در مورد خطوط فشار ضعیف می باشد. در خطوط انتقال و توزیع طیف نسبتا وسیعی از کابل ها را کابل های آلمینیومی تشکیل می دهند. )

2- لایه دوم : اسکرین هادی / Conductor Screen

اسکرین هادی یک نوار نیمه رسانا می باشد، که برای حفظ یک میدان الکتریکی یکنواخت و به حداقل رساندن تنش های الکترواستاتیک در کابل های MV و HV مورد استفاده قرار می گیرد. ( عموعا در ساختار کابل های فشار ضعیف کاربردی ندارد. ) با قرارگیری این لایه روی سطح هادی های استرند شده ( رشته های تابانده شده )، فضاهای خالی، بین قسمت هایی از کابل و عایق آن از بین رفته و در نتیجه، فضایی صاف و مسطح بین هادی و عایق ایجاد می گردد. بدین وسیله میدان الکتریکی در این ناحیه به حالت یکنواخت در آمده و از جرقه های الکتریکی ناخواسته جلوگیری خواهد شد.

3- لایه سوم : عایق / Insulation

جهت ایزوله شدن هادی کابل و عدم انتقال جریان الکتریکی و نشتی آن، از مواد عایقی نظیر PVC و XLPE ( به طور معمول ) برای ناحیه عایقی در کابل استفاده می شود. PVC متداول ترین عایق در بین خریداران و تولید کنندگان کابل ( به خصوص در رنج ولتاژ های پایین ) می باشد. در مقال XLPE بیشتر در کابل های فشار متوسط و فشار قوی کاربرد دارد. این عایق در قیاس با PVC ، مقاومت عایقی بالاتر، طول عمر بیشتر و قدرت تحمل درجه حرارت های بالاتر را دارد، همچنین به موارد فوق می توان، تحمل بیشتر در برابر مواد شیمیایی را اضافه نمود. اما از آنجایی که انعطاف پذیری (خم شدن) XLPE کمتر و قیمت بیشتری نسبت به PVC دارد، استفاده از آن در سطوح ولتاژ پایین (LV) با اقبال کمتری نسبت به PVC رو به رو می باشد. این لایه به طور معمول در کابل های فشار ضعیف دومین لایه ( اولین لایه بعد از هادی ) در ساختار کابل خواهد بود.

4- لایه چهارم : اسکرین عایق / Insulation Screen

جنس این عایق به مانند مورد گفته شده در بخش دو از جنس مواد نیمه رسانا بوده و عملکردی مشابه مورد گفته شده در بخش دو را دارد. (معمولا در ساختار کابل های ولتاژ متوسط MV و ولتاژ بالا HV از این لایه استفاده می گردد.) در کابلهایی که فاقد نوار نیمه‌هادی کاغذی هستند، این لایه به طور مستقیم با شیلد در ارتباط است. از سوی دیگر اگر کابل‌ها دارای نوار نیمه‌هادی کاغذی باشند، این اتصال از طریق نوار نیمه‌هادی برقرار می‌شود.

5- لایه پنجم : فیلر یا پرکننده / Filler

این بخش را نمی توان به عنوان یک لایه در ساختار کابل نام گذاری کرد اما با توجه به نام گذاری های قبلی و از آنجایی که معمولا استفاده از آن بعد از لایه های زیرین یاد شده در قبل است، در این بخش قرار گرفته است. معمولا جهت یکنواخت کردن کابل های چند رشته (Multi Core) پس از قرار گیری چند رشته از سیم ها در کنار هم، برای فراهم کردن لایه ای یکنواخت روی آن ها ( جهت آسان شدن مراحل اضافه کردن سایر لایه ها روی مجموعه این هادی ها در کنار هم ) فضای خالی بین رشته سیم ها با مواد پلیمری نرمی به نام فیلر یا پرکننده پر می شود. (به عنوان مثال جهت پر کردن فضای خالی بین رشته سیم های 2.5×1 در کابل 2.5×3 )

6- لایه ششم : نیمه‌هادی کاغذی

این لایه از کابل ساختاری نوار مانند دارد. این نوار از جنس کاغذ موج دار یا الیاف بافته شده است و به دو دلیل در کابل های فشار متوسط و فشار قوی در ساختار کابل مورد مصرف قرار می‌گیرد: (معمولا در این سطوح در ساختار کابل از آن ها استفاده می گردد.)

ایجاد اتصال الکتریکی هادی های شیلد به لایه اسکرین عایق
حفاظت لایه اسکرین عایق از تماس مستقیم با رشته‌های اسکرین و جلوگیری از صدمه زدن سیم‌های شیلد به لایه اسکرین عایق مخصوصاً در زمان وقوع اتصال کوتاه ( در صورت وقوع اتصال کوتاه، جریان زیادی از لایه شیلد عبور می‌کند که در اثر عبور این جریان، لایه شیلد افزایش دمای چشمگیری خواهد داشت و در نتیجه احتمال فرورفتگی شیلد در لایه نیمه‌هادی افزایش می یابد). نوار نیمه‌هادی کاغذی به صورت مارپیچ طور بر روی لایه نیمه هادی قبل از خود قرار می‌گیرد.

7-لایه هفتم : شیت هادی یا شیلد (غلاف) / Conductor Sheath or Shield

غلاف یا سپر رسانا، که به علت تلفظ انگلیسی آن به شیلد یا شیت هادی معروف است، معمولا بصورت نواری از مس یا گاه آلیاژ سرب به عنوان سپری در برابر امواج الکترومغناطیس کابل تعبیه می گردد. علاوه بر مورد فوق، این لایه مسیری جهت عبور جریان های خطا و نشتی در کابل می باشد. ( شیلد در یک نقطه از دو سر کابل زمین می شود.) شیلدهای سربی سنگین تر و عموما اتصال آن ها ( Termination ) دشوار تر از نمونه مسی می باشد، اما عموما ظرفیت جریان خطای بالاتری را دارند. این ناحیه بعضا با نام اسکرین فلزی یا Metallic screen نیز شناخته می شود.

علت استفاده از شیلد در کابل های کنترل و ابزاردقیق

(shield in instrument and control cables) : همانطور که می دانید، در کابل های کنترلی، جریان کابل محدود و در بیشترین حالت معمولا در حد چند آمپر است، این کابل ها معمولا جهت نمایش و انتقال یک دیتا در نقطه ای دیگر مورد استفاده قرار می گیرند. تغییراتی اندک در جریان این کابل ها می تواند موجب اختلال در دیتای انتقالی آن ها گردد. از این رو با قرار دادن لایه ای به اسم شیلد در ساختار آن ها، این کابل ها را از تاثیرات اعمالی به وسیله میدان های مغناطیسی ایجاد شده در اطراف آن ها ( که متعاقبا موجب ایجاد جریان القایی در این کابل ها می شود. ) مصون می دارند. موارد ایجاد کننده این میدان می تواند خواه کابل قدرتی باشد که در نزدیکی این کابل ها قرار دارد. خواه یک موتور الکتریکی در کنار آن ها ( تاثیر میدان های کابل های درون موتور ) و یا یک نویز از سایر دستگاه ها و فرستنده های مجاور (شیلد در ساختار این کابل ها معمولا در دو نقطه ابتدا و انتهای کابل، جهت انتقال جریان های ایجاد شده بر روی این لایه به زمین وصل می شود)

علت استفاده از شیلد در کابل های قدرت یا پاور

(shield in power cables) : بحث شیلد یا غلاف در کابل های قدرت کمی متفاوت است. علاوه بر مواردی که در کابل های ابزاردقیق و کنترل گفته شد، این لایه در ساختار کابل جهت تحمل شرایط جریان اتصال کوتاه نیز به کار می رود. به تعبیری دیگر، این لایه در ساختار کابل های قدرت در واقع سیستم حفاظتی زمین (نقش ارتینگ در ساختار کابل) کابل را تشکیل می دهد . به تعبیر ساده تر استفاده از شیلد یا غلاف در ساختار کابل قدرت را می توان معمولا به بخش های زیر خلاصه نمود :
محافظت از کابل در برابر نویز ها و میدان های مغناطیسی خارجی و سایر کابل های مجاور و بالطبع محافظت از کابل های مجاور در برابر اثرات سو و نویز های ایجاد شده توسط خود کابل (معمولا در سطح ولتاژ پایین LV)
محافظت از کابل های مجاور از اثرات مغناطیسی ایجاد شده توسط کابل (معمولا در سطح ولتاژ متوسط MV و ولتاژ بالا HV)
محافظت از افراد و تجهیزات نزدیک به کابل در شرایط خطا و خرابی – ارتینگ (معمولا در سطح ولتاژ متوسط MV و ولتاژ بالا HV)
محافظت از کابل در برابر نفوذ آب (جنس شیلدر در این حالت معمولا از جنس سرب یا آلیاژهای آن است – استفاده در محیط هایی که احتمال نفوذ آب در کابل وجود دارد.)

لایه ها در ساختار کابل 20 کیلوولت بالا به ترتیب به شرح ذیل می باشند :

هادی کابل ( مس – cu )
نیمه هادی رسانا (بین رسانا و عایق بوده و در تصویر به وضوح مشخص نیست.)
عایق کابل ( از جنس XLPE – نسبت به PVC شفاف تر است )
نیمه هادی عایق
نیمه هادی کاغذی
شیلد مسی (نواز مسی بدون مفتول – در تولیدات جدید معمولا از هر دو استفاده می شود.)
بدینگ (Bedding)
آرمور یا زره (Armour)
نوار PP یا PET یا مایلار (جهت نگهداری لایه های زره)
ژاکت یا شیت بیرونی (PVC- رنگ قرمز جهت نشان دادن کابل MV به کار رفته است.)
تقریبا در این کابل از تمامی لایه ها استفاده شده است (به علت تک رشته بودن فیلر بکار نرفته است.)

8- لایه هشتم : لایه زیرین / Bedding or Inner Sheath

این لایه معمولا از جنس مواد ترموپلاستیک (مثل PVC) و یا ترموستینگ ها (مثل CSP) می باشد. بدینگ جهت باندل کردن لایه های قبل از خود (یکپارچه نگه داشتن) و فراهم کردن بستری مناسب برای قرارگیری زره ها (آرمور یا Armour) روی لایه شیت هادی (غلاف) یا شیلد (Conductor sheath or shield) می باشد. (البته گاهی نیز قبل از لایه شیلد به کار می رود.) از دیگر کاربردهای این لایه می توان به حفاظت لایه زیر خود (شیت یا غلاف، عایق و …) در برابر خوردگی و هچنین حفاظت آن لایه (شیت یا غلاف، عایق و …) از آسیب های مکانیکی آرمور و یا شیلد نام برد. جنس این لایه معمولا با جنس لایه نهایی (ژاکت) یکسان است. شایان ذکر است در برخی مواقع بر اثر نیاز به محافظت از لایه های قبل ممکن است حتی دو لایه بدینگ در کابل مورد استفاده قرار می گیرد. (به عنوان مثال یک لایه برای حفاظت در برابر آرمور و لایه دیگر برای حفاطت در برابر شیلد. نمونه کابل CU/XLPE/Bd/Lsh/Bd/SWA/PVC در سطح ولتاژ پایین LV : هادی کابل یاد شده از نوع مس – عایق آن XLPE – لایه سوم : بدینگ – شیلد سربی – لایه پنجم بدینگ – آرمور از جنس سیم گالوانیزه فولادی – ژاکت از جنس PVC)

9- لایه نهم : زره یا آرمور / Armour

این بخش از کابل جهت حفاظت مکانیکی بخش های زیرین به هم پیوسته در کابل می باشد. به عنوان مثال در کابل های زیر زمینی که احتمال برخورد بیل های مکانیکی، پیکور و … با آن ها بیشتر است (در حین عملیات راه سازی، شهرسازی و عمرانی)، برای حفاظت بیشتر از کابل ها از کابل های زره دار استفاده می شود. شاید باز هم با این کار روکش اولیه کابل آسیب ببیند، اما نیروهای تاسیساتی با مشاهده مقاومت زمین یا دیدن رشته های آرمور خارج شده بر اثر برخورد بیل یا پیکور از محل بهره برداری، از ادامه فعالیت جلوگیری کرده و جهت ترمیم کابل مورد نظر اقدام نمایند. با این کار احتمال قطعی برق در خطوط مورد نظر بر اثر صدمات مکانیکی به حداقل مقدار خود می رسد. (هرچند که هر تیم باید قبل از بهره برداری، یک مسیر از نقشه های تاسیات، برق، لوله ها و کابل های عبوری از محل مورد نظر را مورد بازبینی قرار داده تا از نبود تقاطع در آن محل، اطمینان حاصل نماید.) در بیشتر مواقع جهت این کار از سیم فولادی و یا تابانده شده (Stranded) استفاده می شود. در مواردی که معمولا آرمور از جنس استیل (فولاد یا steel) اجازه استفاده نداشته و یا محدود شده باشد، از فسفر، برنز، مس قلع اندود و یا مواردی دیگر در ساختار کابل استفاده خواهد شد.

10- لایه دهم : شیت بیرونی یا ژاکت Outer Sheath or Jacket

این لایه که لایه نهایی کابل و معمولا از جنس ترکیبات PVC یا CSP می باشد، جهت حفاظت مکانیکی، حفاظت در برابر آب و هوا (گرما، بارندگی) و حفاظت شیمیایی و الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد. در این لایه معمولا از جنس مورد استفاده شده در لایه زیرین ( Bedding ) در ساختار کابل، استفاده می شود. ( جنس این دو لایه در ساختار کابل معمولا یکسان است. )

تا اینجا، لایه‌های پرکاربرد در ساختار کابل‌ ها مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه، لایه‌های دیگری که در صورت نیاز می‌توان در ساختار لایه های کابل از آن ها استفاده کرد، مورد بررسی قرار می‌گیرد:

نوار مایلار ( نوار PP، نوار PET)

استفاده از این نوار، به غیر از کابل‌های ابزار دقیق، در ساختار کابل اجباری نبوده و تنها به منظور بالا بردن کیفیت شکل ظاهری کابل از این لایه استفاده می گردد. درواقع استفاده از این نوار به نوع مراحل کابل‌سازی وابسته است. از مصارف این نوارها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

1- پس از تابیده شدن عایق‌های کابل سکتور (کابل‌هایی با هادی‌های دارای سطح مقطع مثلثی – به منظور بهره‌وری بیشتر از فضا)، جهت نگه داشتن عایق‌ها در کنار یکدیگر از یک یا چند نوار مایلار استفاده می‌شود. 2- به منظور جلوگیری از فرورفتگی سیم‌های شیلد یا آرمور در مرحله بعد از اکسترود شدن (فرآیند آب شدن مایع عایقی به صورت خمیری دور کابل) استفاده می‌شود. این نوار همچنین باعث حفظ کردن سطح مقطع دایره ای کابل نیز می‌شود. 3- استفاده از این نوارها در کابل‌های ابزار دقیق جهت شکل‌گیری مناسب رشته‌های بهم تابیده شده و همچنین یک حفاظ خوب به عنوان نگهدارنده کابل‌ها در کنار هم می‌باشد. در یک کلام و به طور خلاصه این نوار هیچ کاربرد خاصی به جز هم بندی لایه های زیر خود و ایجاد یک شکل دایره ای در ساختار کابل را ندارد.

نوار میکا

این نوار در کابل‌های مقاوم در برابر آتش مورد استفاده قرار می‌گیرد و در زمان آتش‌سوزی توانایی جلوگیری از قطعی مدار الکتریکی یا اتصال رشته‌های کابل به یکدیگر، تا دمای 850 درجه سانتیگراد را دارد. محل قرارگیری این لایه، مابین هادی و نوار اسکرین هادی است.

شایان ذکر است در برخی حالات که فقط نیاز دارند تحمل حرارتی کابل کمی بالاتر از حالت عادی باشد و توانایی قطع مدار اهمیت بالایی ندارد. می توان به جای رشته های مس از مس قلع اندود در ساختار کابل استفاده نمود. کابل دیتای LIYCY نمونه ای از این کابل ها می باشد. ( LI : مس قلع اندود، Y : عایق پی وی سی، C : شیلد برید مسی، Y : ژاکت پی وی سی )

سخن آخر

در این مطلب سعی شد تا در عین سادگی و عدم خروج زیاد از حد از موضوع اصلی، ساختار کابل ها و به ویژه ساختار کابل قدرت مورد بررسی قرار گیرد. لایه های موجود در کابل ممکن است گاهی بیش از موارد یاد شده باشد، اما سعی شد تا در این مطلب به بیشتر موارد اصلی مورد نیاز برای شما مخاطبین عزیز اشاره شود. امید است علی رغم کاستی های زیادی که در توضیحات لایه ها و ساختار کابل ها وجود داشته است، این مطلب موجب رضایت و خرسندی شما هم میهنان عزیز قرار گرفته باشد.