Kábelek, vezetékek Az elektromos iparban kulcsfontosságú, hogyan vezetjük az áramköri elemekhez az elektromos áramot. Ezt a feladatot az esetek döntő többségében villamos vezetékekre bízzák. A felhasználás azonban mára rendkívül differenciálttá vált, nagyon sokféle terület van, amelyeknél mindig más az elvárás, valahol nagy áramot kell vezetni, valahol pedig nagyon nagy a frekvencia. Megint más területen pedig extrém mechanikai igénybevételnek lehet kitéve a vezeték. Az elvárásoknak megfelelően tehát meg lehet különböztetni jónéhány vezetéktípust, amelyeket csoportokba lehet sorolni: Villamos vezetékek: - Kábelek o Erősáramú o Gyengeáramú Szimmetrikus kábelek Koaxiális kábelek - Vezetékek o Csupasz vezetékek o Erősáramú szigetelt vezetékek (lég és föld) o Gyengeáramú szigetelt vezetékek Mivel elektromos áramot kell vezetni, a legalapvetőbb követelmény, hogy a vezetéknek jól vezető anyagból kell készülnie. A másik szokásos feltétel, hogy ezt ésszerű összegből kellene biztosítani, csak megtérülő megoldás jöhet szóba. Tömeges méretekben ezért hiába kiváló vezető az arany és az ezüst, mégsem lehet alkalmazni a felmerülő óriási költségek miatt. Általánosságban 10-3 Ωm fajlagos ellenállású fémek felelnek meg villamos vezetéknek. Vezetéstechnikában nem a fajlagos ellenállást szokás megadni, hanem annak reciprokát, a fajlagos vezetőképességet. Jele: χ (kappa) A legjobb, de még viszonylag gyakran alkalmazott fém az ezüst. Ára miatt csak kis mennyiségben alkalmazzák, magában csak speciális helyeken, ahol nem nagyon számít a költség. Leginkább felületi bevonatként alkalmazzák. Ez a skin-hatás miatt is hasznos. Tulajdonképpen ilyenkor a frekvencia növelésével egyre inkább az ezüst vezetőképessége számít. Tömeges felhasználásra leginkább a réz és az alumínium alkalmas a fenti tényezők együttes számbavétele után.Ωm
A kábelek keresztmetszete rendszerint kör, de erősáramú környezetben gyakori a téglalap és körcikk keresztmetszet is, ezeken a helyeken szerkezeti elemként is szerepelnek ezek a vezetők. Előállítás: - több fokozatú húzás - réz: ρ = 1,75 * 10-8Ωm - alumínium: ρ = 2,78 * 10-8Ωm Látható, hogy az alumínium rosszabb vezető, ezt a keresztmetszet növelésével szokták ellensúlyozni. A tömeg ezzel szemben nem feltétlenül növekszik, mivel az Al sűrűsége jóval kisebb, mint a rézé. A gyengeáramú elektronikai iparban nem szokás vezetőként alumíniumot alkalmazni, mivel itt gyakorlatilag egyeduralkodó a forrasztott kötés, ami alumíniumnál nem nagyon lehetséges. Erősáramú vezetékek: Réz és Alumínium vezetők csupasz és szigetelt kivitelben, légvezetékként, vagy (föld)kábel formájában. Légvezetékek: Kettős igény: - villamos paraméterek - húzószilárdság (teherviselő képesség) Teherviselés: Nemcsak saját súlyát kell elviselnie a vezetőnek adott hosszon, hanem a rárakódó zúzmarát, jeget és esővizet. (tartalék szilárdság szükséges) Ezen kívül számolni kell a szél okozta kilengés dinamikus terhelésével is. A fentiek alapján a következő anyagok alkalmasak: - szilíciumbronz - hő és egyéb kezeléssel keményített vörösréz (patentírozás, sajtolás) - ötvözött Al (aludúr) - speciális acél Általánosságban kijelenthető, hogy a dinamikus terheléseknek a tömör huzal sokkal kevésbé áll ellen, mint a sodrott. Sodort légvezeték rendszerint sok Al szálból készült sodrat szokott lenni. (dúralumínium – Al + Mg önnemesedő, nagyon szilárd, de jó vezető) Szokott csupasz és szigetelt is lenni, a szigeteletlen vezetéknél különös gonddal kell megállapítani a szigetelési távolságokat, ha szükséges, szigetelő távtartót szoktak alkalmazni. (gólyákra veszélyes) Csupasz vezetékek: Erősáramú környezetben a csupasz vezetékek szinte kizárólag sodrott változatban léteznek. Fajták: - egynemű
-
többnemű
Egynemű: Ugyanabból az anyagból van a sodrat minden elemi szála, amelyek teljesen ugyanolyan anyagúak és viselkedésűek. Hátránya, hogy vagy nagyon jó vezető, vagy nagyon jó teherviselő, a kettő együtt nem igazán megy neki. Többnemű: Ún. acélalumínium, amely nem ötvözet, hanem azt jelenti, hogy az elemi szálak rétegenként különböző anyagból vannak. Az acél viseli a terhet, ez alkotja a magot, a külső rész pedig a sokkal jobb vezető alumínium, amely egyben a korróziónak is jobban ellenáll. Mindig sodrott kivitelben készülnek. Előnyök: - jó vezető + nagy teherbírású - jól viseli a dinamikus terhelést is (lengés) - sokkal jobban hajlítható - a vékony elemi szálak egyenként is megbízhatóbbak, sodronyként még inkább, ha egy-kettő elszakad, még nincs baj Szabványos keresztmetszetek: 10 – 500mm2 A többrétegű sodronyoknál a rétegek mindig ellentétes irányba vannak sodorva, ezzel nagyobb szilárdság érhető el. A külső réteg rendszerint jobbmenetű, kivétel a tiszta Al sodrony, amely balra tekeredik. Ennek az azonosításban van szerepe. Az alumínium sodratokat a szabvány szerint csak hegesztve lehet toldani, korróziós okokból. Teljesen szabad vezetékként kizárólag sodrott keményalumínium alkalmazható, a felületén megjelenő oxidréteg nagyon kemény és jól védi a sodratot. Csak arra kell vigyázni, hogy más fémekkel ne nagyon érintkezzen, mert nagyon gyors elektrokémiai korrózió következhet be. Nagyfeszültségű vezetéktípusok: - acélalumínium (Acal) - nemesített Al / aludúr (Ald) - horganyzott acél (AC4) Szigetelt kábelek: Erősáramú technikában megkülönböztetünk szigetelt légkábeleket és földkábeleket. Légkábelek: - egy vagy többeres is lehet - réz, vagy Al ötvözet - szigetelése koromtartalmú PVC (a korom a napsugárzás hatásaitól védi a szigetelést) - rendszerint acélszál párosul teherviselő elemként a vezetőhöz. A vezetésben ez nem szokott részt venni Földkábelek: - nem kell feszítésre méretezni, mert nem kell a saját súlyát viselnie
-
van viszont más igény: a földben különböző vegyületek és víz van jelen, amelyek kifejezetten korrodáló hatásúak, ez ellen kell védelmet biztosítani
Erősáramú földkábelek: Az erősáramú földkábeleknél a költségek máshogy oszlanak meg, mint a légkábeleknél. Itt a telepítés és a kábel szerkezetéből adódóan a telepítés eléggé költséges (ásás, szigetelések, stb.) Viszont ez hosszú távon megtérül, mivel a külső (mechanikai) hatások kevésbé jelentkeznek, szinte elhanyagolhatóak (kivéve a markolót…) Hosszabb az élettartam, ami költségmegtakarítást jelent. (olcsóbb a fenntartása) Nem elhanyagolható az életminőségre gyakorolt hatás sem, ha nincsenek légvezetékek, kicsit rendezettebb a környezet is, szebb látvány. -
kis induktivitás nagy kapacitás
Mind a kettő jó, előbbi a felesleges feszültségeséstől szabadít meg, utóbbi pedig csökkenti a fáziskésést. Jellemzően sűrűn beépített környezetben, elosztóhálózati szinten, illetve ipari környezetben, gyárakban szokás az alkalmazása, ahol nagyon útban lenne egy légkábeles megoldás. Szigetelt kábelek veszteségei, tulajdonságai: -
ohmikus ellenállás (jelentős lehet) a vezetőben szigetelésben: szivárgási veszteség (elégtelen szigetelés,ohmikus), átpolarizálódási (csak váltakozó áramú környezetben,hő), ionizálódási veszteség (a szigetelő molekuláinak ionizálására megy el felesleges energia, plusz átütés veszélye) fémköpeny és páncél alkalmazása esetén örvényáramú és hiszterézis veszteségek
Mindezen veszteségek hőfejlődéssel járnak, az energia hővé alakul. Ez azt jelenti, hogy a kábel melegszik, méghozzá a hőegyensúlyi állapotig, amikor is az elvezetett és a fejlődött hő egyenlő nem lesz.(közegtől függ, mikor áll be) Minden kábelre megvan a szabványos terhelhetőség. Ez adott körülményeket feltételezve minden szabványos keresztmetszetre megadja, hogy mekkora a legnagyobb megengedhető legnagyobb áramerősség. (pl.: ökölszabály: 1,5 réz 16A és 2,5 réz 20A, szobahőmérsékleten) A feltételek: - keresztmetszet - környezeti hőmérséklet - üzemi feszültség Földkábelek felépítése: -
egy vagy több vezető ér érszigetelés közös burkolat
Vezető: Réz, vagy alumínium, tömör, vagy sodrott, kör, vagy körcikk keresztmetszetű. Gyakori, hogy a négy vezetőből álló kábel három vezetőből és egy vezető köpenyből áll, amely körülveszi az egészet. Szokás még az osztott nullavezető is, amelynél a negyedik szál háromfelé van osztva és a három egyedi szál teljes keresztmetszete adja ki a teljest. Ezek a szálak szimmetrikusan vannak elosztva. 151/9.2 ábra Olajnyomású földkábel: Kiszorítja a vizet, speciális kötési technológia, drága. Csökkenti az átütés esélyét nagyobb térerősség esetén.
Komplex kábelek általános felépítése: Érszigetelés: Az egyedi vezetőket közvetlenül körülvevő szigetelés, csak a villamos igénybevételre kell méretezni, általában valamilyen műanyag. Övszigetelés: Az összesodrott érszigeteléssel bővített egyedi vezetőket együttesen körülölelő szigetelés, amely azonos anyagból szokott lenni, mint az érszigetelés. A vezetőket, az érszigeteléseket és az övszigetelést együtt hívják kábelléleknek. A kábellélek után további rétegek szoktak következni: - köpeny - párnázás - páncélozás - külső burkolat Köpeny: Ólom, alumínium, vagy műanyag Feladata, hogy a külső nedvességtől, párától megvédje a kábelt, esetleg áramvezetési szerepe is lehet. Párnázás: Mechanikai sérüléstől védi a kábellelket, sokszor maga a későbbi páncélozás okozhatná a sérülést, ettől is véd.műanyag alapú habosított réteg, gyapot Páncélozás: Közvetlen külső igénybevételek elviselése miatt fontos, húzóigénybevétel és esetleges behatások, pl. földmunkáknál a gépkezelői hibák korlátozott elviselése. Általában acélszalag van körbetekerve átfedéssel. Ez ütő, vágó igénybevétel ellen jó, és hosszanti, lapos lemezekből, vagy szálakból áll. Ez pedig húzóigénybevétel ellen védhet.
Speciális kábeltípus az olaj, vagy gáznyomásos kábel. Itt a töltőanyag túlnyomás alatt tartja a vezetőereket, ezzel sérülés esetén kivédhető az átütés. A nagy nyomás miatt nehezebben megy végbe az ionizáció, így az átütés is. Színjelölés: A színjelölésekre biztonsági okokból, illetve üzemszerű esetekben a bekötéseknél van rá szükség az azonosítás végett. A szokásos színek: fekete, piros, zöld, sárga, kék A kábelköpeny színe a névleges feszültségtől függ, fekete, világoszöld, kék, stb. A kábelek felépítését az MSZ 146-os szabványa rögzíti, mindegyik kábelnél több betűből és számból álló név van, amelynél az egyes betűk, vagy számok a rétegek elhelyezkedése alapján rendre követik egymást.
Gyengeáramú vezetékek A gyengeáramú vezetékek közül a külső felhasználásúak felépítésükben sok hasonlóságot mutatnak az erősáramúakkal Ok.: igénybevétel. Belső felhasználású gyengeáramú vezetékek: - Rendszerint réz az elektromos vezető - Gyakran előónozzák a későbbi forraszthatóság érdekében - Szigetelés: lakk, zománc és műanyag, jellemzően PVC (polivinil-klorid) Fajták: - csupasz rézvezeték: szigetelés nincs rajta, mert a felhasználás nem igényli (nyomtatott áramkörök átkötései,huzalellenállás,fűtőszál) szabvány: MSZ141(pontos anyagösszetétel,szakítószilárdság,hőtágulás,átmérő tűrése) anyaga mindig réz, gyakran előónozva hibája, hogy szeret korrodálni NF alkalmazásoknál ón helyett ezüstbevonat is előfordul, de megfeketedik idővel, esztétikai probléma Huzalellenállás: nem réz, hanem konstantán, krómnikkel, manganin - szigetelt tekercshuzalok: zománchuzalnak is nevezik a hagyományos szigetelőbevonata után. Régen valóban zománcoztak, de az volt a baj, hogy törött => átütés, zárlat Ma: műanyagalapú, vagy növényolaj alapú lakkok, a fémtiszta rézvezetéket átvezetik a lakkfürdőn, majd az oldószert elpárologtatják és a lakkot hőkezeléssel rögzítik a felületen (beégetés) 4-5x = „1x” + 3-4x = „2x” Követelmények: bírja a hőhatást, és álljon ellen a kopásnak, ezen kívül színe legyen egyenletes. Kétféle: A növényolaj alapú fényes sötétbarna, a műanyag pedig fényes vörös-barna Tekercselőhuzalok vizsgálata: - folytonosság - szigetelés - átütés - hőállóság folytonosság vizsgálata:
higanyfürdőbe, vagy más vezető folyadékba merítik a drótot. Folyamatosan vezetik át rajta. Közben áramot vezetnek a rendszerbe, az egyik pólus a fürdő, a másik pedig a vezeték. Ha sérült a szigetelés, akkor rövidzár => számláló. Ha 100 méterenként ötven hiba van az még elfogadható. Szigetelési ellenállás: Fém csévetestre szorosan feltekercselik a huzalt, aztán nedves közegben tartják 24 órán keresztül. A mérés végén minimum 50Mohm nak kell lenni a tekercs és a csévetest között. Átütésvédelem: A csévetest és a feltekercselés módja megegyezik az előzővel. A vizsgálati feszültség viszont függ a huzal teljes átmérőjétől. Pl.: 0,1mm átm. 1x szigetelés esetén 400V-ot kell elviselnie. De 1mm átm.-nél már 1000V-ot. Hőállóság: A szigetelés meglágyulásának határhőmérséklete. Két féle: - növényolaj alapúaknál: 110-120C - szintetikus alapúaknál: 120-180C Ebből látszik, hogy zománcozott huzalnál nem kell blankolni forrasztás előtt, mert a közel 300 fok elégeti a szigetelést. (ez így nem igaz, magyarázat) Thermoplasztikus szigetelés: Televiziók és monitorok eltérítő tekercseinél főleg. Extrém feszültségek lépnek fel, erre kell szigetelni a rendszert. A kész tekercselésre egy újabb lakkréteg kerül, amelyet hőkezeléssel megolvasztanak. A megolvadt lakk kitölti a szüneteket és újra megszulárdulva rögzíti a meneteket. (120-130C) Litze-huzal: Sok elemi szál egyenként zománcozva. A pláne az benne, hogy kiküszöböli pár MHz-ig a skinhatást. A blankolás kicsit kemény dolog: fel kell melegíteni a huzalt, majd hirtelen lehűteni, így a zománc letöredezik a felületről. Az elemi szálak 0,05-0,14 mm átm. SZERELŐHUZALOK Minden olyan összekötő- és bekötővezeték, amely az elektronikus berendezések különböző egységei és áramköreit köti össze. Kétféle igénybevétel: - mechanikai - elektromos Ezért: Vastag és rugalmas a szigetelésük, jellemzően hőre lágyuló műanyagból. Tipikusan PVC, PE, PTFE (teflon) A szigetelést kétféleképpen lehet felvinni: - extrudálással (folyamatos fröccsöntés = hő és nyomás segítségével rápréselik)
- szalagbefonással (szigetelőszalagot vagy filmet csavarnak a vezetőre átfedéssel több vékony rétegben, majd hőkezeléssel ezeket egyesítik és rögzítik a felületen) Példa: Wire-Wrap huzal: ónozott rézhuzal PVC szigeteléssel réz és teljes átmérők: 0,25 – 0,55; 0,3 – 0,65; 0,35 – 0,75 T – tömör V – sodrott To – ónozott tömör Vo – ónozott sodrott
GYENGEÁRAMÚ KÁBELEK A legfontosabb és legprecízebb kábelek a távközlő kábelek. Ezek az erősáramú kábelektől csak abban különböznek, hogy sokkal nagyobb az átvinni kívánt maximális frekvencia. (és kisebb az energia) Erősáramnál 50 Hz, itt meg pár GHz akár. Kétféle jellemző csoport érvényes: elsődleges és másodlagos. Elsődleges jellemzők: - hurokellenállás - induktivitás - kapacitás - átvezetés Másodlagos jellemzők: Hullámimpedancia, jelterjedési sebesség, csillapítás Hurokellenállás: Az érpár teljes hosszon mérhető elektromos ellenállása. (egyik vége össze van kötve) HF-ig nem vesszük figyelembe, hogy egyen, vagy váltóáramú ellenállásról van-e szó. R = ρ * l/A, ahol l = 2 * a teljes hossz (hurok!) És A = d2π/4 Induktivitás: 1km hosszú vezetékhurok induktivitása. Kis érték, uH nagyságrendű, mert egymás mellett vannak a szálak. (lásd még bifiláris tekercselés) Kapacitás: 1km hosszú érpár kapacitása. Viszonylag nagy értékű (nF), az erek fegyverzetként funkcionálnak, a szigetelés pedig a dielektrikum. A fő befolyásoló tényező a szigetelőanyag εr permittivitása, mivel nem akarjuk az érpárost egymástól távolítani. Átvezetés: 1km hosszú vezeték erei közötti váltakozóáramú ellenállás reciproka. (G) Két részből tevődik össze: az egyik az ohmikus ellenállás a szigetelőn nem végtelen, a másik a kondenzátorként viselkedő érpár dielektromos veszteségéből adódik. A fenti összes veszteségként jellemzi a kábelt, gyártástechnológiai precizitással és a szigetelőanyag megválasztásával lehet javítani. Szoktak fémburkolattal árnyékolni is a külső zavarok elhárítása érdekében, illetve, hogy a kábelen futó jel se zavarja környezetét. Ha a vezetõ belseje üreges, belül nulla elektromos teret kapunk. Ezt a jelenséget takarja az az állítás, hogy az elektrosztatikus tér vezetõ felületekkel árnyékolható. (faraday-kalitka) http://www.kando.hu/hti/NEVJEGY/munkatar/oktatok/zsolt/tavvez_meres.htm
Árnyékolási eljárások: Lehet az egyik vezető az árnyékolás, de lehet a belső szigetelést koncentrikusan körülvevő fémszövet (harisnya). 156. oldal rajzok Szokás a rézharisnya, amelyet gyakran ón, ezüst, vagy nikkelbevonattal látnak el. Nagyobb mechanikai igénybevételre acélharisnyát terveznek, teherviselési funkcióval. Gyakran a szövet helyett alu, vagy rézbevonatos poliészter fóliát alkalmaznak. Az árnyékoláshoz hozzávezetés is van, ez egy hosszanti irányban végigfutó rézszál, ami fémes kontaktusban van az árnyékolással. Távkábelek - Nagyobb távolságra történő információátvitelre. - Vagy HF, vagy vivőfrekvenciás elven. HF kábelek: HF kábelek alapja az érnégyes, amely lehet: Csillagnégyes, vagy Dieselhorst-Martin /DM/-érnégyes Az üzemi kapacitás 33 és 38,5nF. Rajz 157 Helyi távbeszélőkábelek: Összeköttetés az előfizető és a központ között. Lehet légkábel, vagy földkábel, a vezető rézből van: 0,4 -0,6 -0,8mm átmérővel. A vezetőket egyenként színes csíkozású papírral szigetelik, majd csillagnégyessé sodorják őket, négyesenként önálló jelöléssel. Az érnégyeseket többféle elven lehet összesodorni, majd következik az ún. övszigetelés. Ez összefogja a sodratot és villamos szigetelés is. Ezt acélköpeny védi, elsősorban a nedvességtől, majd párnázat és végül a PVC külső szigetelés kerül Vivőfrekvenciás kábelek: Jellemzően csillagnégyes sodrással készül, a villamos szimmetria miatt. Nagyon fontos az alapanyagok nagy tisztasága és előkészítése. Az erezet lehet réz, vagy aluminium, a köpeny pedig ólom, vagy aluminium. A külső további rétegek a távbeszélő kábelek elrendezését utánozzák. A hírközlőkábelek koszorúsodratait koncentrikusan rétegenként külön árnyékolással látják el az áthallások, a zavarok megakadályozása érdekében. Minden árnyékolóréteghez tartozik egy csatlakozó vezetőszál, az esetleges szakadások, vagy toldások helyén az árnyékolás csatlakoztatható, nem szakad meg. További biztonsági intézkedés, hogy az árnyékolások belső és külső felületén papírréteget helyeznek el. A tekercselt szigetelés veszélye a tökéletlen vízzárás, erre érzékeny helyszíneken ezt az eljárást nem lehet alkalmazni.
