מבנה ותפקוד של כבלי חשמל

המבנה הבסיסי של כבל חשמל מתוכנן בשכבות, כאשר כל שכבה מבצעת פונקציות ספציפיות כדי להבטיח העברה בטוחה, יעילה ואמינה של אנרגיה חשמלית ממקור ייצור החשמל למשתמש הקצה. עיצוב מודולרי זה מאפשר לכבלים להסתגל לדרישות מגוונות, החל מחלוקת מתח נמוך ועד להעברה במתח גבוה במיוחד, ולעמוד בפני לחצים מכניים, כימיים וסביבתיים במהלך ההתקנה וההפעלה לטווח ארוך.

המבנה והפונקציות המפורטים הם כדלקמן:

1. מוליך (ליבה מוליכה)

תפקיד: משמש כתעלת ליבה להעברת אנרגיה חשמלית, נשיאת זרם וקביעת כושר נשיאת הזרם ויעילות המוליכות של הכבל.
חומרים ותהליכים: עשויים בדרך כלל מנחושת מחושלת בעלת מוליכות גבוהה (התנגדות נמוכה, גמישות טובה) או ממוליכי אלומיניום קשוח. כדי לאזן בין גמישות לחוזק, מוליכים נוצרים לעתים קרובות על ידי קשירה קבועה של חוטים דקים מרובים. צורות החתך שלהם ממוטבות כדי למלא היטב את חלל הבידוד ולשפר את פיזור החום.

2. שכבות מיגון

פונקציה: זוג שכבות מוליכות למחצה זה יוצר "מערכת איזון", חיונית להבטחת פיזור אחיד של שדה חשמלי בכבלים במתח בינוני וגבוה.

מגן מוליך: מודפס בחוזקה על פני המוליך, ממלא אי סדרים מיקרוסקופיים וחריצים בתוך המוליך השזור, ומונע פריקת קורונה ועצים חשמליים מקומיים.

מגן בידוד: מותקן היטב על המשטח החיצוני של שכבת הבידוד, הוא מאזן את השדה החשמלי ומספק מעבר חלק לשכבת המגן המתכתית החיצונית.

חומר: שניהם חומרים מוליכים למחצה הניתנים לקישור צולב, עם התנגדות נפחית הנשלטת בדרך כלל בטווח של 10² עד 10⁵ Ω·cm.

3. שכבת בידוד

פונקציה: מספק בידוד חשמלי, עמיד בפני מתח הפעלה ומתחי יתר כדי למנוע תקלה או דליפה.

חומרים: חומר מיינסטרים הואפוליאתילן צולב (XLPE)גומי אתילן-פרופילן (EPR) משמש ליישומים במתח בינוני ובגמישות גבוהה. פוליוויניל כלוריד (PVC) משמש בעיקר ברשתות חלוקה במתח נמוך.

4. שכבת מגן מתכתית

פונקציה: מספק נתיב לזרם תקלה, מיגון אלקטרומגנטי והגנה מפני הארקה.

טפסים:סרט נחושתמיגון, מיגון צמה מחוטי נחושת, או נדנודים מתכתיים גליים (המספקים גם פונקציית מחסום מים רדיאלי).

5. שכבת מילוי

פונקציה: ממלא חללים בכבלים מרובי ליבות לשמירה על יציבות מבנית, ומספק ריפוד עזר והגנה מפני לחות.

חומר: חומרים שאינם היגרוסקופיים כגון חוט קרע מפוליפרופילן (PP) או חבלים סותמי מים.

6. נדן פנימי

פונקציה: מגן על שכבת המגן המתכתית מפני קורוזיה ומספק מחסום רדיאלי ראשוני מפני מים ולחות.

חומרים: נדני פוליאתילן (PE) או פוליוויניל כלוריד (PVC). עבור יישומים הדורשים ביצועי חסימת מים טובים, משתמשים לעתים קרובות בנדני אלומיניום-פוליאתילן למינציה.

7. שכבת שריון

פונקציה: מספק הגנה מכנית מפני ריסוק במהלך קבורה ישירה, משיכה במהלך ההתקנה ומתח במהלך הנחת צוללת.

סוגים: שריון סרט פלדה (בעיקר לעמידות בדחיסה) או שריון תיל פלדה (לחוזק מתיחה).

8. נדן חיצוני

פונקציה: שכבת הגנה חיצונית, עמידה בפני קורוזיה סביבתית.

חומר: חומר נרתיק PVC או PE, עם אפשרות לפיתוח חומרי נרתיק מיוחדים מעכבי בעירה, ללא הלוגן ופליטת עשן נמוכה.

9. מבנים מיוחדים

מבנה איטום: נדני מתכת גליים או אבקה/סרטים/ג'לים לחסימת מים.

מבנה כיבוי אש: גומי סיליקון הניתן לקרמיזציה, סרטי נציץ או חומרים דלי עשן ללא הלוגן (LSZH).

אינטגרציה חכמה: חלק מהכבלים משלבים יחידות סיבים אופטיים למדידת טמפרטורה או תקשורת.

10. דוגמה למבנה (כבל בעל ליבה אחת במתח גבוה)

מוליך נחושת → מגן מוליך → בידוד XLPE → מגן בידוד → מגן מתכתי גלי → נדן פנימי של PE → שריון חוט פלדה → נדן חיצוני.

11. סיכום

כבל חשמל הוא מוצר מערכתי מהונדס בקפידה. בחירת החומרים ויישום התהליכים עבור כל שכבה משפיעים עמוקות על יעילות ההולכה, חיי השירות ורמת הבטיחות של הכבל. טכנולוגיית הכבלים המודרנית מתפתחת לקראת רמות מתח גבוהות יותר, קיבולת גדולה יותר, אמינות גבוהה יותר, אינטליגנציה מוגברת וקיימות סביבתית משופרת.