Virtakaapeleiden selitys: Sähkökaapelointi- ja johtoeristystyypit

Mitä ovat Virtakaapelit ?

Tehokaapelit ovat eristettyjä sähköjohtimia, jotka on suunniteltu siirtämään sähköenergiaa lähteestä kutaimaan – olipa kyseessä sitten rakennus, kone, infrastruktuurin osa tai kuluttajalaite. Jokainen virtajohto suorittaa kahta toimintoa samanaikaisesti: johtaa virtaa minimaalisella resistiivisellä häviöllä ja säilyttää tämän virran turvallisesti eristetyssä ja suojatussa rakenteessa, joka estää kosketuksen ihmisiin, laitteisiin tai ympäristöön.

Perustasolla virtakaapeli koostuu a kapellimestari ja an eristyskerros . Käytännössä useimmat teollisissa, kaupallisissa ja infrastruktuurisovelluksissa käytetyt kaapelit ovat huomattavasti monimutkaisempia – ne sisältävät useita johtimia, puolijohtavia suojuksia, metallisuojuksia, panssarointikerroksia ja ulkovaippaita, joista jokainen palvelee tiettyä mekaanista tai sähköistä tarkoitusta. Kaapelin rakenteen määräävät sen kantama jännite, sen kestettävä virta, asennusympäristö, jossa se toimii, ja mekaaniset rasitukset, joita se kohtaa käyttöiän aikana.

Virtakaapelit luokitellaan jännitteen mukaan kolmeen laajaan luokkaan: matala jännite (LV) kaapelit, joiden jännite on enintään 1 kV ja joita käytetään rakennusten kaapelointiin, laiteliitäntöihin ja kevyeen teolliseen jakeluun; keskijännite (MV) kaapelit 1 kV - 36 kV, joita käytetään teollisuuden sähkönjakelussa ja sähkönsyöttöjohdoissa; ja korkea jännite (HV) yli 36 kV:n kaapelit, joita käytetään siirtoverkoissa ja laajamittaisessa sähköinfrastruktuurissa. Jokaisella jänniteluokalla on omat johtimien mitoitusstandardit, eristeen paksuusvaatimukset ja asennuskoodit, jotka ohjaavat sen suunnittelua ja käyttöä.

Myös johdinmateriaalit ovat lähes yleisiä kupari or alumiinia . Kupari tarjoaa erinomaisen johtavuuden (noin 58 MS/m vs. alumiinin 35 MS/m), korkeamman vetolujuuden ja paremman korroosionkestävyyden liitoskohdissa, joten se on ensisijainen johtime useimpiin kiinteisiin johdotus- ja joustaviin kaapelisovelluksiin. Alumiini on huomattavasti kevyempää ja edullisempaa johtavuusyksikköä kohden, minkä vuoksi se hallitsee ilmajohtoja ja suuriosaisia ​​maanalaisia ​​jakelukaapeleita, joissa paino ja materiaalikustannukset ovat ensisijaisia ​​näkökohtia.

Sähkökaapelointityypit

Sähkökaapelointi ei ole yksittäinen tuoteluokka, vaan laaja tuoteperhe, joista jokainen on optimoitu tietylle jänniteluokan, asennustavan, ympäristöaltistuksen ja mekaanisen tarpeen yhdistelmälle. Alla on kuvattu tärkeimmät sähkönjakelu- ja rakennuskaapelointikaapelityypit.

Panssaroimattomat PVC- tai XLPE-kaapelit (NYY / N2XY)

Panssaroimattomat pienjännitekaapelit, joissa on PVC- tai XLPE-eristys ja PVC-ulkovaippa, ovat yleisimmin asennettu kaapelityyppi talotekniikassa, kevyen teollisuuden johdotuksessa ja suoraan hautaussovelluksissa putkissa. NYY-merkintä (PVC-eristetty, PVC-vaippainen) ja N2XY-merkintä (XLPE-eristetty, PVC-vaippainen) noudattavat IEC-nimityskäytäntöjä, joita käytetään kaikkialla Euroopassa ja useimmilla kansainvälisillä markkinoilla. Näitä kaapeleita on saatavana yksi- ja monijohtimisina, joiden johtimien poikkipinta on 1,5 mm² - 300 mm² tai suurempi. XLPE-eristetyillä versioilla on korkeampi teho kuin PVC-vastaavilla samassa johdinkoossa , johtuen silloitetun polyeteenieristeen erinomaisesta lämpösuorituskyvystä.

Panssaroidut kaapelit (SWA ja AWA)

Panssaroidut kaapelit sisältävät mekaanisen suojakerroksen eristeen ja ulkovaipan välissä. Panssaroitu teräslanka (SWA) Kaapeleissa käytetään kerrosta galvanoituja teräslankoja, jotka on kierretty kierteisesti eristetyn ydinkokoonpanon ympärille, mikä tarjoaa kestävyyttä puristumiselle, jyrsijän hyökkäykselle ja tahattomille iskuille. SWA on vakiovalinta suoraan hautaamiseen ilman putkea, maanalaiseen jakeluun ja pinta-asennettaviin ajoihin teollisuusympäristöissä, jotka ovat alttiina mekaanisille vaurioille. Panssaroitu alumiinilanka (AWA) kaapeleissa käytetään alumiinilankoja teräksen sijasta, mikä vähentää painoa ja eliminoi galvaanisen korroosion riskin alumiinijohtimissa kaapeleissa – tehden niistä parempana maanalaisissa yksijohtimissa kaapeleissa, joissa teräspanssari aiheuttaisi AC-järjestelmissä ei-hyväksyttäviä pyörrevirtahäviöitä.

Mineraalieristetyt kaapelit (MICC / MI-kaapeli)

Mineraalieristetyissä kaapeleissa käytetään eristemateriaalina puristettua magnesiumoksidijauhetta (MgO), joka on pakattu kuparijohtimien ja saumattoman kupari- tai ruostumattomasta teräksestä valmistetun ulkovaipan väliin. Tuloksena on kaapeli poikkeuksellinen palonkestävyys — MgO on palamatonta, eikä metallivaippa pala eikä tuota myrkyllisiä huuruja missään palo-olosuhteissa. MI-kaapelit säilyttävät piirien eheyden yli 1 000 °C:n lämpötiloissa, ja ne ovat monissa rakennusmääräyksissä pakollisia palohälytyspiireihin, hätävalaistukseen, savunpoistojärjestelmiin ja muihin hengenturvakaapeleihin. Niiden rajoituksia ovat korkeammat kustannukset, rajoitettu joustavuus ja alttius kosteuden tunkeutumiselle leikatuista päistä, mikä edellyttää tiiviitä päätteitä.

Joustavat ja peräkkäiset kaapelit

Taipuisissa kaapeleissa käytetään hienosäikeisiä johtimia, jotka on rakennettu kymmenistä tai satoista yhteen kierretyistä yksittäisistä ohuista johtoista, jotta saavutetaan taivutussäde ja joustosyklin kestävyys, joita vaaditaan liikkuville liitoksille: laitejohdoille, kannettaville työkaluille, jatkojohdoille ja koneen takajohtimille. Säikeistysluokka määrittää joustavuuden: Standardin IEC 60228 mukaisia ​​luokan 5 (hienokäikeinen) ja luokan 6 (erittäin hienosäikeinen) johtimia käytetään usein joustavissa sovelluksissa, kun taas luokka 2 (säikeinen) on vakiona kiinteässä johdotuksessa. Joustava kaapelieristys ja vaipat on suunniteltu kestämään hankausta, öljyjä ja toistuvaa taipumista sen sijaan, että ne olisivat optimoitu pelkästään lämpösuorituskykyä varten.

Keski- ja korkeajännite XLPE-kaapelit

Yli 1 kV kaapelin rakentaminen muuttuu huomattavasti monimutkaisemmaksi. MV- ja HV-kaapelit vaativat kapellimestari screens and insulation screens — ohuita kerroksia puolijohtavaa materiaalia, joka levitetään suoraan johtimen ja eristeen ulkopinnan päälle — tasoittaa sähkökenttäpitoisuuksia johtimen pinnalla ja eristeen ja vaipan rajapinnalla. Ilman näitä suojuksia kierrettyjen johtimien epäyhtenäinen geometria loisi paikallisen kentän voimakkuuden, joka on riittävä aiheuttamaan eristyksen huononemisen ajan myötä. XLPE on hallitseva MV- ja HV-kaapeleiden eristysmateriaali maailmanlaajuisesti, sillä se on suurelta osin syrjäyttänyt paperiöljyeristeisiä kaapeleita (PILC) viimeisten 30 vuoden aikana erinomaisen kosteudenkestävyyden, kevyemmän painonsa ja kykynsä toimia korkeammissa johdinlämpötiloissa (90 °C jatkuva vs. 70 °C PVC:lle).

Data- ja signaalikaapelit tehojohtimilla (hybridikaapelit)

Hybridikaapelit yhdistävät tehojohtimet ja signaali- tai datajohtimet yhteen vaippaan, mikä vähentää asennuksen monimutkaisuutta sovelluksissa, joissa sekä tehon että tietoliikenteen on saavutettava sama päätepiste – teollisuuskoneet, CCTV-järjestelmät, rakennusautomaatio ja uusiutuvan energian valvonta. Teho- ja signaalielementit on fyysisesti erotettu ja usein suojattu yksittäin kaapelin sisällä, jotta estetään sähkömagneettiset häiriöt tehojohtimista, jotka vahingoittavat signaalipiirejä.

Johdineristystyypit

Johdineristys on johdinta ympäröivä materiaalikerros, joka estää virtaa karkaamasta aiotulle reitille. Eristyksen tulee kestää käyttöjännitteen sähköinen rasitus, kuormituksen alaisen johtimen lämpötilan lämpöjännitys sekä asennusympäristön aiheuttamat mekaaniset tai kemialliset rasitukset. Eristysmateriaalin valinta on yksi tärkeimmistä päätöksistä kaapelin määrittelyssä – se määrittää käyttölämpötilan, virransiirtokapasiteetin, kemikaalinkestävyyden, palokäyttäytymisen ja käyttöiän.

PVC (polyvinyylikloridi)

PVC on maailmanlaajuisesti laajimmin käytetty kaapelin eristys- ja vaippamateriaali, jonka osuus pienjännitekaapeleiden tuotannosta on tilavuudeltaan suurin. Sen hallitseva asema johtuu suotuisasta ominaisuuksien yhdistelmästä alhaisin kustannuksin: riittävä dielektrinen lujuus, hyvä kosteuden ja monien kemikaalien kestävyys, kohtuullinen mekaaninen sitkeys ja helppo käsitellä tavallisilla suulakepuristuslaitteilla. Vakio PVC-eristys on mitoitettu jatkuviin johtimien lämpötiloihin 70 °C 90 °C ja 105 °C sovelluksiin saatavilla erikoisvalmisteilla.

PVC:n ensisijainen rajoitus on sen palokäyttäytyminen. PVC:n palamisesta vapautuu kloorivetykaasua ja muita myrkyllisiä halogenoituja yhdisteitä, ja PVC-kaapelit tuottavat tulipalossa tiheää mustaa savua. Tästä syystä PVC:n käyttöä rajoitetaan tai kielletään yhä enemmän rakennuksissa, joissa on paljon asutusta, ahtaissa tiloissa, tunneleissa ja julkisen liikenteen infrastruktuurissa – erityisesti Euroopassa, jossa Low Smoke Zero Halogen (LSZH) -vaatimukset ovat syrjäyttäneet PVC:n monissa eritelmäluokissa.

XLPE (ristisidottu polyeteeni)

XLPE valmistetaan silloittamalla polyeteenin polymeeriketjut muuttamalla termoplastinen materiaali kertamuoviksi. Silloittaminen luo kolmiulotteisen polymeeriverkoston, joka ei sula tai virtaa korkeissa lämpötiloissa – toisin kuin tavallinen polyeteeni tai PVC, jotka pehmenevät asteittain lämpötilan noustessa. Tuloksena on eristysmateriaali, joka on mitoitettu kestämään jatkuvia johtimien lämpötiloja 90 °C (virtakaapelit) ja oikosulkulämpötilat jopa 250°C verrattuna PVC:n 70°C jatkuvaan ja 160°C oikosulkurajaan.

XLPE:n korkeampi lämpötilaluokitus lisää suoraan kaapelin virransiirtokykyä tietyllä johdinkoolla – 95 mm²:n XLPE-eristetyssä kaapelissa kulkee noin 15–20 % enemmän virtaa kuin saman johdinkokoisen PVC-eristyksen kanssa vastaavissa asennusolosuhteissa. XLPE tarjoaa myös erinomaiset dielektriset ominaisuudet, joten se on kaikkien keski- ja korkeajännitekaapeleiden eriste. Sen rajoituksia ovat PVC:hen verrattuna korkeammat materiaali- ja prosessointikustannukset sekä se, että silloittuminen on peruuttamatonta – XLPE-kaapelin katkaisuja ja romua ei voida kierrättää uudelleensulattamalla.

LSZH / LS0H (Low Smoke Zero Halogen)

LSZH-eristys- ja vaippayhdisteet on formuloitu halogeenivapaista termoplastisista tai lämpökovettuvista polymeereistä, jotka perustuvat tyypillisesti polyolefiiniseoksiin, jotka on täytetty alumiinitrihydraatilla (ATH) tai magnesiumhydroksidilla palonestoaineina. Altistuessaan tulelle LSZH-materiaalit vapauttavat vain vähän savua eivätkä tuota halogeenihappokaasuja. Tämä parantaa dramaattisesti selviytymistä ja evakuointiolosuhteita suljetuissa tiloissa: PVC-kaapeleiden palamisesta syntyvä vetykloridi on suurin syy rakennuspalojen toimintakyvyttömyyteen lämmöstä ja liekistä riippumattomia.

LSZH-kaapeleita käytetään tunneleissa, lentokentillä, rautatieasemilla, datakeskuksissa, merivoimien aluksissa ja runsaskäyttöisissä rakennuksissa kehittyneimmillä markkinoilla. Kompromissi PVC:hen verrattuna on korkeammat kustannukset ja joissakin koostumuksissa pienempi joustavuus alhaisissa lämpötiloissa – olennainen asennettaessa kylmään ilmastoon tai kylmään ympäristöön.

EPR (etyleenipropyleenikumi)

EPR on synteettinen kumieristemateriaali, joka tarjoaa erinomaisen joustavuuden laajalla lämpötila-alueella (yleensä −40 °C - 90 °C jatkuvassa lämpötilassa), erinomaisen otsonin, UV-säteilyn ja sään kestävyyden sekä hyvät dielektriset ominaisuudet. EPR-kaapelit säilyttävät joustavuuden kylmissä olosuhteissa, joissa PVC ja XLPE jäykistyvät huomattavasti, mikä tekee EPR:stä ensisijaisen eristeen kaivoskaapeleihin, offshore- ja merisovelluksiin, hitsauskaapeleihin ja kaikkiin asennuksiin, jotka vaativat toistuvaa joustavuutta ulkona tai ankarissa ympäristöissä. EPR:ää käytetään myös eristeenä keskijännitekaapeleissa, joissa sen joustavuus yksinkertaistaa asennusta ruuhkaisilla kaapelireiteillä.

Silikoni kumi

Silikonikumieriste toimii poikkeuksellisella lämpötila-alueella - tyypillisesti -60°C - 180°C jatkuvasti, joidenkin laatujen nimellislämpötila on 200 °C tai yli. Se pysyy joustavana kryogeenisissä lämpötiloissa, joissa useimmat muut eristemateriaalit hauraavat, ja säilyttää sähköiset ominaisuutensa lämpötiloissa, jotka heikentävät PVC:tä tai EPR:ää. Silikonieristettyjä kaapeleita käytetään uunijohdoissa, lämmityselementeissä, ilmailu- ja puolustussovelluksissa sekä korkean lämpötilan teollisuuslaitteissa. Silikonilla on suhteellisen alhainen mekaaninen lujuus verrattuna kovempiin eristysmateriaaleihin, ja se vaatii huolellista käsittelyä pinnan hankauksen välttämiseksi, mutta korkeissa lämpötiloissa se on usein ainoa käyttökelpoinen eristysvaihtoehto.

PTFE (polytetrafluorieteeni)

PTFE tarjoaa suurimman kemiallisen kestävyyden yleisimmistä lankaeristysmateriaaleista – se on olennaisesti inertti kaikille happoille, emäksille ja liuottimille jopa 260 °C:n lämpötiloissa. PTFE-eristettyjä johtoja käytetään laboratorioinstrumenteissa, kemiankäsittelylaitteissa, ilmailu- ja avaruusjohdoissa ja kaikissa sovelluksissa, joissa altistuminen aggressiivisille kemikaaleille tai äärimmäisille lämpötiloille tuhoaisi muita eristemateriaaleja. PTFE on kallis ja vaikea käsitellä, mikä rajoittaa sen käytön erikoissovelluksiin, joissa sen ainutlaatuista ominaisuusyhdistelmää ei voida jäljitellä halvemmilla vaihtoehdoilla.

Magnesiumoksidi (mineraalieriste)

Kuten yllä olevassa kaapelityyppejä koskevassa osiossa on kuvattu, puristettu MgO-jauhe toimii eristysaineena mineraalieristeisissä kaapeleissa. Se on ainoa yleisesti käytössä oleva todella palamaton kaapelieristys – se ei pala, ei päästä kaasuja eikä hajoa palo-olosuhteissa, mikä tuhoaisi kaikki muut eristystyypit. Sen sovellus on erikoistunut, mutta kriittinen aina, kun piirien eheys paloolosuhteissa on hengenturvallisuusvaatimus.

Kuinka asennusympäristö määrittää kaapelin ja eristeen valinnan

Mikään yksittäinen kaapelityyppi tai eristysmateriaali ei ole yleisesti optimaalinen – oikean spesifikaation määrää aina sähkövaatimusten ja fyysisen ympäristön yhdistelmä, jonka kaapelin on säilyttävä koko käyttöikänsä.

• Suora hautaus ilman putkia vaatii panssaroituja kaapeleita (SWA tai AWA), joissa on kestävä ulkovaippa, joka kestää maan kosteutta, maaperän kemikaaleja ja satunnaisia mekaanisia häiriöitä. XLPE-eriste on parempi kuin PVC sen kosteudenkestävyyden ja suuremman virtakapasiteetin vuoksi.
• Suljetut rakennukset ja julkiset tilat vaativat yhä enemmän LSZH-kaapeleita paloturvallisuusmääräysten mukaisesti, erityisesti poistumisteillä, laitostiloissa ja alakattojen yläpuolella, missä kaapeleita kulkee paljon.
• Ulkona näkyvät juoksut vaativat UV-stabiloidut vaipat (musta polyeteeni tai UV-suojattu PVC) ja mekaanisten vaurioiden riskialttiille kaapeleille panssari- tai putkisuojaus.
• Korkean lämpötilan ympäristöt — uunien, moottoreiden tai pakojärjestelmien lähellä — vaativat kaapelit, jotka on mitoitettu ympäristön lämpötilalle plus johtimen lämpötilan nousulle kuormituksen alaisena. Silikoni- tai EPR-eristys määritellään tyypillisesti, kun ympäristön lämpötila ylittää 70 °C.
• Kemiallinen altistuminen — farmaseuttisissa, petrokemian- tai elintarviketehtaissa — saattaa vaatia PTFE-eristettä tai erityisiä seostettuja suojuksia, jotka kestävät läsnä olevia tiettyjä kemikaaleja, sillä tavallinen PVC tai XLPE voi turvota, halkeilla tai menettää dielektrisen eheyden joutuessaan alttiiksi tietyille liuottimille ja öljyille.

Näiden asennusympäristön, kaapelin rakenteen ja eristemateriaalin välisten suhteiden ymmärtäminen on oikean kaapelin määrittelyn perusta. Väärään ympäristöön mitoitetun kaapelin valitseminen on yksi yleisimmistä ennenaikaisen kaapelivian syistä — ja sähkönjakelusovelluksessa kaapelivika tarkoittaa suunnittelemattomia seisokkeja, kallista vaihtoa vaikeapääsyisillä reiteillä ja mahdollisia turvallisuushäiriöitä.