Miksi kaapelit on eristetty?

Miksi kaapelit on eristetty?

Nykyisissä sähköjärjestelmissä, paitsi sähkypylväille kiinnitettyihin ilmakulku-voimansiirto-kaapeliin, lähes kaikki nykyään käytössä olevat kaapelit ovat eristettyjä. Kaapelin eristysvastuksen taso on tiiviisti sidoksissa sen tarkoitukseen. Eristys täyttää useita kriittisiä tehtäviä. Sen päätehtävänä on suojella ihmishenkiä sähköiskujen aiheuttamalta vaaralta, mutta se myös vähentää energian menetyksiä ympäristöön.

Sähkö muodostaa merkittävän vaaran. Yhdenkin epähuomiossa tapahtuneen kosketuksen elossa olevaan kaapeliin voi olla kuolemaan johtava seuraus, joka ei jätä toista mahdollisuutta. Ihmisruumiimme on osittainen sähkönjohtaja. Kun tulemme kosketuksessa sähkövirran kuljettaan johtoon, sähkövirta virtaa johtimesta ruumiiseemme. Ruumiimme rajallisen sähkönjohtavuuden vuoksi se ei kykene tehokkaasti levittämään tulevaa sähkövirrata. Kun sähkövirran määrä ylittää ruumiimme kestävyysrajat, se voi johtaa kuolemaan.

Tällaisien traagisten onnettomuuksien estämiseksi kotitalous- ja teollisuusympäristöissä kaapelitekniikan eristys on tullut oleelliseksi vaatimuksena. Eristys toimii esteenä, estäen virran vuotoa ja varmistamalla, että elossa olevia sähkökomponentteja ei voida koskea, mikä poistaa sähköiskun riskin.

Mikä on eristin?

Eristin on materiaali tai aine, joka vastustaa lämmön ja sähkön virtausta. Tämä vastus johtuu materiaalin puuttuvista vapaina liikkuvista elektroneista. Kun johtimet peitellään eristeillä, kuten polyvinyylikloridilla (PVC), niitä kutsutaan eristetyiksi. Tämä prosessi, tunnetaan eristykseksi, estää sähköenergian ja signaalit häipyvän ympäristöön.

Lämpötilan vaikutus eristettyihin aineisiin

Lämpötilalla on syvä vaikutus eri aineiden sähköisiin ominaisuuksiin. Johtimissa lämpötilan nousu johtaa vastuksen kasvuun. Toisaalta, puolijohtimissa ja eristeissä vastus pienenee, kun lämpötila nousee. Äärimmäisissä lämpötilaolosissa puolijohtin voi muuttua paremmaksi johtimeksi, ja eristin saattaa näyttää puolijohtimaan kaltaista käytöstä.

Kaapelin eristysvastus

Caapelin johtimet on peitelty sopivasti pätkyä eristysmateriaalilla virran vuodon estämiseksi. Eristyksen paksuus määräytyy kaapelin tarkoituksesta. Kaapelissa virran vuodon reitti on radiaalinen, ja eristyksen tarjoama vastus ulottuu kaapelin koko pituudelle.

Rins = ρdr/2πrl

Ytimellä r1, sisäisellä kuorilla r2, pituudella l, ja eristysmateriaalilla, jonka resistiviteetti on ρ, johtimen piiri on 2πr1. Eristyksen differentiaalinen paksuus on dr. Eristysvastus Rins voidaan ilmaista:

Rins = ρ/2πl[loge r2 /r2 ]

Huomioitavaa on, että Rins on käänteisesti verrannollinen kaapelin pituuteen l, mikä eroaa johtimen vastuksen suhteesta R=ρl, missä ρ edustaa resistiviteettia, materiaalispecifista vakioa.

Jotkut kaapelit, kuten koaksiaalisuuntaiset kaapelit, sisältävät useita eristyskerroksia ja useita ytimiä. Koaksiaalisuuntaisissa kaapeleissa keskikohta toimii pääjohtimena. Lisäytimet on suunniteltu maareittelemiseen ja suojaukseen sähkömagneettisten aaltojen ja säteilyntekijöiden pääsemisen estämiseksi. Koaksiaalisuuntaisessa kaapelissa on sisäinen johtin, tyypillisesti kuparin valmistama, jota ympäröivät useat eristyskerrokset. Nämä kerrokset sisältävät usein dielektriikin, alumiinin folion tai kuparin langan suojakerroksen sekä ulkoisen PVC-pintakerroksen. Ulkoisen kerroksen avulla kaapeli suojataan ulkopuolisilta ympäristötekijöiltä. Kun jännite annetaan sisäiselle johtimelle, suojakerros pysyy vähäisellä jännitteellä.

Koaksiaalisuuntainen suunnitelma tarjoaa merkittäviä etuja. Se rajoittaa sähkö- ja magneettikentät dielektriikin sisälle, minimoiden vuodon suojakerroksen ulkopuolelle. Useat eristyskerrokset estävät tehokkaasti ulkopuolisten sähkömagneettisten kenttien ja säteilyn pääsyn, estäen häiriöt. Koska suurempi halkaisija johtimissa johtaa pienempään vastukseen ja vähemmän sähkömagneettiseen vuotoon, lisäeristyksen avulla koaksiaalisuuntaiset kaapelit, jotka sisältävät useita eristyskerroksia, ovat ideaaleja heikkojen signaalien siirtämiseen, jotka ovat alttiina häiriölle.

Eristettyjen kaapelien ominaisuudet

Koska kaapelin eristysvastus määräytyy sen suunnittelutarkoituksesta, insinööritidän ottaa huomioon useita tekijöitä kaapelin suunnittelussa. Koaksiaalisuuntaisissa kaapeleissa esimerkiksi vaaditaan laajaa eristystä, jotta estetään sekä voiman vuoto että sähkömagneettisen säteilyn pääsy, ja ne usein sisältävät kaksi, kolme tai jopa neljä eristyskerrosta. Erilaisia kaapeleita on suunniteltu monipuolisiin sovelluksiin, mutta ne yleensä jakavat seuraavia keskeisiä ominaisuuksia:

• Lämpökestävyys: Kykenee kestämään korkeita lämpötiloja ilman rappeutumista.

• Korkea eristysvastus: Vähentää virran vuotoa ja takaa sähköisen turvallisuuden.

• Mekaaninen kestävyys: Vastaantuu leikkauksia, revityksiä ja kitua, takaa pitkäaikaisen luotettavuuden.

• Erinomaiset ominaisuudet: Näyttää erinomaisia mekaanisia ja sähköisiä ominaisuuksia.

• Kemiallinen vastu: Vastaantuu öljyjä, liuottimia ja erilaisia kemikaaleja.

• Ympäristöllinen kestävyys: On vastahakuinen ozoniin ja sääoloihin, sopiva sekä sisä- että ulkotarpeisiin.