لماذا يتم عزل الكابلات

لماذا يتم عزل الكابلات؟ 

في الأنظمة الكهربائية الحديثة، باستثناء كابلات نقل الطاقة العلوية المثبتة على أعمدة الكهرباء، فإن几乎所有电缆在使用中都是绝缘的。电缆的绝缘电阻程度与其预期应用密切相关。绝缘具有多种关键功能。除了将能量损失降至最低外，其最重要的作用是通过防止触电来保护人类生命。 电是一个重大的危险。与带电电缆的一次意外接触可能会导致致命后果，没有第二次机会。我们的身体是部分导体。当我们接触到载流导体时，电流会从导体流入我们的身体。由于我们身体的导电性有限，它无法有效地消散进入的电流。当电流超过我们身体的耐受量时，就可能导致致命的结果。 为了防止家庭和工业环境中发生此类悲剧事故，电缆绝缘已成为一项基本要求。绝缘作为屏障，防止电流泄漏，并确保带电电气部件不可触及，从而消除触电风险。

什么是绝缘体？

绝缘体是一种抵抗热和电流传导的材料或物质。这种阻力源于材料内缺乏自由移动的电子。当导体被聚氯乙烯（PVC）等绝缘材料覆盖时，它们就被认为是绝缘的。这个过程称为绝缘，旨在防止电能和信号散发到周围环境中。

温度对绝缘材料的影响

温度对不同材料的电性能有深远影响。在导体中，温度升高会导致电阻增加。相反，半导体和绝缘体在温度升高时电阻会降低。在极端温度条件下，半导体可以转变为更好的导体，而绝缘体甚至可能表现出类似半导体的行为。

电缆的绝缘电阻

电缆导体被适当厚度的绝缘层包裹，以防止电流泄漏。绝缘层的厚度由电缆的预期用途决定。在电缆中，电流泄漏路径是径向的，绝缘层在整个长度上提供径向电阻。

Rins = ρdr/2πrl

对于半径为r1的单芯电缆，内部护套半径为r2，长度为l，绝缘材料的电阻率为ρ，导体的周长为2πr1。绝缘层的微分厚度表示为dr。绝缘电阻Rins可以表示为：

Rins = ρ/2πl[loge r2 /r2 ]

值得注意的是，Rins与电缆长度l成反比，这与导体电阻的关系R=ρl形成对比，其中ρ代表电阻率，这是一个特定于材料的常数。

一些电缆，如同轴电缆，具有多层绝缘层和多个芯线。在同轴电缆中，中心导线作为主要导体。附加的芯线设计用于接地目的，并防止电磁波和辐射的逃逸。同轴电缆由通常由铜制成的内导体（由于其低电阻率，有时镀层以提高性能），包裹在一系列绝缘层中。这些层通常包括介电材料、铝箔或铜线屏蔽层以及外部PVC护套。外部护套保护电缆免受外部环境因素的影响。当电压施加到内导体时，屏蔽层保持在极低的电压。

同轴设计提供了显著的优势。它将电场和磁场限制在介电层内，最大限度地减少了屏蔽层外的泄漏。多层绝缘有效阻挡了外部电磁场和辐射，防止干扰。由于直径较大的导体具有较低的电阻并发出较少的电磁泄漏，额外的绝缘进一步减少了这种泄漏，因此具有多层绝缘的同轴电缆非常适合传输易受干扰的弱信号。

绝缘电缆的特点

鉴于电缆的绝缘电阻由其设计目的决定，工程师在设计电缆时必须考虑多个因素。例如，同轴电缆需要广泛的绝缘以防止电力泄漏和电磁辐射逃逸，通常具有两层、三层甚至四层绝缘。不同的电缆针对各种应用进行工程设计，但它们通常具有以下关键特点：

• 耐热性：能够在高温下不降解。

• 高绝缘电阻：最小化电流泄漏并确保电气安全。

• 机械耐用性：抗切割、撕裂和磨损，确保长期可靠性。

• 优越性能：表现出优异的机械和电气特性。

• 化学耐受性：抗油、溶剂和各种化学品。

• 环境适应性：不受臭氧和天气条件的影响，适合室内和室外使用。

أن المواد العازلة تتميز بمقاومتها لتدفق الحرارة والكهرباء. هذا المقاومة تنبع من عدم وجود إلكترونات حرة المتحركة داخل المادة. عندما يتم تغطية الموصلات بمادة عازلة مثل البولي فينيل كلوريد (PVC)، يقال إنها مُعَزَّلة. هذا العملية، المعروفة بالعزل، تهدف إلى منع طاقة ورسائل كهربائية من التبدد في البيئة المحيطة.

تأثير درجة الحرارة على المواد العازلة

لدى درجة الحرارة تأثير عميق على الخصائص الكهربائية للمواد المختلفة. في الموصلات، يؤدي زيادة درجة الحرارة إلى زيادة المقاومة. على الجانب الآخر، تظهر شبه الموصلات والعوازل انخفاضاً في المقاومة مع ارتفاع درجة الحرارة. تحت ظروف درجة حرارة متطرفة، يمكن أن يتحول شبه الموصل إلى موصل أفضل، وقد تظهر العازل سلوكًا مشابهًا لشبه الموصل.

مقاومة العزل للكابل

يتم تغليف موصلات الكابل بطبقة عازلة ذات سمك مناسب لمنع تسرب التيار. يتحدد سمك العزل حسب الغرض المقصود من الكابل. في الكابل، يكون مسار تسرب التيار شعاعيًا، ويقدم العزل مقاومة شعاعية لتدفق التيار على طول كامل طوله.

Rins = ρdr/2πrl

بالنسبة لكابل ذو نواة واحدة بنصف قطر r1، وغلاف داخلي بنصف قطر r2، وطول l، ومادة عازلة ذات مقاومة رسمية ρ، فإن محيط الموصل هو 2πr1. يتم الإشارة إلى السماكة التفاضلية للعزل بـ dr. يمكن التعبير عن مقاومة العزل Rins كالتالي:

Rins = ρ/2πl[loge r2 /r2 ]

من الجدير بالذكر أن Rins تكون عكسياً تناسبياً مع طول الكابل l، مما يختلف عن العلاقة R=ρl لمقاومة الموصل، حيث ρ تمثل مقاومة الرسمية، وهي ثابت محدد بالمادة.

بعض الكابلات، مثل الكابلات المتماثلة المحور، تحتوي على طبقات عازلة متعددة وأجزاء متعددة. في الكابلات المتماثلة المحور، يعمل السلك المركزي كموصل أساسي. تم تصميم الأجزاء الإضافية لأغراض التأريض ومنع هروب الأمواج الكهرومغناطيسية والإشعاع. يتكون الكابل المتماثل المحور من موصل داخلي، عادة ما يكون مصنوعًا من النحاس بسبب مقاومته المنخفضة (وقد يتم تغطيته لتوفير أداء أفضل)، محاطًا بسلسلة من الطبقات العازلة. غالبًا ما تتضمن هذه الطبقات مادة ديالكتريكية، ودرعًا من الألمنيوم أو النحاس، وغلافًا خارجيًا من PVC. يحمي الغلاف الخارجي الكابل من العوامل البيئية الخارجية. عند تطبيق جهد على الموصل الداخلي، يبقى الدرع عند فولتية ضئيلة.

يوفر التصميم المتماثل المحور مزايا كبيرة. يحصر المجالات الكهربائية والمغناطيسية داخل الديالكتريك، مما يقلل من التسرب خارج الدرع. تعمل الطبقات المتعددة من العزل بشكل فعال على حجب المجالات الكهربائية والمغناطيسية الخارجية والإشعاع، مما يمنع التداخل. بما أن الموصلات ذات الأقطار الأكبر تتمتع بمقاومة أقل وتطلق تسرب كهرومغناطيسي أقل، فإن العزل الإضافي يقلل أكثر من هذا التسرب، وبالتالي فإن الكابلات المتماثلة المحور ذات الطبقات العازلة المتعددة هي مثالية لنقل الإشارات الضعيفة التي تكون عرضة للتداخل.

خصائص الكابل العازل

نظرًا لأن مقاومة العزل للكابل تتحدد من خلال غرضه التصميمي، يجب على المهندسين مراعاة عدة عوامل عند تصميم الكابلات. على سبيل المثال، تتطلب الكابلات المتماثلة المحور عزلًا واسعًا لمنع تسرب الطاقة وهروب الإشعاع الكهرومغناطيسي، غالبًا ما تحتوي على طبقتين أو ثلاث طبقات أو حتى أربع طبقات من العزل. يتم تصميم الكابلات المختلفة لتطبيقات متنوعة، لكنها عادة ما تشارك في الخصائص الرئيسية التالية:

• مقاومة الحرارة: قدرة على تحمل درجات الحرارة العالية دون التدهور.

• مقاومة عزل عالية: تقليل تسرب التيار وضمان السلامة الكهربائية.

• متانة ميكانيكية: مقاومة للقطع والشقوق والخدوش، مما يضمن الثبات طويل الأمد.

• خصائص ممتازة: تظهر خصائص ميكانيكية وكهربائية ممتازة.

• مقاومة الكيميائيات: مقاومة للزيوت والمذيبات والكيميائيات المختلفة.

• تحمل البيئة: مقاومة للأوزون وظروف الطقس، مناسبة للاستخدام الداخلي والخارجي.