Почему кабели изолируют

Почему кабели изолируются?

В современных электрических системах, за исключением воздушных линий электропередач, установленных на опорах, практически все используемые сегодня кабели изолированы. Степень сопротивления изоляции в кабеле тесно связана с его предполагаемым применением. Изоляция выполняет несколько важных функций. Помимо минимизации потерь энергии в окружающую среду, ее самая важная роль — защита человеческой жизни путем предотвращения поражения электрическим током.

Электричество представляет значительную опасность. Одно случайное прикосновение к живому кабелю может иметь фатальные последствия, не оставляя места для второго шанса. Наши тела являются частичными проводниками электричества. Когда мы контактируем с проводящим электрический ток проводником, электрический ток будет проходить от проводника в наше тело. Учитывая ограниченную проводимость нашего тела, оно не может эффективно рассеивать входящий ток. Когда количество тока превышает терпимость нашего тела, это может привести к фатальному исходу.

Чтобы предотвратить такие трагические случаи в бытовых и промышленных условиях, изоляция кабелей стала необходимым требованием. Изоляция действует как барьер, предотвращающий утечку тока и обеспечивая, чтобы живые электрические компоненты были недоступны, тем самым исключая риск поражения электрическим током.

Что такое изолятор?

Изолятор — это материал или вещество, которое препятствует передаче тепла и электричества. Это сопротивление обусловлено отсутствием свободно перемещающихся электронов в материале. Когда проводники покрыты изоляционными материалами, такими как поливинилхлорид (PVC), они считаются изолированными. Этот процесс, называемый изоляцией, служит для предотвращения рассеивания электрической энергии и сигналов в окружающую среду.

Влияние температуры на изоляционные материалы

Температура оказывает глубокое влияние на электрические свойства различных материалов. В проводниках увеличение температуры приводит к увеличению сопротивления. Напротив, в полупроводниках и изоляторах сопротивление уменьшается по мере повышения температуры. При экстремальных температурных условиях полупроводник может превратиться в лучший проводник, а изолятор может даже проявлять свойства, характерные для полупроводников.

Сопротивление изоляции кабеля

Проводники кабелей заключены в изоляцию соответствующей толщины, чтобы предотвратить утечку тока. Толщина изоляции определяется предназначением кабеля. В кабеле путь утечки тока радиален, и изоляция предлагает радиальное сопротивление потоку тока вдоль всей его длины.

Rins = ρdr/2πrl

Для одножильного кабеля с проводником радиусом r1, внутренней оболочкой радиусом r2, длиной l и изоляционным материалом с удельным сопротивлением ρ, периметр проводника составляет 2πr1. Дифференциальная толщина изоляции обозначена как dr. Сопротивление изоляции Rins можно выразить следующим образом:

Rins = ρ/2πl[loge r2 /r2 ]

Заметим, что Rins обратно пропорционально длине l кабеля, что контрастирует с соотношением R=ρl для сопротивления проводника, где ρ представляет собой удельное сопротивление, постоянное для данного материала.

Некоторые кабели, такие как коаксиальные кабели, имеют несколько изоляционных слоев и несколько жил. В коаксиальных кабелях центральный проводник является основным проводником. Дополнительные жилы предназначены для заземления и защиты от утечки электромагнитных волн и излучения. Коаксиальный кабель состоит из внутреннего проводника, обычно изготовленного из меди из-за ее низкого удельного сопротивления (и иногда покрытого для улучшения характеристик), заключенного в серию изоляционных слоев. Эти слои часто включают диэлектрический материал, фольгу из алюминия или медную оплетку, и внешнюю оболочку из ПВХ. Внешняя оболочка защищает кабель от внешних факторов окружающей среды. Когда к внутреннему проводнику подается напряжение, экран остается на незначительном уровне напряжения.

Коаксиальная конструкция имеет значительные преимущества. Она ограничивает электрические и магнитные поля внутри диэлектрика, минимизируя утечку за пределы экрана. Многие слои изоляции эффективно блокируют внешние электромагнитные поля и излучение, предотвращая помехи. Поскольку проводники с большими диаметрами имеют меньшее сопротивление и испускают меньше электромагнитной утечки, а дополнительная изоляция еще больше снижает такую утечку, коаксиальные кабели с несколькими слоями изоляции идеально подходят для передачи слабых сигналов, которые восприимчивы к помехам.

Особенности изолированного кабеля

Учитывая, что сопротивление изоляции кабеля определяется его дизайнерским назначением, инженеры должны учитывать несколько факторов при проектировании кабелей. Например, коаксиальные кабели требуют обширной изоляции, чтобы предотвратить как утечку мощности, так и выход электромагнитного излучения, часто имея два, три или даже четыре слоя изоляции. Различные кабели разработаны для различных применений, но они обычно имеют следующие ключевые особенности:

• Термостойкость: способность выдерживать высокие температуры без деградации.

• Высокое сопротивление изоляции: минимизация утечки тока и обеспечение электрической безопасности.

• Механическая прочность: устойчивость к порезам, разрывам и абразии, обеспечивающая долгосрочную надежность.

• Отличные свойства: демонстрирует отличные механические и электрические характеристики.

• Химическая стойкость: устойчивость к маслам, растворителям и различным химическим веществам.

• Стойкость к воздействию окружающей среды: непроницаемость для озона и погодных условий, пригодна для использования как в помещении, так и на улице.