الکترونیک 98 آموزش الکترونیک-رباتیک-برق-برنامه نویسی میکروکنترلرها، رسپبری پای و آردوینو
کابل
در این مطلب از مبحث آموزش برق صنعتی می خواهیم شما را با انواع کابل و استاندارد آن ها در حوزه برق صنعتی و قدرت آشنا کنیم. کابل یک یا چند هادی (تک یا چند رشته ای) است به طوری که هرهادی به وسیله عایق واحد عایق کاری گردیده و مجموعه هادی ها در داخل یک و یا چند پوشش اضافی از مواردی با جنس های مختلف قرار گرفته باشد. در هر کابل ولتاژ روی سطح آخرین عایق از هادی نسبت به زمین صفر ولت و ولتاژ در روی سطح هادی نسبت به زمین برابر با ولتاژ فازی و ولتاژ بین دو هادی در کابل های چند هسته ای یا تک هسته ای، دو و چند تایی موازی هم، ولتاژ خط می باشد.
از کابل ها برای توزیع انتقال الکتریکی در فشار ضعیف_ فشار متوسط و قوی و همچنین از کابل های در برخی موارد جهت کنترل و انتقال سیگنال های الکتریکی استفاده می گردد. در نتیجه جهت انتخاب کابل مناسب و استفاده درست از آن نیاز به مهارت، تخصص کافی، رعایت اصول فنی و شناخت ساختمان داخلی آن می باشد.
ساختمان کابل
ساختمان کابل ها با توجه نوع کاربرد، مقدار و نوع جریان و ولتاژ، تعداد هادی، محل و نوع نصب و موارد دیگر با هم متفاوت می باشد اما به طور کلی همه کابل ها از دو قسمت اصلی هادی و عایق تشکیل شده اند ولی در بعضی مواقع تنها هادی و عایق برای یک کابل مناسب کافی نبوده و از کناف (زره) و شیلد جهت محافظت بیشتر استفاده می کنند. تقسیم بندی کابل ها بر اساس جنس، شکل، سطح مقطع و تعداد هادی ها، عایق، ولتاژ و نوع نصب شان متفاوت می باشد. شکل زیر چند نمونه کابل را نشان می دهد.
هادی کابل
هادی ها جهت عبور جریان الکتریکی با سطح مقطع های استاندارد (نرم شده) و به شکل های گرد و مثلثی، تک رشته و چند رشته ای ساخته می شوند. جنس هادی ها معمولا از مس تقریبا خالص که دارای انعطاف قابل قبولی بوده و یا از آلومینیوم یا آلیاژهای مخصوص آن می باشد. هادی ها باید از نظر استحکام مکانیکی و هدایت الکتریکی مناسب باشند. شکل هادی ها در داخل کابل را با علامت اختصاری زیر در روی کابل مشخص می کنند.
re: گرد تک رشته
rm: گرد چند رشته
Se: مثلثی تک رشته
Sm: مثلثی چند رشته
عایق کابل ها
هادی ها برای جلوگیری از اتصال کوتاه به یکدیگر در کابل های چند رشته ای و جلوگیری از اتصال کوتاه بین هادی ها و زمین و محیط اطراف به موادی به عنوان عایق الکتریکی نیاز دارند. استفاده از عایق دور یک هادی جهت جدایی بین هادی ها به کار می رود. بیشتر عایق های کابل را پلیمر و ندرتا کاعذ آغشته به روغن تشکیل می دهند. جنس و تعداد لایه ها را با توجه به نوع کابل و کاربرد آن انتخاب می کنند. برای محافظت در مقابل نیروهای فیزیکی و آسیب های شیمیایی، یک پوشش خارجی یک لایه و یا چند لایه روی عایق و هادی قرار می گیرد.
مهمترین جنس عایق های کابل عبارتند از
1. عایق پلاستیکی، پروتودور یا پی وی سی (PVC)
محدوده کارکرد حرارتی PVC بین 60 تا 255 درجه سانتی گراد می باشد. کابل های با روکش PVC، دارای پایداری مناسبی در مقابل روغن، اسیدها، قلیاها، نورخورشید، گرما، باد و خراش می باشند. و همچنین تغییر فرمول آن باعث ایجاد یک پوشش خارجی مناسب برای کابل های گوناگون که در شرایط مختلفی هیتند می شود. مانند کابل های آنتن، کابل های کنترل، کابل های روشنایی و کابل های ویژه دفن مستقیم در زمین یا دیوار و …. از مزایای این عایق می توان، غیر قابل اشتعال بودن و ثبات شیمیایی بالا (کهنه نشدن) را نام برد. از این کابل های با عایق PVC، در انتقال و توزیع انرژی الکتریکی کارخانجات و شبکه های الکتریکی تا یک کیلوولت استفاده می گردد.
2. عایق پلی اتیلن PET
پلی اتیلن ویژگی های الکتریکی مناسبی دارد و با توجه به ثبات دی الکتریک بسیار کم آن، مقاومت عایقی بسیار بالایی برای استفاده در مدارات فرکانس بالا دارد. پلی اتیلن بسیار سفت و سخت می باشد . عیب این عایق انعطاف پذیری کم و قابل اشتعال بودن می باشد. که مشکل قابل اشتعال بودن را با استفاده از روکش خارجی PVC حل می کنند. کابل با عایق پلی اتیلن در ولتاژهای بالای KV20 به کار می رود.
3. عایق های لاستیکی مانند تفلون
تفلون دارای خواص الکتریکی، حدود تغییرات وسیع حرارتی و مقاومت شیمیایی بسیار عالی می باشد ولی پایداری مناسبی در برابر تشعشع هسته ای و ولتاژ بالا ندارد. تفلون قابل تزریق بوده و برای تزریق عایق سیم و کابل به صورت طولی به کار می رود. تفلون را تنها باید روی هادی های با پوشش نقره یا نیکل تزریق کرد.
4. کاغذهای آغشته به روغن مخصوص
کابل های با عایق کاغذی اشباع شده، برای ولتاژهای بالا 5/3 تا 63 کیلووات ساخته می شود این نوع کابل را کابل کمربندی نیز می گویند. این کابل فشار قوی و مناسب برای نصب مستقیم در زیرزمین بوده و در محل هایی که امکان زنگ زدگی و خوردگی وجود دارد مانند پمپ بنزین ها و مناطق نفتی نباید استفاده گردد.
رنگ عایق کابل ها
برای جلوگیری از اشتباه و تشخیص سیم کابل ها از یکدیگر، عایق سیم های هادی را در رنگ های مختلف انتخاب می کنند که با توجه به تعداد هادی ها در داخل کابل و استاندارد ساخت کابل متفاوت می باشد. جدول زیررنگ بندی عایق سیم ها را مطابق با استاندارد VDE و موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران نشان می دهد.
برای شناسائی رنگ عایق سیم های کابل جهت هماهنگ سازی از علامت گذاری جدید روی کابل ها استفاده می کنند که در جدول های زیر این کدها آورده شده است. هسته های رنگی باید به صورت زیر استفاده شود. سبز_زرد باید همواره به عنوان هادی حفاظتی استفاده شود. این هسته در هیچ کاربرد دیگری نباید استفاده گردد. هسته آبی به عنوان هادی خنثی استفاده می شود. از این هسته می توان مطابق نیاز استفاده نمود، اما نه به عنوان هادی حفاظتی. اگر کابل مربوطه به منبع تغذیه سیستم های مخابراتی باشد از هسته سبز_زرد باید به طور مشخص به عنوان هادی حفاظتی استفاده شود.
رنگ عایق سیم های کابل
شناسائی رنگ عایق سیم های کابل
غلاف (زره) کابل ها
گاهی کابل ها تحت فشارهای زیاد مکانیکی و یا عوامل محیطی قرار می گیرند و هادی های عایق دار یا فیبرهای نوری آن ها، به دلیل عدم حفاظت کافی از بین می روند، غلاف که معمولا از جنس فلز(مس _ سرب _ فولاد روی اندود و آلومینیوم )، کاغذ و مواد پلاستیکی به ویژه PVC است، به صورت یکنواخت بر روی کابل کشیده می شود تا با جلوگیری از فشار مکانیکی و عوامل جوی، عمر مفید و ایمنی آن را تضمین کند. به چند نمونه از غلاف در زیر اشاره می شود.
1. غلاف بافته شده
غلاف بافته شده یکی از بهترین غلاف های است که از کابل محافظت می کند که ممکن است غلاف بر روی هادی ها و یا به طور کلی به عنوان پوشش خارجی کابل مورد استفاده قرار گیرد.
2. غلاف یکپارچه موج دار و بدون درز
غلاف یکپارچه موج دار و بدون درز از نوارهای آلومینیومی ساخته شده که در امتداد کابل به صورت مارپیچ تابیده می شود طوری که هیچ درزی بین نوارها وجود ندارد. این غلاف به صورت یک لوله با لبه های دندانه دار به دور کابل تابیده شده است و در برابر، رطوبت، مواد شیمیایی و فشارهای فیزیکی بسیار مقاوم است.
3. بافت حصیری
غلاف با بافت حصیری شکل، پوشش سختی است که به صورت سیم های فلزی (فولاد_ آلومینیوم یا برنز) دور کابل بافته شده است معمولا این نوع غلاف فلزی به دلیل پایداری عالی در برابر فشارهای زیاد مکانیکی و وزن کمتر آن نسبت به زره های دیگر، برای روکش کابل های کشتی استفاده می شود.
4. غلاف سربی
غلاف سربی به دلیل پایداری مناسب در برابر رطوبت در تاسیسات زیرزمینی، کانال ها و لوله های ویژه عبور کابل به کار می رود. همچنین این نوع غلاف در برابر اسیدهای خورنده نیز مقاوم می باشد.
5. زره سیمی
بیشترین کاربرد زره سیمی برای کابل های دریایی می باشد و دلیل آن پایداری مناسب در برابر فشارهای مکانیکی در بنادر، لنگرگاه ها سنگ های تیز و کوسه می باشد. این غلاف از مفتول هایی با قطره mm 0.3-0.6 که به طور مارپیچ دور کابل تابیده شده تشکیل شده است و روی آن با نوعی قیر ویژه پوشانده شده که کابل را در برابر خوردگی اسید محافظت می کند.
پوشش محافظ (شیلد) کابل
پوشش محافظ (شیلد) کابل های الکتریکی، از به وجود آمدن میدان الکتریکی بین یک هادی با هادی های دیگر جلوگیری می کند و برای کابل های با روکش، غیر فلزی در مدارهای با ولتاژهای بالای 2000 ولت (کابل های تک هادی) و 5000 ولت (کابل های چند هادی)، کابل های کنترل و کابل های سیگنال های صوتی و تصویری به کار می رود. شیلد باید از فشار بیش از حد ولتاژ میان هادی ها جلوگیری کند و همچنین به عایق چسبیده باشد و در هر شرایطی پایداری خود را حفظ کند.
کابل های نصب شده در لوله های غیر فلزی و فلزی، مستهلک می شوند که استفاده از شیلد تا حدودی مانع از آن می شود. همچنین در سطح کابل های فاقد شیلد به دلیل امکان وجود لایه ای نمناک یا پوشیده از دوده، گریس ها یا چربی ها، احتمال انتقال ولتاژ وجود دارد. برای کابل های که مستقیما در زیر زمین و یا در مجراها و کانال های غیر فلزی به کار رفته اند استفاده از پوشش محافظ (شیلد) مفید می باشد.
در استفاده از شیلد باید به نکات زیر توجه کرد
1: شیلد باید سراسر عایق را بپوشاند و در هیچ جای آن گسستگی وجود نداشته باشد.
2: انتهای شیلد و نقطه اتصال آن به مفصل باید با یک شیوه مناسب طوری که تحت فشار نباید نصب شود.
3: در مفصل های عایق باید شیلد طوری نصب شود که اتصال ولتاژ در سراسر شیلد فلزی برقرار باشد.
4: شیلد روی کابل باید در یک یا چند نقطه (هرجا که امکان پذیر باشد) به زمین متصل باشد. اتصال سیم انعطاف پذیر زمین و یا زنجیر با مقاومت کم به شیلد، کارایی آن را تضمین می کند. 5: شیلد می تواند به عنوان غلاف هم به کار می رود.
اهداف کاربرد شیلد در کابل ها
1: محافظت از کابل ها در مقابل تکان های شدید و کاهش خطر
2: حفظ مقاومت دی الکتریک و جلوگیری از جهش پوستی غلاف کابل به زمین
3: توزیع یکنواخت فشارهای الکتریکی در سراسر عایق و کاهش فشار در متراژ زیاد
4: مطابقت محدوده ولتاژ با میدان الکتریکی کابل ها
5: محافظت از کابل های که در مکان های مرتفع نصب شده اند یا در مقابل عوامل القایی می باشند.
6: محدود کردن تداخل های رادیویی
7: کم کردن خطر شوک (در صورتی که کابل ها به زمین متصل نشده باشند خطر شوک افزایش پیدا می کند)
استانداردهای کابل
در تاسیسات الکتریکی و سیستم های سیم بندی آن ها، باید از کابل های که منطبق بر استانداردهای مربوطه باشد استفاده نمود این استانداردهها عبارتند از:
1- 0289 IEC 60050/DIN VDE
شامل تعاریف کابل ها، سیم ها و کابل های قابل انعطاف پذیر برای تاسیسات قدرت
2- HD 186، HD308، HD 402، IEC 60446، DIN VDE 0293
شامل شناسایی هسته ها در کابل و کابل های قابل انعطاف در تاسیسات قدرت با ولتاژ نامی تا 1000V
3- HD 3836، IEC 60228، DIN VDE 0295
شامل هادی های کابل، سیم ها و کابل های قابل انعطاف برای تاسیسات قدرت
4- HD 21، IEC 60227، DIN VDE 281
شامل کابل های PVC، سیم ها و کابل های قابل انعطاف برای تاسیسات قدرت با ولتاژ نامی 450/750V
5_ 0250 DIN VDE
شامل کابل ها، سیم ها و کابل های قابل انعطاف برای تاسیسات قدرت
6- HD 22، IEC 60245، DIN VDE 282
شامل کابل های عایق شده با لاستیک برای ولتاژهای نامی تا 450/750V
7- HD 603، IEC 60502، DIN VDE 273-603
شامل کابل های توزیع با ولتاژ نامی 0/6/1 U0/U
8- HD 62D، DIN VDE 0276-620
شامل کابل های توزیع با ولتاژ نامی KV (7/2) U0/U 3/6/6 تا KV 20/8/36
9- EN 60811، IEC 60811، DIN VDE 0473
شامل مواد عایق و غلاف کابل های الکتریکی
روش های تست متداول این استانداردها دربرگیرنده انواع کابل برای نصب ثابت و تجهیزات الکتریکی پرتابل می باشند، آن ها همچنین شامل مشخصات مربوط به ساختار کابل، ویژگی ها، روش های تست و نیز اطلاعاتی در مورد کاربرد آن ها می باشند.
شناسایی کابل ها از روی علامت
کابل ها دارای علامت هایی هستند که در تمام کشورهایی که از کمیته اروپایی، استاندارد سازی اروپا (CENELEC) تبعیت می کنند مشابه می باشند. این علامات فقط مربوط به استانداردهای هماهنگ است که در جدول ( ظرفیت عبور جریان) به طور کامل آورده شده است که به سه بخش تقسیم می گردد.
بخش اول: مربوط به علامت استاندارد و ولتاژهای نامی می باشد.
بخش دوم: نوع عایق، غلاف کابل، ساختارهای ویژه و نوع هادی را مشخص می کند.
بخش سوم: تعداد هادی، مشخصات هادی محافظ و سطح مقطع کابل را نشان می دهد.
مثال
مشخصات کابل های زیر را بنویسید؟
1_ H07_U 1/5 BU
پاسخ: کابل با عایق PVC، تک هسته ای ، بدون غلاف، سطح مقطع 1/5mm2 ، با هسته آبی رنگ با ولتاژ نامی 450/750V
2_ H07RN _ F3G2/5
پاسخ: عایق لاستیک 07RN، کابل قابل انعطاف 3 هسته ای برای تنش متوسط مکانیکی 2/5mm2 با هسته سبز_ زرد (هادی حفاظتی) با ولتاژ 450/750V
3_ H03VV_ F2X 0/75
پاسخ: عایق 03VV PVC ، کابل قابل انعطاف 2 هسته ای غلاف دار برای تنش های مکانیکی کم 0.75mm2 بدون هسته سبز_زرد (هادی حفاظتی) با ولتاژ 300/300V
علامت کابل ها در استاندارد قدیم VDE با حروف جدول زیر مشخص می گردد.
مثال
مشخصات کابل های زیر را بنویسید؟
1_ NYY 3× 35 + 16 rm 0.6/1 KV
پاسخ: کابل نرم شده مسی با عایق پروتودور و روکش پروتودور با سه رشته هادی اصلی با مقطع 35mm2 و یک رشته هادی سیم صفر (نول) با سطح مقطع 16mm2 به صورت گرد رشته ای برای ولتاژ فازی 0.6kv (فاز زمین) و ولتاژ خط 1KV (ولتاژ فاز به فاز)
2_ NYCYffGbY 3×120sm 3.5/6KV
پاسخ: کابل سه رشته با سطح مقطع 120mm2 به شکل مثلثی و چند رشته، با عایق PVC که بر روی مجموعه سه سیم یک غلاف مسی کشیده شده که به عنوان سیم نول استفاده می شود، و روی غلاف مسی لایه عایق PVC برای حفاظت در برابر ضربات مکانیکی، از دو ردیف زره فولادی به صورت نوارهای تخت استفاده می شود و بانداژ فولادی نیز بر روی آن ها قرار می گیرد.
ولتاژ هر فاز نسبت به زمین 3/5KV و ولتاژ بین دو فاز 6KV می تواند باشد.
نمونه ای از کابل همراه با علامت اختصاری
انتخاب کابل
در انتخاب یک کابل مناسب علاوه بر رعایت استانداردهای مربوط به کابل ها، مقررات ویژه بخش عمومی در مواردی که وجود داشته باشد و یا سازمانهای بازرسی ( مثل کارخانجات، فروشگاه ها، معادن، ….) نیز باید رعایت گردند. برای این که کابل انتخاب شده در یک سیستم بتواند بدون اشکال و با طول عمر نامی، وظیفه خودش را انجام دهد. به غیر از موارد ذکر شده در بالا، باید نکات زیر نیز در انتخاب کابل رعایت گردد.
ولتاژ نامی
ولتاژ نامی یک کابل قدرت، ولتاژی است که بر اساس آن ساخته می شود. و تست های تعیین مشخصات الکتریکی در آن ولتاژ انجام می گیرد، ولتاژ نامی بر حسب دو مقدار ولتاژ U0/U) AC) بیان می گردد که:
U0: مقدار موثر (r.m.s) ولتاژ قابل تحمل بین هادی خارجی و زمین (محیط غیر عایق)
U: مقدار موثر ( r.m.s) ولتاژ قابل تحمل بین دو فاز در کابل های چند هسته ای و یا ولتاژ بین دو فاز سیستمی که از کابل های تک هسته ای استفاده می کنند.
در سیستم های AC، ولتاژ نامی کابل باید حداقل برابر با ولتاژ اسمی سیستمی که در آن استفاده می گردد باشد. این مطلب در مورد مقادیر U و U0 نیز صادق است.
در سیستم های جریان مستقیم (DC) ولتاژ اسمی سیستمی نباید بیشتر از 1/5 برابر ولتاژ نامی کابل باشد.
ولتاژ کار
ولتاژ کار، ولتاژ بین هادی ها و یا بین هادی و زمین در تاسیسات قدرت تحت شرایط کار نرمال است.
ولتاژ کار پیوسته مجاز
کابل های با ولتاژ نامی U0 /U ˃، 0.6/1 KV برای استفاده در سیستم های سه فاز AC و سیستم های DC مناسب می باشند، که حداکثر ولتاژ پیوسته مجاز در آن ها ولتاژ نامی کابل، بیش از مقادیر زیر تجاوز ننماید:
برای کابل های با ولتاژ نامی U0 /U ˂، 750/450 KV برابر 10%
برای کابل های با ولتاژ نامی U0 /U 0 =.6/1 KV برابر 20%
ولتاژ کار پیوسته مجاز در سیستم های DC بین هادی ها نباید از ولتاژ کار مجاز AC ، بیش از ضریب 1/5 برابر تجاوز نماید.
در سیستم های DC با اتصال زمین تک فاز، این مقدار باید در ضریب 0.5 ضرب گردد.
مفهوم U0 و Ub در کابل ها و سیستم های مختلف
طرز نصب
الف) مراحل تعیین سطح مقطع کابل برای نصب در هوا
ب ) مراحل تعیین سطح مقطع کابل برای نصب در زمین
الف) مراحل تعیین سطح مقطع کابل برای نصب در هوا
انواع نصب ثابت کابل ها را با توجه به استانداردهای مورد قبول به صورت های کلی زیر تقسیم بندی می کنند:
نصب نوع A: نصب در دیوارهای عایق حرارتی
نصب نوع B: نصب در داخل کانال یا داکت خارج و داخل دیوار
نصب نوع C: نصب مستقیم خارج و یا داخل دیوار یا زیر گچ
نصب نوع E: نصب در هوای ازاد
شرایط کار
مقادیر ظرفیت عبور جریان همواره بر اساس شرایط کار و نوع نصب تعرف شده تعیین می گردد. که در جدول زیر مثال های برای نوع نصب همراه با شرایط کار کابل آورده شده است.
علاوه بر انواع نصب نشان داده شده در جدول فوق روش های بسیاری در نصب کابل ها در صنعت به کار برده می شود، در جدول زیر انواع نصب و روش های نصب برای تعیین ظرفیت عبور جریان اشاره شده است.
انواع نصب و روش های نصب کابل برای تعیین ظرفیت عبور جریان
ظرفیت عبور جریان
سطح مقطع انتخاب شده کابل باید به گونه ای باشد که جریان بار تحت شرایط کار نرمال از ظرفیت عبور جریان هادی تجاوز ننماید و دمای هیچ بخشی از کابل در هیچ زمانی از دمای حداکثر مجاز، بیشتر نشود.
افزایش دمای کابل و یا ظرفیت عبور جریان کابل با سطح مقطع مشخص، به ساختار، خواص مواد آن و شرایط خاص کاری بستگی دارد شرایط کار هرچه باشد مورد زیر باید همواره رعایت شود.
ظرفیت عبور جریان کابل Ib ˂ Iz جریان بار
جریان نامی
مقدار جریانی است که در شرایط کار نرمال، کابل می تواند تحمل نماید بدون این که مشخصات کابل تغییر یابد. ظرفیت عبور جریان کابل از حاصلضرب جریان نامی ( جریان انتخاب شده از جداول) در ضرایب تصحیح به دست می آید. جریان نامی برای کابل های با درجه حرارت کار مجاز 70 درجه سانتیگراد برای انواع نصب از جدول زیر و کابل های با درجه حرارت کار مجاز 90 درجه برای انواع نصب با توجه به جدول های زیر به دست می آید.
مقادیر مشخص شده در جدول برای دمای حداکثر 30 درجه سانتیگراد صادق است.
