بررسی ساختار و انواع کابل برق
سیم و کابل به‌عنوان اعضای مهم سیستم‌های برقی، موارد مصرف متفاوتی دارند. سیم متشکل از یک هادی معمولا از جنس مس است که با یک عایق پوشانده می‌شود. درواقع، سیم تک رشته‌ای بوده و به منظور هدایت برق با ولتاژهای کم مورداستفاده قرار می‌گیرد. درصورتی‌که کابل‌ها در انواع تک رشته‌ای و چند رشته‌ای تولید می‌شوند و در مصارف ساختمانی و صنعتی کاربرد دارند. کابل برق یکی از مهم‌ترین کابلهای امروزی است که از آن در کاربردهای خانگی و صنعتی استفاده می‌کنند. این کابل، وظیفه هدایت و پخش جریان الکتریکی را برعهده دارد. ازآنجایی‌که کابل برق از نظر ساختار و ولتاژ متنوع است، باید با انواع آن آشنا شد.
انواع کابل بر اساس ولتاژ
انواع کابل بر اساس ولتاژ در گذشته تنها شامل دو مدل ولتاژ بالا و ولتاژ پایین می‌شد؛ اما امروزه گروه‌بندی بیشتری دارد و به دسته‌های زیر تقسیم می‌شود:
- کابل فشار ضعیف (V 1000>)
محدوده ولتاژی کابلهای فشار ضعیف کمتر از ۱۰۰۰ وات است. این کابل‌ها در انتقال برق ساختمان‌ها، مراکز تجاری و صنعتی بکار گرفته می‌شوند. درواقع، کابل فشار ضعیف را می‌توان از کابلهای ساختمانی دانست؛ زیرا در بسیاری از بخش‌های داخلی ساختمان مانند برق‌کشی و تجهیزات روشنایی کارایی دارد. ضدآتش و مسلح بودن هم از مشخصات مهم این دسته از کابلهای برق است.
- کابل فشار متوسط (KV 36-1)
کابل فشار متوسط از دیگر کابلهای برق است که مصارف متنوعی دارد. این کابل همانطور که از نامش مشخص است، در ولتاژهای متوسط بکار می‌رود. بیشترین استفاده از آن هم مربوط به شبکه‌های شهری، تجهیزات پست برق سیار، اماکن صنعتی و معادن می‌شود. درمجموع، کابلهای فشار متوسط موارد مصرف متنوعی دارند؛ دلیل این موضوع به محدوده ولتاژی مناسب و مقاومت بالای آن بازمی‌گردد.
- کابل فشار قوی (KV 36<)
کابل فشار قوی با عایق‌های مقاومی مانند عایق XLPE تولید می‌شود و از آن جهت هدایت انرژی الکتریکی در کارهای ولتاژ بالا همچون خطوط انتقال، نیروگاه‌ها و پست‌های برق استفاده می‌کنند. این دسته از کابلهای برق بسیار قدرتمند هستند و حتی نزدیکی به آن‌ها ممکن است با حوادث ناگواری همراه شود. برهمین‌اساس، کابلهای فشار قوی مصارف کاملا صنعتی دارند و در داخل ساختمان‌های مسکونی نصب نمی‌شوند.
انواع کابل از نظر نوع هادی
کابل ازنظر نوع هادی در یک دسته‌بندی کلی شامل مفتولی، نیمه‌افشان و کابل افشان می‌شود. هر کدام از انواع هادی، مشخصات و کاربردهای مختص به خود را دارند که درادامه با آن‌ها آشنا خواهید شد:
- مفتولی (سولید/CU یا AL) – کلاس 1
هادی کلاس ۱ شامل هادی تک مفتول از جنس مس یا آلومینیوم می‌شود. در این مدل، فقط یک سیم وجود دارد و از آن در مصارف ثابت استفاده می‌کنند. برای نمونه مدل مفتولی در تابلوهای برق و تاسیسات ثابت نصب می‌شود. ضمنا، باید از تعبیه کابلهای مفتولی در داخل دیوار به شکل مستقیم پرهیز کرد.
- نیمه‌افشان (کلاس 2)
کابل نیمه‌افشان متشکل از چند رشته مفتولی تابیده شده به هم است و در مصارف زمینی و ساختمان مورداستفاده قرار می‌گیرد. بعلاوه این دسته از کابل‌ها دارای ویژگی‌هایی نظیر انعطاف‌پذیری و مقاومت الکتریکی بالا هستند. بنابراین، از آن‌ها می‌توان در پروژه‌های نیازمند انعطاف‌پذیری بالا استفاده کرد.
- افشان (کلاس 5) – انعطاف‌پذیر
کابلهای افشان دارای چند سیم نازک تابیده شده به یکدیگر هستند و ساختار نرم‌تر و باریک‌تری در مقایسه با کابلهای نیمه‌افشان دارند. درکل، کابلهای کلاس ۵ به‌عنوان هادی‌های نرم عمومی شناخته می‌شوند و انعطاف‌پذیری بالاتری نسبت به کابلهای کلاس ۲ دارند. این کابل‌ها می‌توانند همچون کابلهای متحرک عمومی استفاده شوند.
انواع کابل بر اساس کاربرد
کابل‌ها ازنظر کاربرد به گروه‌های کابلهای خانگی و ساختمانی، کابلهای زمینی و هوایی و همین‌طور، کابلهای صنعتی، فرمان و مخابراتی تقسیم می‌شوند. درادامه با این کابل‌ها آشنا خواهید شد:
- کابلهای خانگی/ساختمانی
کابلهای خانگی و ساختمانی با هدف برقراری ارتباطات داخلی و خارجی ساختمان بکار گرفته می‌شوند. از انواع آن‌ها می‌توان به کابل آیفونی جهت اتصال نوار صوتی به آیفون در قسمت درب ورودی، کابل آنتن مخصوص اتصال آنتن به تلویزیون، کابل شبکه مخصوص اتصال کامپیوترها، روترها و سوئیچ‌ها به هم، کابل اتصال برای اتصال تلفن‌های ثابت به هم و کابل فیبر نوری جهت اتصال شبکه‌های پرسرعت اشاره کرد.
- کابلهای زمینی و هوایی
کابل زمینی به صورتی طراحی می‌شود که برای بخش‌های داخلی و اماکن ثابت مناسب باشد؛ از بکارگیری این کابل در محیط‌های پرتحرک اجتناب کنید. از موارد مصرف کابل زمینی می‌توان به تغذیه انرژی در زیر خاک، درون کانال، شبکه توزیع تاسیسات برقی و داخل آب اشاره کرد. درمجموع، این کابل بهتر است در محیط‌هایی که در معرض ضربه مکانیکی نیستند، بکار گرفته شود.
کابلهای هوایی هم به شکل معلق بر روی تیرها نصب می‌شوند. این کابل‌ها علاوه بر انتقال الکتریکی می‌توانند در زمینه هدایت سیگنال‌های خطوط مخابراتی هم مورداستفاده قرار بگیرند. درواقع، نصب کابلهای هوایی از روش‌های کارآمد جهت توزیع برق در نواحی مختلف است که هزینه تقریبا کمی دارد. ازطرفی، این کابل‌ها به راحتی تعمیر و نگهداری می‌شوند.
- کابلهای صنعتی، فرمان و مخابراتی
کابلهای فرمان وظیفه هدایت سیگنال‌های کنترلی در اتوماسیون و تابلوهای برق را برعهده دارند. این کابل‌ها متشکل از چند زوج سیم تابیده شده به یکدیگر هستند و عموما جهت هدایت سیگنال در ارتباطات و مخابرات استفاده می‌شوند. همچنین، کابل مخابراتی که نام دیگر آن، کابل ارتباطی است با هدف انتقال داده‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرد و به ارتباطات سریع‌تر کمک می‌کند.
ساختار لایه‌ای کابل برق
برای اینکه کابلهای برق کارایی لازم را داشته باشند باید به صورت استاندارد تولید شوند و ساختار آن‌ها با ضوابط این حوزه همخوانی داشته باشد. درادامه ساختار لایه‌ای کابل برق تشریح شده است:
- هادی (Conductor) – مس یا آلومینیوم
هادی مهم‌ترین قسمت در ساختار کابل است که باعث انتقال جریان الکتریکی می‌شود. این قسمت عمدتا از جنس مس یا آلومینیوم است که آن‌ها را نماد اختصاری CU و AL نشان می‌دهند. در یک مقایسه می‌توان گفت که مس وزن بیشتری نسبت به آلومینیوم دارد و ازنظر انتقال الکتریکی هم بهتر عمل می‌کند.
- اسکرین هادی (برای کابلهای قدرت)
اسکرین هادی به‌عنوان یک نوار نیمه رسانا به منظور مراقبت از میدان الکتریکی يکپارچه و کاهش فشارهای الکترواستاتیک در کابلهای فشار متوسط و قوی بکار گرفته می‌شود. لازم به ذکر است، از اسکرین هادی در کابلهای فشار ضعیف استفاده نمی‌کنند. با قرارگیری اسکرین هادی، بخش‌های خالی میان کابل و عایق از بین می‌رود؛ درنهایت، میدان الکتریکی به صورت یکنواخت شده و جرقه‌های الکتریکی رخ نمی‌دهد.
- عایق (Insulation) – نوع XLPE، PVC، رابر
برای انتقال بهتر جریان الکتریکی و ایزوله شدن هادی کابل باید از عایق‌های مناسب استفاده کرد. معروف‌‌ترین عایق‌های کابل شامل PVC، XLPE و رابر می‌شود. معمولا، برای عایق کابلهای ولتاژ پایین از PVC و برای کابلهای ولتاژ متوسط و قوی از XLPE استفاده می‌کنند. عایق رابر هم متشکل از مواد پلاستیکی است که مقاوم بی‌نظیری به کابل می‌بخشد. درکل، وجود عایق در کابل به بهتر شدن عملکرد آن در شرایط مختلف کمک می‌کند.
- اسکرین عایق
جنس لایه اسکرین عایق از مواد نیمه رسانا است و همچون لایه اسکرین هادی عمل می‌کند. این لایه معمولا در کابلهای فشار متوسط و قوی وجود دارد. می‌توان گفت که وجود لایه اسکرین عایق به نوع کابل بستگی دارد. بعلاوه این لایه در کابل‌هایی که نوار نیمه‌هادی کاغذی ندارند، به صورت مستقیم با شیلد ارتباط برقرار می‌کند. ازطرفی، اگر کابل‌ها نوار نیمه‌هادی کاغذی داشته باشند، اتصال توسط نوار نیمه‌هادی به وجود می‌آید.
- فیلر (Filler) – پرکننده داخلی
برای یکنواخت شدن کابلهای چند رشته بعد از تعبیه رشته‌ها فضای خالی میان آن‌ها را با فیلر پر می‌کنند. درواقع، فیلر یا پرکننده داخلی نوعی ماده پلیمری نرم است که منجر به یکنواخت شدن کابلهای چند رشته‌ای می‌شود. بعلاوه این ماده پلیمری، کابل را برای افزودن لایه‌های دیگر آماده می‌کند. درکل، فیلر را نمی‌توان جزو ساختار لایه‌ای کابل دانست؛ اما وجود آن باعث اضافه شدن بهتر سایر لایه‌ها می‌شود.
- شیلد/غلاف رسانا
غلاف رسانا یا سپر رسانا که به خاطر لفظ انگلیسی آن معروف به کابل شیلددار یا شیت هادی شده است، اغلب به شکل نواری از مس یا آلیاژ سرب همچون سپری در مقابل امواج الکترومغناطیس کابل قرار می‌گیرد. این لایه به‌عنوان مسیری برای عبور جریان‌های نشتی و خطا شناخته می‌شود. ضمنا، وزن شیلدهای سربی نسبت به مدل‌های مسی بالاتر است و اتصال آن‌ها سخت‌تر پیش می‌رود؛ اما دارای ظرفیت جریان خطای بالاتری هستند.
- بدینگ/ژاکت داخلی
جنس لایه بدینگ از مواد ترموپلاستیک مانند PVC یا ترموستینگ مانند CSP است. این لایه برای یکپارچه‌سازی لایه‌های قبلی و مهیاسازی بستری جهت تعبیه رزه‌ها (آرمور) بر روی لایه شیلد قرار می‌گیرد. البته آن را برخی مواقع قبل از لایه شیلد قرار می‌دهند. گاهی اوقات هم دو لایه بدینگ به ساختار کابل اضافه می‌شود تا مراقبت از لایه‌های قبلی خیلی بهتر صورت بگیرد. با وجود این لایه دیگر نگران خوردگی لایه قبلی نخواهید بود.
- آرمور (Armor)
این لایه از قسمت‌های زیرین به هم پیوسته در کابل محافظت مکانیکی می‌کند. برای نمونه در کابلهای زیر زمینی که در معرض برخورد با بیل‌ها قرار دارند باید از کابلهای دارای آرمور استفاده کرد. البته احتمال آسیب‌دیدگی روکش اولیه کابل‌ها در عملیات راه‌سازی و شهرسازی وجود دارد؛ اما نیروها با مشاهده رشته‌های آرمور خارج‌شده می‌توانند فعالیت را متوقف کرده و برای تعمیر آن‌ها اقدام کنند. در این صورت، احتمال قطع شدن برق کمتر می‌شود.
- ژاکت خارجی (Outer Jacket)
ژاکت خارجی به‌عنوان آخرین لایه کابل از جنس PVC یا CSP است؛ درکل، جنس آن با جنس لایه بدینگ همخوانی دارد. این لایه، از کابل در برابر آسیب‌های ناشی از فشارهای مکانیکی، مواد شیمیایی، حرارت و بارندگی محافظت می‌کند. به‌این‌ترتیب، روکش خارجی همچون لایه‌ای محافظتی برای تمام قسمت‌های کابل عمل کرده و میزان مقاومت آن را به صورت چشمگیری بهبود می‌بخشد.
انواع عایق‌ها و تفاوت‌های آن‌ها
عایق‌ها از کابل‌ها در برابر تنش‌های مکانیکی محافظت می‌کنند و عمر مفید آن‌ها را افزایش می‌دهند؛ به‌همین‌دلیل، وجودشان در ساختار کابل اهمیت ویژه‌ای دارد. در قسمت زیر، به معرفی انواع عایق کابل و تفاوت‌های آن‌ها پرداخته‌ایم:
- XLPE – مقاوم در برابر گرما و رطوبت
این عایق از پلی‌اتیلن کراس لینک شده تولید می‌شود و ساختار مولکولی دی‌الکتریک آن به شکل ضربدری است. همچنین، عایق XLPE در مقابل گرما و رطوبت استقامت بالایی دارد. درواقع، این عایق در برابر دما تا ۹۰ درجه سانتی‌گراد مقاوم است و ساختار آن در نزدیکی عوامل محیطی آسیب‌زا مانند رطوبت و نور خورشید آسیب نمی‌بیند. از ساير مشخصات عایق XLPE می‌توان به انعطاف‌پذیری مطلوب و امکان تغییر شکل اشاره کرد.
- PVC – اقتصادی و مقاوم شیمیایی
عایق PVC یا پلی وینیل کلراید متشکل از رزین، کربن سیاه و روان‌کننده با درصدهای مختلف است. این عایق بیشترین استفاده را در سیم‌ها و کابلهای برق دارد که اصلی‌ترین دلایل آن مربوط به مقاومت عالی و قیمت اقتصادی‌اش می‌شود. از بارزترین مشخصات PVC می‌توان به مقاومت عالی در برابر حرارت و آتش‌سوزی، بهبود مدار جریان، وزن سبک، کاربری آسان و سازگاری با محیط زیست اشاره کرد.
- رابر – کاربرد در ژنراتورها/ترانس‌ها
رابر با سیلیکون و اکسیژن هیدروکربن تولید می‌شود و به دلیل مقاومت عالی به‌عنوان عایق کابلهای برق مورداستفاده قرار می‌گیرد. این عایق، واکنش‌پذیر نیست و در برابر دماهای پایین و بالا مقاومت خوبی از خود نشان می‌دهد. رابر به دلیل مقاومت مطلوبش به یک محصول تجاری تبدیل شده است و از آن در بخش‌های صنعتی مختلف استفاده می‌کنند. از کاربردهای رابر می‌توان به صنعت ساختمان‌سازی، خودروسازی، تجهیزات الکترونیک، ژنراتورها و ترانس‌ها اشاره کرد.
استانداردها و نام‌گذاری کابل‌ها
نام‌گذاری کابلهای برق در ایران بر اساس استاندارد VDE صورت می‌گیرد؛ البته طراح آن، کشور آلمان است. در این استاندارد، ویژگی‌ها و ساختار لایه‌های کابل با حروف و اعداد نشان داده می‌شود. با توجه به سیستم کدگذاری VDE بر روی اکثر کابل‌ها 4 گروه عبارت حک شده که هر یک از آن‌ها قسمتی از ساختار یک کابل برق را شرح می‌دهند. این حروف و اعداد در درون 11 سلول درج شده و بر روی بخش بیرونی کابل قرار می‌گیرند. چنانچه اطلاعات کابل را 11 خانه تصور کنیم و نام‌گذاری آن‌ها را از چپ به راست انجام دهیم؛ در هر کدام از آن‌ها یک حرف یا عدد وجود دارد که به موارد زیر اشاره دارند:
- خانه 1: استاندارد کابل (حرف)
- خانه 2: جنس هادی (حرف)
- خانه 3: جنس عایق (حرف)
- خانه 4: جنس حفاظ عایق (حرف)
- خانه 5: جنس یا مدل رزه (حرف)
- خانه 6: جنس یا مدل غلاف (حرف)
- خانه 7: وجود هادی حفاظتی یا نبود آن (حرف)
- خانه 8: تعداد رشته‌های هادی (عدد)
- خانه 9: سطح مقطع هادی (عدد)
- خانه 10: شکل هادی (حرف)
- خانه 11: ولتاژ اسمی کابل (عدد)
نکات انتخاب کابل مناسب
کابلهای برق با توجه به مدل و سطح مقطعی که دارند در انتقال جریان الکتریکی عملکرد متفاوتی از خود نشان می‌دهند. میزان جریانی که کابل‌ها منتقل می‌کنند در صورتی که از حد استاندارد کمتر یا بیشتر باشد منجر به سوختن کابل یا کوتاه شده عمر آن می‌شود. بنابراین، باید در انتخاب کابل به نکات فنی مهم توجه داشت. این نکات عبارتند از:
- شرایط محیطی و ولتاژ موردنیاز
- کیفیت هادی و ضخامت عایق کابل
- میزان افت ولتاژ و عبور نکردن از حد مجاز
- بررسی جریان‌گذاری و سطح مقطع ازنظر افت توان
- نوع و جنس روکش کابل
- مقاومت در برابر حریق
- استانداردهای بین المللی و ملی
- مقاومت کابل در برابر عوامل شیمیای، رطوبت و اشعه UV
- سازگاری با تجهیزات و سیستم های موجود
- در نظر گرفتن طول کابل و افت ولتاژ
- توجه به دمای عملیاتی و محدوده دمایی کابل
- توجه به نوع نصب و محل قرار گیری کابل
چه تفاوت‌هایی بین سیم و کابل برق وجود دارد و کدام نوع برای پروژه شما مناسب‌تر است؟
سیم و کابل دو عضو اصلی سیستم‌های برق هستند که ساختار متفاوتی دارند. معمولا، ساختار سیم‌ها تک رشته‌ای است؛ درصورتی‌که کابل‌ها در انواع تک رشته‌ای و چند رشته‌ای تولید می‌شوند. ضمنا، کابل برق از مهم‌ترین کابلهای عصر ما است که در بسیاری از مصارف ساختمانی و صنعتی کاربرد دارد. این کابل ازنظر مدل هادی شامل مفتولی، نیمه‌افشان و افشان می‌شود. از بین این موارد، انعطاف‌پذیری کابل افشان بیشتر است و تغییر شکل آن راحت‌تر صورت می‌گیرد. بعلاوه کابل برق ازلحاظ ولتاژ هم شامل گروه‌های فشار ضعیف، فشار متوسط و فشار قوی می‌شود. کابل فشار ضعیف در مصارف معمولی مانند برق‌کشی و سیستم‌های روشنایی بکار می‌رود؛ اما کابل فشار متوسط مصارف کاملا حرفه‌ای مانند شبکه‌های شهری و تجهیزات پست برق سیار دارد. کابل فشار قوی هم تنها در حوزه‌های صنعتی مهم بکار می‌رود. به‌این‌ترتیب، تنوع کابل برق بالا است و مشخصات آن باید با نیاز پروژه همخوانی داشته باشد.
