Waarom zijn kabels geïsoleerd?
Waarom zijn kabels geïsoleerd?
In moderne elektrische systemen, met uitzondering van bovengrondse hoogspanningskabels die op elektriciteitspalen zijn gemonteerd, zijn bijna alle gebruikte kabels vandaag de dag geïsoleerd. Het isolatieweerstandsniveau in een kabel is nauw verbonden met de bedoelde toepassing. Isolatie vervult meerdere cruciale functies. Naast het minimaliseren van energieverliezen naar de omgeving, is haar belangrijkste rol het beschermen van mensenlevens door elektrocutie te voorkomen.
Elektriciteit vormt een significant gevaar. Een enkele onbedoelde aanraking met een live kabel kan fatale gevolgen hebben, zonder ruimte voor een tweede kans. Onze lichamen zijn gedeeltelijke geleiders van elektriciteit. Wanneer we in contact komen met een stroomvoerende geleider, zal elektrische stroom van de geleider naar ons lichaam stromen. Gezien onze beperkte geleidbaarheid, kan ons lichaam de binnenkomende stroom niet effectief afvoeren. Wanneer de hoeveelheid stroom onze lichamelijke tolerantie overschrijdt, kan dit leiden tot een fataal resultaat.
Om dergelijke tragische ongelukken in huishoudelijke en industriële omgevingen te voorkomen, is kabelisolatie een essentiële vereiste geworden. Isolatie werkt als een barrière, voorkomt stroomlekken en zorgt ervoor dat live elektrische componenten niet toegankelijk zijn, waardoor het risico op elektrocutie wordt uitgesloten.
Wat is een isolator?
Een isolator is een materiaal of substantie dat de stroom van warmte en elektriciteit weerstaat. Deze weerstand komt voort uit het ontbreken van vrije bewegende elektronen in het materiaal. Wanneer geleiders worden bedekt met isolerende materialen, zoals polyvinylchloride (PVC), worden ze geïsoleerd genoemd. Dit proces, bekend als isolatie, dient om elektrische energie en signalen te voorkomen dat ze zich verspreiden in de omringende omgeving.
Effect van temperatuur op geïsoleerde materialen
Temperatuur heeft een ingrijpende invloed op de elektrische eigenschappen van verschillende materialen. Bij geleiders leidt een stijging van de temperatuur tot een toename van de weerstand. Daarentegen tonen halfgeleiders en isolatoren een afname van de weerstand naarmate de temperatuur stijgt. Onder extreme temperatuurcondities kan een halfgeleider veranderen in een betere geleider, en kan een isolator zelfs halfgeleiderachtig gedrag vertonen.
Isolatieweerstand van een kabel
Kabelgeleiders zijn omhuld met isolatie van een passende dikte om stroomlekken te voorkomen. De dikte van de isolatie wordt bepaald door de bedoelde toepassing van de kabel. In een kabel is het pad van de stroomlek radiaal, en biedt de isolatie radiale weerstand tegen de stroom langs de hele lengte.
Rins = ρdr/2πrl
Voor een enkelkernige kabel met een geleider van straal r1, een interne mantel van straal r2, lengte l, en een isolatiemateriaal met weerstand ρ, is de omtrek van de geleider 2πr1. De differentiële dikte van de isolatie wordt aangeduid met dr. De isolatieweerstand Rins kan worden uitgedrukt als:
Rins = ρ/2πl[loge r2 /r2 ]
Opmerkelijk is dat Rins omgekeerd evenredig is met de lengte l van de kabel, wat contrasteert met de relatie R=ρl voor geleiderweerstand, waarbij ρ staat voor weerstand, een materiaalspecifieke constante.
Sommige kabels, zoals coaxiale kabels, hebben meerdere isolatielaagjes en meerdere kernen. In coaxiale kabels dient de centrale draad als primaire geleider. De extra kernen zijn ontworpen voor aarding en om ontsnapping van elektromagnetische golven en straling te voorkomen. Een coaxiale kabel bestaat uit een binnenste geleider, meestal gemaakt van koper vanwege de lage weerstand (en soms vergold voor verbeterde prestaties), omgeven door een reeks isolatielaagjes. Deze laagjes omvatten vaak een dielectrisch materiaal, een aluminiumfolie of koperdraadmantel, en een buitenste PVC-mantel. De buitenste mantel beschermt de kabel tegen externe milieufactoren. Wanneer er een spanning wordt toegepast op de binnenste geleider, blijft de mantel bij een verwaarloosbare spanning.
Het coaxiale ontwerp biedt significante voordelen. Het houdt elektrische en magnetische velden binnen het dielectrische materiaal, waardoor lekkage buiten de mantel wordt geminimaliseerd. De meerdere isolatielaagjes blokkeren effectief externe elektromagnetische velden en straling, waardoor storing wordt voorkomen. Aangezien geleiders met grotere diameter een lagere weerstand hebben en minder elektromagnetische lekkage veroorzaken, en extra isolatie deze lekkage verder reduceert, zijn coaxiale kabels met meerdere isolatielaagjes ideaal voor het overbrengen van zwakke signalen die gevoelig zijn voor storing.
Kenmerken van een geïsoleerde kabel
Aangezien de isolatieweerstand van een kabel wordt bepaald door het ontwerpdoel, moeten ingenieurs bij het ontwerpen van kabels verschillende factoren in overweging nemen. Coaxiale kabels, bijvoorbeeld, vereisen uitgebreide isolatie om zowel stroomlekken als ontsnapping van elektromagnetische straling te voorkomen, vaak met twee, drie of zelfs vier isolatielaagjes. Verschillende kabels zijn ontworpen voor diverse toepassingen, maar delen in het algemeen de volgende belangrijke kenmerken:
Hittebestendigheid: Kan hoge temperaturen weerstaan zonder te degraderen.
Hoog isolatieweerstand: Minimaliseert stroomlekken en garandeert elektrische veiligheid.
Mechanische duurzaamheid: Bestand tegen sneden, scheuren en slijtage, wat langdurige betrouwbaarheid garandeert.
Uitstekende eigenschappen: Toont uitstekende mechanische en elektrische kenmerken.
Chemisch bestendig: Bestand tegen oliën, oplosmiddelen en diverse chemicaliën.
Milieuweerstand: Bestand tegen ozon en weersomstandigheden, geschikt voor gebruik binnen en buiten.
