Elektronika | Felsőoktatás » A kábelek szerkezete, kábeltípusok

A kábelek szerkezete, kábeltípusok A különleges célokra alkalmas kábelektől eltekintve, az erősáramú kábelnek 3 fő szerkezeti része van: a vezető (vagy vezetők), a szigetelés, és a védőburkolat. A kábelszerkezet e három fő részen belül igen változatos a vezetékek számától és a szigetelőanyag jellegétől függően. A most ismertetésre kerülő kábelszerkezet egyes elemei egyes típusoknál el is maradhatnak. Az ún. erősáramú – azaz energiaátviteli – kábel szerkezete különböző attól függően, hogy egyerű vagy háromerű, illetve hogy hagyományos itatott papírszigetelésű ún. ólomköpenyű kábel vagy modern műanyag szigetelésű kábel. Ezért itt, ahol a villamos jellemzők számításához szükséges kábelszerkezetet tárgyaljuk csak a hagyományos itatott papírszigetelésű és a korszerű térhálósított polietilén szigetelésű kábelre térünk ki. A klasszikus kábelszerkezet (1. ábra) a következő: A kábel vezető

(1) ereit (Al vagy Cu, tömör, vagy sodrott) egyenként a feszültségtől és a vezető keresztmetszetétől függően különböző vastagságú szigetelés, az érszigetelés (2) burkolja. A szigetelt kábelereket – az erek közötti hézagokat kitöltő anyaggal (3) kerekre kiegészítve – a kellő hajlékonyság biztosítására nagy menetemelkedésű kábelszerkezetté sodorják össze. Az érsodratot az övszigetelés (4) fogja össze, és szigeteli el a legtöbb esetben fémből (ólom vagy alumínium) készült kábelköpenytől (5). A kábelszerkezet kábelköpenyig levő részét kábelléleknek is nevezik. A kábelköpenyt, vagy az azt helyettesítő egyéb köpenyszerkezetet mechanikai behatások elleni védelemül páncélozással (7) kell ellátni. A páncélozás rugalmas alátámasztására szolgál a párnázó réteg (6). A páncélzat ill a köpeny korróziós- és egyéb külső hatások elleni védelméül szolgál a kábelszerkezet legkülső burkolata, egy

bitumenes juta tekercselés (8). 1 ér (Al. vagy Cu; sodrony v tömör) 2 érszigetelés 3 kitöltő anyag 4 övszigetelés 5 ólom vagy Al köpeny 6 párnázó réteg ( papír v. juta) 7 acél páncélzat 8 korrózió védő külső burkolat j t ) kábel szerkezetek a) egyerű, b) háromerű 1. ábra(bit Hagyományos 1 vezető, 2 érszigetelés, 3 kitöltő anyag, 4 övszigetelés, 5 ólomköpeny, 6 párnázó réteg, 7 vasszalag páncélzat, 8 bitumennel telített juta. 1 Egy egyszerű térhálósított PE (XLPE) szigetelésű kábel szerkezetét mutatja a 2. ábra A vezető (1) tömörített alumínium vagy réz sodrat szerkezetű, az érszigetelés (3) térhálósított polietilén, a vezetőárnyékolás (2) és a szigetelésárnyékolás (4) extrudált félvezető polietilén. Ez a két sima, koncentrikus hengerfelület képező vezetőképes réteg a szigetelés jól méretezhető hengerkondenzátornak megfelelő kialakítását biztosítja. A szigetelésárnyékolást

félvezető karbonpapír (5) borítja, amely korszerű kábelszerkezeteknél olyan duzzadóképes szalag, amely nedvesség behatolása esetén (mintegy dugóként) hosszirányú vízzárást biztosít. Erre a rétegre koncentrikus rézvezetők (6) kerülnek, amelyet rézszalag (7) szorít le A védőburkolat (8) polipropilén szalagtekercselés – egyes gyártók a keresztirányú vízzárás biztosítására e helyen alumínium fóliatekercselést alkalmaznak –, amelyet utolsó rétegül PVC köpeny (9) burkol. A közép- és a nagyfeszültségű térhálósított PE szigetelésű kábelek egyeres kivitelben készülnek. 1 1 vezető 2 vezetőárnyékolás (félvezető polietilén) 3 szigetelés (polietilén) 4 szigetelésárnyékolás (félvezető polietilén) 5 karbonpapir és duzzadó szalag 6 rézhuzal 7 rézszalag 8 védőburkolat (polipropilén szalag v. alumínium fólia) 9 PVC köpeny 2 3 4 5 6 7 8 9 2. ábra Térhálósított polietilén szigetelésű 1) vezető; 2)

vezetőárnyékolás (félvezető polietilén); 3) szigetelés (térhálósított polietilén); 4) szigetelésárnyékolás (félvezető polietilén); 5) félvezető karbonpapír (duzzadó szalag); 6) rézhuzal; 7) rézszalag; 8) védőburkolat polipropilén szalag (Al fólia); 9) PVC köpeny. A kábelek villamos jellemzői A kábelt ugyanazokkal a villamos elemekkel jellemezhetjük, mint a szabadvezetéket: soros ellenállás és induktív reaktancia, valamint sönt ellenállás és kapacitív reaktancia (3. ábra). Természetesen az egyes elemek mértékszámai jelentősen mások lehetnek, így az egyszerűsített helyettesítő vázlatok alkalmazásának is merőben mások a feltételei. Különbségek a szabadvezetékhez képest: – a kábeleknél az egyes fázisvezetők igen közel vannak egymáshoz, és nem teljesül a D>>r egyenlőtlenség, – a kábeleknél sokszor a vezető nem kör, hanem szektor keresztmetszetű, – a fázisvezetőt rendszerint fémköpeny,

fémárnyékolás veszi körül. Ez a villamos és a mágneses tér kialakulását jelentősen befolyásolja, 2 a szigetelőanyag nem levegő, ezért εr>>1, és a szilárd vagy folyékony szigetelőanyagokban dielektromos veszteségek is keletkeznek. Miután a fázisvezetők egymáshoz közel vannak, keresztmetszetük kör vagy szektor alakú, a villamos tér hatására a töltéseloszlás a vezetők felületén nem egyenletes. Ugyanígy az árameloszlás sem egyenletes a vezetők keresztmetszetében Ez nemcsak a vezetők saját mágneses tere miatt van így, hanem a közeli vezetők mágneses tere miatt is. Ezen okok következtében a kábelek villamos jellemzőinek számítása igen bonyolult. – R+ 2 R sz+d+i R jXL=jX-j X 2 R sz+d+i -j 2 Xc -j 2 Xc 3. ábra A kábel egyfázisú helyettesítő vázlata A gyakorlati szakemberek munkáját könnyíti az a körülmény, hogy a kábelek méretei szabványosítottak, és így mérések alapján készült

táblázatokból is meghatározhatók a szükséges villamos adatok. A kábelek soros ellenállása Minthogy a kábelek vezetőanyaga kizárólag tiszta lágy réz, vagy lágy alumínium, amelynek ellenállása 1,5.2 %-kal kisebb a szabadvezetékhez használatos keményre húzott anyagénál, így egyenárammal mért ellenállása is kisebb, mint az azonos keresztmetszetű szabadvezetéké. Nagy vezető-keresztmetszetek esetében a váltakozó áramú ellenállás a szkinhatás és a közelségi hatás miatt nagyobb, mint az egyenáramú. A közelségi hatás az a jelenség, hogy a többi fázisvezető áramának mágneses tere az ellenállást növelő áramkiszorítási hatást hoz létre. A szkinhatáshoz hasonlóan egyirányú áramok esetén a két vezetőnek egymáshoz közel eső részén kevesebb áram folyik, mint a széleken, míg különböző irányú áramok esetén éppen fordítva. Mindkét esetben a keresztmetszet kihasználatlan volta miatt az ellenállás növekszik.

Az említett jelenségek következtébeni ellenállás-növekedés azonban 50 Hz frekvencia esetében 300 mm2-nél kisebb kábeleknél 2.3 % alatt van, ezért a számítások során rendszerint elhanyagolható. Azonban nagyméretű vastárgyak közelében lefektetett egyeres kábelek esetén, valamint vascsőbe húzott kábelek esetén az ellenállás-növekedés számottevő lehet. Végül a soros ellenállás tárgyalásakor ki kell térnünk a kábelköpeny, ill. árnyékolás veszteségeinek figyelembevételére is. A háromfázisú, övszigetelésű, fémköpenyű kábelekben a köpenyben veszteség lép fel, mert a fázisvezetők a köpeny különböző pontjaitól nem egyenlő távolságra vannak, és ezen okból a köpenyben örvényáramok folynak. Ennek értékét pontosan csak méréssel lehet meghatározni, a gyakorlati számítás szempontjából ellenállásnövelő hatása elhanyagolható. Egyerű kábelek mágneses tere a köpenyben feszültséget indukál. Az indukált

feszültség a köpenyben áramot hajt és veszteséget okoz, amely az összveszteség felét is elérheti. Csökkentésének legegyszerűbb és legáltalánosabb módja, hogy a köpenyeket helyenként egymással és a földdel jól vezetően összekötik, miáltal a köpenyek rövidrezárt körében a kisebb indukált feszültségnek megfelelő áramok folynak. A köpenyáramok – miután a köpeny nem ferromágneses anyag – arányosak a kábel terhelő áramerősségével, így a köpenyáramok veszteségei 3 kifejezhetők egy képzelt járulékos ellenállással, amely hozzáadódik a kábel vezetőjének ellenállásához. Kábelek soros (induktív) reaktanciája Háromerű kábelek reaktanciáit ugyanúgy lehet kiszámítani, mint a szabadvezetékekét: GMD X = 0,145 ⋅ lg Ω/km GMR ahol GMD a három fázisvezető közötti távolságok Di -k mértani középértéke: háromeres kábelnél: GMD = D; négyeres kábelnél: GMD = 1,12D; az egyenértékű sugár: GMR ≈

0,39d: ahol d a vezető sugara. Egyerű kábelek esetén is érvényes a fenti összefüggés, ha a kábelköpenyek egymástól és a földtől el vannak szigetelve (csak ekkor GMD=1,26D). A hazai gyakorlatban azonban a köpenyek egymáshoz (és a földhöz) rövidre vannak zárva, akkor viszont a köpenyáram, amely a soros ellenállás növekedését idézte elő, a reaktancia csökkenését okozza. A szigetelésben fellépő veszteségek A kábel szigetelésében háromféle veszteség lép fel: szivárgási veszteség; dielektromos veszteség, és ionozási veszteség. Mindhárom, gyakorlatilag független az áramterheléstől (kivéve azt a körülményt, ha a terhelés okozta melegedés a szigetelés minőségét megváltoztatja, mert ez a veszteséget is befolyásolja) és a feszültségtől függ. Váltakozó feszültség esetén mindhárom, egyenfeszültség esetén csak a szivárgási- és az ionozási veszteség lép fel. 1.) Az ionozási veszteség nem a szigetelő közeg

természetéből következik, hanem a szigetelés elkészítésének tökéletlenségeiből ered; és így jelentéktelen értékűre is csökkenthető. Az ionozási veszteség a lég-, ill. a gáz zárványokban keletkező ionozás következménye A zárványok azon kis réseken és üregekben találhatók, amelyek vagy gyártási hibából keletkeztek, vagy utóbb jöttek létre a helytelen kábelfektetés alkalmával, vagy más üzemi behatás következtében. Az egyébként kifogástalan minőségű kábel szigetelése sem illeszkedik tökéletesen a vezetőre, mert a terhelés növekedését követő hőtágulás után a vezető és a szigetelő összehúzódása nem egyenletesen következik be. Ennek következtében a vezető és a szigetelő között visszamaradhat egy vékony rés. Ez megtelik a telítőanyag gázaival és ha a feszültség nagyobb, mint a vezető görbületi sugarához és a kábel belső nyomásához tartozó ionozási feszültség, akkor sugárzás lép fel,

amely egyrészt a veszteséget növeli, másrészt helyi melegítés és vegyi bomlasztás következtében a szigetelőanyagot roncsolja. Az elmondottak érsimító réteggel nem rendelkező kábelekre igazak! 2.) A szivárgási veszteség azért lép fel, mert minden szigetelésnek véges nagyságú az ellenállása és így rajta keresztül áram szivárog a különböző potenciálú fémrészek között. Egyvezetős kábel szigetelési ellenállásának kiszámítása esetén figyelembe kell venni, hogy a kábelszigetelés keresztmetszete kifelé haladva állandóan növekszik. Többvezetős és többfázisú kábelekben a szivárgási viszonyok igen bonyolultak, ezért a számítás helyett a kész kábelen végzett mérések az irányadók. 4 3.) A dielektromos veszteség annak következtében lép fel, hogy a váltakozó feszültség hatására a szigetelőanyag részecskéi periodikusan átpolározódnak, és ez a mágneses hiszterézishez hasonlóan veszteséget okoz. A

dielektromos veszteségi ellenállás nagysága: x Ω m. Rd = c tg δ ahol xc a kábel kilométerenkénti párhuzamos kapacitív reaktanciája, amit a következő fejezetben ismertetünk. A szigetelés veszteségeit méréssel különválasztani nagyon nehéz feladat, mert ha váltakozó árammal mérünk, a szivárgási és a dielektromos veszteséget együtt kapjuk, az egyenáramú mérésnél a szivárgási veszteség külön adódik ugyan, de a mérést a polarizációs hiba bizonytalanná teszi. Összefoglalóan megállapíthatjuk, hogy az ionozás során elvesző energia azonban üzemi szempontból jelentéktelen, csak a szigetelés állapotát jelzi. A kábelek párhuzamos (kapacitív) reaktanciája A kábelek kapacitását számítással, vagy méréssel határozhatjuk meg. A kábelek nagy kapacitásuk miatt jelentős töltőáramot is felvesznek, amely a terhelőáram fazorjához hozzáadódva javítja az eredő fázistényezőt és csökkenti a veszteséget. Egyvezetős,

érköpenyes (több vezetőnél erenkénti köpeny) vagy "H" (Höchstädter kábelnél a szigetelésen lyuggatott alumínium fólia van) kábelek esetén a kapacitás egyszerűen és pontosan számítható, mert a kábel nem más, mint egy hengeres kondenzátor, amelynek egyik elektródája a földelt fémköpeny, a másik a földhöz képest U0 potenciálon levő vezető. A kettőt az ε dielektromos állandójú szigetelés választja el egymástól. Mint az a korábbi tanulmányainkból ismert, két koaxiális fémhengerből és a hengerek között elhelyezett homogén dielektrikumból álló hengeres kondenzátor hosszegységre eső kapacitása: 2π ⋅ ε C= , F/m. R ln r ahol r a kábelvezető sugara; R a fémköpeny belső sugara. R 2,3 lg ⋅ 4π ⋅ 9 ⋅ 10 9 1 r xc = A fázisonkénti reaktancia 50 Hz-en: = Ωm ωC 2π ⋅ 50 ⋅ 2π ⋅ ε r ahol εr a szigetelés relatív dielektromos állandója; itatott papír esetén 3,5.3,7; PVC esetében 48; PE esetében

pedig 23. A kábelek kapacitív reaktanciájának – a fentiek alapján – a számításokban használt összefüggése: R 1 xc = 0,132 ⋅ ⋅ lg M Ω km. r εr Többvezetős (háromerű) kábelek esetén a kábel egy vezetőjének kapacitásszámítására is érvényes az összefüggés, ha mind a vezetők sugara, mind egymástól számított távolságai jóval kisebbek, mint a kábelnek a sugara. Az összefüggésben feltételeztük, hogy ε a kábel minden pontján állandó, amely övszigetelésű kábelekre a kitöltő sodrat miatt nem érvényes. Ezért ilyen esetben célszerűbb minden esetben a kapacitást méréssel meghatározni. 5 Kábelszerelvények Kábelszerelvényeken a kábeleknek egymással és a csatlakozó vezetékkel vagy egyéb villamos berendezéssel való összekötésére használt elemeket értjük. A kábelek toldására, elágazás készítésére és ideiglenes lezárására a karmantyúk szolgálnak, míg más vezetékhez való csatlakozásra

végelzárót használnak. A kábelszerelvényeket több szempont szerint osztályozhatjuk: - rendeltetésük helye szerint vannak száraz és nedves helyre való, ill. belsőtéri és szabadtéri szerelvények; - a kábelszerelvények anyaga szerint megkülönböztetünk: vasból, alumíniumból, bronzból és szigetelőanyagból készített szerelvényeket; - a névleges feszültségük szerint vannak kis- és nagyfeszültségű kábelszerelvények. A kábelszerelvények a vezetők száma és keresztmetszete szerint különböző méretekben készülnek. Az erősáramú kábelek a gyártási lehetőségek és a szállíthatóság követelményei miatt csak korlátozott hosszban készülnek. Ennek következtében minden hosszabb kábelvezetéken, és kiterjedt kábelhálózatban megfelelő számú csatlakozó, összekötő, leágazó és keresztező hely létesül, amelyeknek helyes szerkezeti megoldása az üzembiztonság elsőrendű feladata. A kábelszerelvények a kábelhálózat

legkényesebb pontjai. A gyakorlatban igen sokféle szerkezeti megoldást és eljárást alkalmaznak. E tárgy keretében a részletek mellőzésével csak a fontosabb elvi kérdéseket tisztázzuk. Nyilvánvaló, hogy mindenféle kötés, vagy leágazás készítése szükségessé teszi a kábelszerkezet megbontását, és az erek csupasszá tételét. A kábelek szerkezeti rétegeinek eltávolítása, a kábel "megszabása" komoly szaktudást és megfelelő célszerszámokat igényel. Igen fontos, hogy az egyes rétegek eltávolítása során az alatta levő réteg ne sérüljön meg. Ennek részletes technológiájával jelen tárgy keretén belül nem foglalkozunk. Az ereknek a kötés természetétől függő hosszban történő szabaddá tételével az előkészítő műveletek befejeződnek és megkezdődik a kötés készítése. Karmantyúk A karmantyú, melyben a vezetőkötést készítik, lehet: - összekötő karmantyú (4. ábra), amely két kábel

összekötésére szolgál; - elágazó karmantyú, átmenő- vagy főkábel és az azzal azonos vagy kisebb méretű leágazó kábel összekötésére használják (kisfeszültségen); - keresztkarmantyú, amely négy elágazás összekötésére alkalmas, de csak kisfeszültségen, és ritkán használják; - végkarmantyú, amely be nem kötött kábelvégek ideiglenes lezárására szolgál. A karmantyúk régebben öntöttvasból készültek, de a műanyag kábelek térhódításával egyidejűleg megindult a műanyagok felhasználása a kábelösszekötéseknél is. 4. ábra Összekötő háromerű, árnyékolt, műanyagszigetelésű kábelre (RAYCHEM) 6 A karmantyúnál a végelzáróval ellentétben üzemszerűen feszültség alatt álló fázisvezetők nem kerülnek kivezetésre, így a karmantyúk szigetelése a kábelek szigetelésével gyakorlatilag legalább egyenértékű zárt szigetelési rendszert alkot. Végelzárók A kábelvégelzáró a kábel végéhez

erősítve azt lezárja és egyúttal a vezetőnek, ill. a vezetőknek a külső berendezéséhez való csatlakoztatását biztosítja. Korszerű belsőtéri hőre zsugorodó végelzáró látható a 4. ábrán Végelzárók szerelésénél az előkészítési munka a tartószerkezetek lakatosmunkát igénylő elkészítéséből áll. A kábel megszabása után az ereket vagy a szigetelőbe benyúló átvezetőcsaphoz rögzítik, vagy a kábelsarukhoz hegesztik, préselik. E műveletet a szigetelés helyreállítása követi. A végelzárókban azonban nemcsak az erek egymástól mért távolsága, valamint az érszigetelés vastagsága, és ezzel együtt a vezetőér és az árnyékoló réteg közötti távolság változik, hanem az érszigetelés és a rajta levő árnyékoló réteg is megszűnik. Így az ideálisnak tekinthető sugárirányú igénybevétel a kábel végénél erősen torzul. A hengerkondenzátor végelzáróban történő kiképzése egy olyan speciális eset,

ahol a belső elektróda lényegesen hosszabb, mint a külső (5. ábra) 5. ábra A villamos erőtér alakulása változatlan átmérővel végződő fémköpeny esetén Míg a kábelben a szigetelés igénybevétele tisztán sugárirányú, és telítettpapír-szigetelést figyelembe véve a térerősség a rétegezés irányára merőleges, addig a fémköpeny változatlan átmérővel való végződésénél a térerősségnek jelentős hosszirányú, a papír rétegződésével párhuzamos összetevője van. Rétegzett szigetelés esetén ez (a papír kisebb villamos szilárdsága miatt) nem engedhető meg, mert a kábel hosszirányú átütési szilárdsága lényegesen kisebb, mint a keresztirányú. E káros körülmény kiküszöbölésére a kábel végén a köpenyt, ill. az árnyékolást kúposan kitágítják (6 ábra), ezáltal egyrészt az erőtér nem hirtelen (élhatás), hanem fokozatosan gyengül, és a hosszirányú összetevők nagysága is csökken, másrészt a

kedvezőtlenül ható igénybevétellel szemben megerősített szigetelés áll. 7 6. ábra Kúposan kitágított köpenyű kábel villamos tere A szabványos itatottpapír-szigetelésű kábel természetéből következik, hogy villamos szilárdsága a rétegezés irányában sokkal kisebb, mint keresztirányban. A hosszirányú igénybevétel tehát a szigetelés gyengéjét támadja meg, ezért már kis értéke is veszélyes lehet. Műanyag érszigetelésű kábeleknél a jelenség elvileg nem okoz problémát, mivel a műanyag átütési szilárdsága minden irányban azonos. Azonban a sarokhatás kiküszöbölése miatt a kúpos kialakítás hatását ilyenkor úgy érik el, hogy az árnyékoló réteg vége után félvezető réteget visznek fel az érszigetelés felületére. A pára, szennyeződés hatására esetleg fellépő kúszó kisülések megelőzésére az előbbi módon kiképzett erekre rázsugorítanak egy ionizációnak és időjárási behatásoknak

ellenálló anyagból készült műanyag csövet. Hőre zsugorodó végelzárót mutat be a 7. ábra A szabadtéri kivitelt a belsőtéritől az ernyők száma különbözteti meg. 7. ábra Szabadtéri kábelvégelzáró egyerű, árnyékolt műanyagszigetelésű kábelre (RAYCHEM) 8