Zakaj so kabeli izolirani?

Zakaj so kabeli izolirani?

V sodobnih električnih sistemih, razen nadzemskega prenosa energije na stolpih, so skoraj vsi uporabljeni kabeli izolirani. Stopnja izolacijske odpornosti kabela je natančno povezana z njegovo namensko uporabo. Izolacija opravlja več ključnih funkcij. Poleg zmanjševanja energijskih izgub v okolju je njen najpomembnejša vloga zaščita človeških življenj pred električnim udarom.

Električna energija predstavlja veliko nevarnost. En sam naključni kontakt s podtokožnim kabelom lahko ima smrtno posledico, kar ne dopušča druge priložnosti. Naše telesa so delno vodilne snovi. Ko pridejo v stik z nosilcem toka, tok bo tekla iz vodilca v naše telo. Ker je vodljivost našega telesa omejena, ne more učinkovito dispergirati prihajajočega toka. Ko preseže količina toka toleranco našega telesa, lahko to vodi do smrtne končnice.

Za preprečevanje takšnih tragičnih nesreč v gospodinjstvih in industriji je izolacija kablov postala ključna zahteva. Izolacija deluje kot bariera, ki preprečuje iztekanje toka in zagotavlja, da so podtokožni električni komponenti nedostopni, s tem pa odstranjuje tveganje električnega udarca.

Kaj je izolator?

Izolator je material ali snov, ki se upira pretoku toplote in električnega toka. Ta odpornost izvira iz odsotnosti prosto gibljivih elektronov znotraj materiala. Ko so vodilci pokriti s izolacijskimi materiali, kot je polivinil hlorid (PVC), se pravijo izolirani. Ta postopek, znan kot izolacija, služi za preprečevanje dispergiranja električne energije in signalov v okolje.

Učinek temperature na izolirane material

Temperatura ima globok vpliv na električne lastnosti različnih materialov. V vodilcih povečanje temperature vodi do povečanja upornosti. Nasprotno, polvodilci in izolatori kažejo zmanjšanje upornosti, ko temperatura raste. Pri ekstremnih temperaturah se polvodilec lahko preoblikuje v boljšega vodilca, in izolator lahko celo prikaže obnašanje podobno polvodilcu.

Izolacijska odpornost kabela

Vodilci kablov so opremljeni z izolacijo ustrezne debeline, da se prepreči iztekanje toka. Debelina izolacije je določena glede na namen uporabe kabela. V kabelu je pot iztekanja toka radialna, in izolacija ponuja radialno upornost proti pretoku toka vzdolž vse njegove dolžine.

Rins = ρdr/2πrl

Za enojnožilni kabel z vodilcem polmera r1, notranjim omantom polmera r2, dolžino l in izolacijskim materialom z uporno gostoto ρ, je obseg vodilca 2πr1. Diferencialna debelina izolacije je označena kot dr. Izolacijska odpornost Rins se lahko izrazi kot:

Rins = ρ/2πl[loge r2 /r2 ]

Opomba, Rins je obratno sorazmeren s dolžino l kabela, kar se razlikuje od odnosa R=ρl za upornost vodilca, kjer ρ predstavlja uporno gostoto, materialno specifično konstanto.

Nekateri kabeli, kot so koaksialni kabeli, imajo več izolacijskih slojev in več jedrih. V koaksialnih kabelih centralni vodnik služi kot glavni vodilnik. Dodatna jedra so zasnovana za zemljenje in za ščit pred iztekanjem elektromagnetnih valov in radiacije. Koaksialni kabel sestavlja notranji vodilnik, običajno izdelan iz bakra zaradi njegove nizke uporne gostote (in pogosto plastičen za izboljšano delovanje), obdano z serijo izolacijskih slojev. Ti sloji pogosto vključujejo dielektrični material, aluminijasti foliji ali bakreni žice za ščit, ter zunanjega PVC omanta. Zunanji omant ščiti kabel pred zunanjimi okoljskimi dejavniki. Ko se napetost upori na notranjem vodilniku, ostane ščit pri zanemarljivi napetosti.

Koaksialni zasnovi prinašajo značilne prednosti. Omejujejo električna in magnetna polja znotraj dielektrika, zmanjšujejo iztekanje zunaj ščita. Več izolacijskih slojev učinkovito blokirajo zunanja elektromagnetna polja in radiacijo, preprečujejo motnje. Ker vodilci z večjim premerom imajo nižjo upornost in emitirajo manj elektromagnetnega iztekanja, in dodatna izolacija še zmanjšuje to iztekanje, so koaksialni kabeli z več izolacijskimi sloji idealni za prenos šibkih signalov, ki so ranljivi za motnje.

Lastnosti izoliranega kabela

Ker je izolacijska odpornost kabela določena z njegovim ciljem, morajo inženirji ob razvoju kablov upoštevati več dejavnikov. Koaksialni kabeli, na primer, zahtevajo obsežno izolacijo za preprečevanje iztekanja moči in iztekanja elektromagnetne radiacije, pogosto imajo dva, tri ali celo štiri sloje izolacije. Različni kabeli so zasnovani za različne uporabe, vendar imajo na splošno naslednje ključne lastnosti:

• Odpornost na toplotno: Zmožen je zdržati visoke temperature brez degradacije.

• Visoka izolacijska odpornost: Zmanjšuje iztekanje toka in zagotavlja električno varnost.

• Mehanska trdnost: Uporoten na reze, teče in abrazije, zagotavlja dolgoročno zanesljivost.

• Odlične lastnosti: Prikazuje odlične mehanske in električne karakteristike.

• Upornost na kemikalije: Uporoten na olje, raztopine in različne kemikalije.

• Odpornost na okolje: Neprotni na ozon in vremenske pogoje, primeren za uporabo znotraj in zunaj.