Proč jsou kabely izolovány

Proč jsou kabely izolovány?

V moderních elektrických systémech, s výjimkou nadzemních přenosových kabelů umístěných na elektrických stožárech, jsou téměř všechny dnešní používané kabely izolovány. Stupeň odporu izolace v kabelu je pečlivě spojen s jeho určením. Izolace plní několik klíčových funkcí. Kromě minimalizace ztrát energie do okolí je její nejdůležitější úloha ochrana lidských životů před elektrickým šokem.

Elektrina představuje značné nebezpečí. Jediný náhodný kontakt s aktivním kabelem může mít fatální následky, aniž by byla možnost druhé šance. Naše těla jsou částečnými vodiči elektrického proudu. Pokud se dotkneme vodiče, kterým prochází proud, elektrický proud bude proudit z vodiče do našeho těla. Vzhledem k omezené vodivosti našeho těla nemůže efektivně rozptýlit přicházející proud. Pokud množství proudu překročí tolerance našeho těla, může to vést k smrtelnému výsledku.

Aby bylo možné zabránit takovým tragickým nehodám v domácnostech a průmyslových prostředích, se izolace kabelů stala nezbytným požadavkem. Izolace funguje jako bariéra, která brání unikání proudu a zajistí, že živé elektrické součástky nebudou dostupné, což eliminuje riziko elektrického šoku.

Co je izolátor?

Izolátor je materiál nebo látka, která odolává toku tepla a elektřiny. Toto odporové chování vychází z absence volně pohyblivých elektronů uvnitř materiálu. Když jsou vodiče pokryty izolačními materiály, jako je polyvinylchlorid (PVC), říká se, že jsou izolovány. Tento proces, známý jako izolace, slouží k tomu, aby se zabránilo unikání elektrické energie a signálů do okolního prostředí.

Vliv teploty na izolační materiály

Teplota má významný dopad na elektrické vlastnosti různých materiálů. U vodičů zvyšuje teplota odpor. Naopak polovodiče a izolátory ukazují snížení odporu s rostoucí teplotou. Za extrémních teplotních podmínek může polovodič přejít do lepšího vodiče a izolátor může dokonce vykazovat chování podobné polovodiči.

Izolační odpor kabelu

Vodiče kabelů jsou obalené izolací vhodné tloušťky, aby se zabránilo unikání proudu. Tloušťka izolace je určena určením kabelu. V kabelu je cesta unikajícího proudu radiální a izolace nabízí radiální odpor toku proudu po celé délce kabelu.

Rins = ρdr/2πrl

Pro jednovláknový kabel s vodičem o poloměru r1, vnitřním pláštěm o poloměru r2, délkou l a izolačním materiálem s vodivostí ρ, je obvod vodiče 2πr1. Diferenciální tloušťka izolace je označena jako dr. Izolační odpor Rins lze vyjádřit jako:

Rins = ρ/2πl[loge r2 /r2 ]

Je důležité poznamenat, že Rins je nepřímo úměrný délce l kabelu, což kontrastuje s vztahem R=ρl pro odpor vodiče, kde ρ reprezentuje specifickou vodivost, materiálovou konstantu.

Některé kabely, jako jsou koaxiální kabely, mají více izolačních vrstev a více vodičů. U koaxiálních kabelů slouží centrální drát jako hlavní vodič. Další jádra jsou navržena pro zemnění a ochranu proti uniku elektromagnetických vln a záření. Koaxiální kabel se skládá z vnitřního vodiče, obvykle vyrobeného z mědi kvůli její nízké vodivosti (a někdy opatřeného povlakem pro zlepšení výkonu), obaleného sérií izolačních vrstev. Tyto vrstvy často zahrnují dielektrický materiál, hliníkovou folii nebo měděnou plotnu a vnější PVC plášť. Vnější plášť chrání kabel před externími environmentálními faktory. Když je na vnitřní vodič aplikováno napětí, plát zůstává na zanedbatelném napětí.

Koaxiální design nabízí významné výhody. Zabírá elektrická a magnetická pole uvnitř dielektrika, minimalizuje unikání ven ze štítu. Více vrstev izolace efektivně blokuje externí elektromagnetická pole a záření, zabráňuje interferenci. Protože vodiče s větším průměrem mají nižší odpor a emitují méně elektromagnetického uniku, a další izolace dále snižuje tento unik, jsou koaxiální kabely s více izolačními vrstvami ideální pro přenos slabých signálů, které jsou zranitelné vůči interferenci.

Vlastnosti izolovaného kabelu

Vzhledem k tomu, že odpor izolace kabelu je určen jeho návrhovým určením, musí inženýři při návrhu kabelů zohlednit několik faktorů. Například koaxiální kabely vyžadují rozsáhlou izolaci, aby zabránily jak uniku energie, tak uniku elektromagnetického záření, často s dvěma, třemi nebo dokonce čtyřmi vrstvami izolace. Různé kabely jsou navrženy pro různé aplikace, ale obecně sdílejí následující klíčové vlastnosti:

• Odpornost na teplo: Schopnost odolat vysokým teplotám bez degradace.

• Vysoký izolační odpor: Minimalizuje unikání proudu a zajišťuje elektrickou bezpečnost.

• Mechanická trvanlivost: Odolná proti řezání, trhání a otírání, zajišťuje dlouhodobou spolehlivost.

• Vynikající vlastnosti: Projevuje vynikající mechanické a elektrické charakteristiky.

• Chemická odpornost: Odolná proti olejům, rozpouštědlem a různým chemikáliím.

• Odolnost vůči prostředí: Neprolnitelná pro ozon a počasí, vhodná pro použití v interiéru i exteriéru.