Anatomia kabla przemysłowego

DLACZEGO WARTO ZNAĆ ANATOMIĘ?

Kable stanowią produkty z zewnątrz mało skomplikowane, jednak cechuje je duża liczba cech i parametrów, które wpływają na możliwości stosowania w określonych miejscach i systemach, ich późniejszą eksploatację i niezawodność. Jednocześnie, gdybyśmy zaczęli rozbierać różne kable i badać ich materiały, to przy zdejmowaniu kolejnych warstw okazywałoby się, że są to konstrukcje, w których żaden element nie został wykonany przypadkowo.

Różnice w budowie dotyczą nie tylko wersji do różnych zastosowań (np. zasilania, transmisji danych, pomiarów), ale występują w dużej mierze w zależności od czynników zewnętrznych, na które narażone są przewody. Takie mogą być zmienne temperatury (szczególnie bardzo wysokie, ale też z zakresu ujemnego), narażenia mechaniczne (np. możliwość przecięcia, itd.) oraz promieniowanie, które przyczynia się do szybszej degradacji osłon.

Z kolei od budowy wnętrza przewodów zależy ich odporność na występujące zakłócenia elektromagnetyczne, na wielokrotne zginanie - co jest szczególnie ważne w przypadku części maszyn będących w ruchu, i naturalnie same parametry dla przewodzenia prądu.

Suma tych czynników sprawia, że dobór okablowania do tworzonej lub modernizowanej aplikacji musi być poprzedzony analizą występujących zagrożeń, a osoba nim się zajmująca powinna znać najważniejsze cechy materiałów i sposobów konstrukcji przewodów. W tym ostatnim powinien pomóc poniższy opis.

ZACZYNAMY OD WARSTWY ZEWNĘTRZNEJ

Podstawową ochronę stanowią osłony z tworzyw sztucznych. Te zewnętrzne (jacket) zabezpieczają kabel przed wpływem czynników otoczenia, natomiast osłony wewnętrzne (primary insulation) dodatkowo zapewniają izolację elektryczną między żyłami. Materiał, z którego są one wykonane, powinien mieć - w zależności od zastosowania kabli - określone cechy i parametry.

Najważniejsze z nich to: zdolność do zachowania właściwości w możliwie najszerszym zakresie temperatur (tzn. nie może kruszyć się w niskich temperaturach ani odkształcać w wysokich), odporność na warunki pogodowe (na przykład długotrwałe działanie promieniowania słonecznego), wytrzymałość mechaniczna (na przykład na wielokrotne zginanie, rozciąganie, ścieranie, duży nacisk) oraz odporność na działanie różnych substancji (m.in. olejów, smarów, kwasów, rozpuszczalników). Ważne są również parametry elektryczne izolacji (przenikalność elektryczna, wytrzymałość dielektryczna) oraz ognioodporność osłony i jej zdolność do nierozprzestrzeniania płomienia.

Izolacje kabli wykonywane są głównie z tworzyw termoplastycznych (thermoplastic) oraz termoutwardzalnych (thermoset). Te drugie powstają w procesie utwardzania polimerów, podczas którego między cząsteczkami materiału tworzą się nieodwracalne wiązania chemiczne (cross-link). W rezultacie nawet po podgrzaniu ich stan skupienia się nie zmienia.

W procesie utwardzania tworzyw termoplastycznych nie powstają trwałe wiązania chemiczne, dzięki czemu jest on w pełni odwracalny. Dlatego można je wielokrotnie stapiać bez zmiany ich innych właściwości fizycznych (poza stanem skupienia). Odpowiednikiem z życia codziennego dla tworzyw termoplastycznych jest... masło, natomiast dla tych termoutwardzalnych - chleb.

To pierwsze można wiele razy topić, a następnie schładzać, formując je w różne kształty. Jeżeli chleb w postaci bochenka będzie dalej podgrzewany, ulegnie zwęgleniu. Najważniejsza cecha tworzyw termoutwardzalnych to odporność na wysokie temperatury i deformacje. W przeciwieństwie do nich tworzywa termoplastyczne można wielokrotnie wykorzystywać (recykling), są jednak droższe.

KRÓTKI PRZEGLĄD POPULARNYCH MATERIAŁÓW TERMOPLASTYCZNYCH

Tabela 1. Porównanie parametrów kilku odmian teflonu oraz tefzelu

Do tej grupy zaliczane jest m.in. PVC (polichlorek winylu, polwinit). Materiał ten występuje w wielu odmianach, które różnią się: odpornością na wysokie i niskie temperatury, elastycznością, właściwościami elektrycznymi (typowo ich przenikalność elektryczna mieści się w przedziale od 3,5 do 6,5), odpornością na warunki środowiskowe oraz ceną. PVC nie rozprzestrzenia płomienia i jest tworzywem samogasnącym. Niestety zawiera również halogeny, a podczas jego spalania wydziela się gęsty oraz duszący dym.

Termoplastyczne właściwości mają również polimery fluorowe. Te najczęściej używane do budowy osłon kabli to: teflon (odmiany PTFE, FEP, PFA), tefzel (ETFE), halar (ECTFE) oraz kynar (PVDF). Parametry dwóch pierwszych materiałów przedstawiono w tabeli 1 - są to materiały odporne na działanie środków chemicznych oraznie absorbujące wilgoci i w większości niepalne.

Halar ma podobne właściwości jak tefzel, a przy tym jest tańszy. Jednym z najtańszych polimerów fluorowych jest z kolei kynar. Maksymalna temperatura robocza tego materiału wynosi jednak zaledwie 135°C, ma on ponadto słabe właściwości izolacyjne.

Do grupy tworzyw termoplastycznych zaliczane są również poliolefiny. Osłony kabli są najczęściej wykonywane z polietylenu (PE) oraz polipropylenu (PP). Ten pierwszy ma małą przenikalność dielektryczną (lity - 2,3, komórkowy - 1,6), mało zmienną w szerokim zakresie częstotliwości oraz dużą odporność na przebicie elektryczne.

Tworzywo to jest sztywne i twarde, nie wchłania wilgoci, jest też materiałem łatwopalnym i nie ma właściwości samogasnących, ale nie zawiera halogenów. Dostępne są trudnopalne odmiany tego materiału, jednak taką właściwość uzyskuje się zwykle kosztem jego parametrów elektrycznych. Właściwości elektryczne PP są podobne do tych PE , aczkolwiek polipropylen jest twardszy niż polietylen, dzięki czemu sprawdza się w izolacjach o cienkich ściankach. Jest to tworzywo łatwopalne i niesamogasnące.

Innym przykładem są termoplastyczne elastomery (TPE, inaczej TPR). Charakteryzuje je odporność na niskie temperatury, promieniowanie słoneczne, wodę morską, ścieranie, utlenianie oraz ozon z atmosfery. Ponadto zapewniają izolację elektryczną do 600 V, a ich maksymalna temperatura robocza wynosi 125°C. TPE nie są natomiast odporne na węglowodory i w kontakcie z nimi pęcznieją. Odporność na utlenianie, ścieranie, oleje oraz ozon cechuje również tworzywa poliuretanowe (PUR). Niektóre ich odmiany są również trudnopalne, PUR nie zawiera halogenów.

GDY OSŁONA TO ZA MAŁO

Rys. 1. Zbrojenie faliste

Okablowanie narażone na duże obciążenia mechaniczne, które mogą zniszczyć izolację i przewody, należy dodatkowo zabezpieczyć. W tym celu są one zbrojone, tzn. umieszczane w specjalnej osłonie (pancerzu) wykonanej zwykle z metalu - na przykład z galwanizowanej stali, brązu lub aluminium. Nakłada się ją albo na ekran, albo na izolację wewnętrzną lub zewnętrzną.

Zbrojenia mają różne kształty. Przykładem jest osłona falista przedstawiona na rysunku 1. Gdy wymagana jest dodatkowa ochrona, która jednak nie powinna zbytnio wpływać na masę kabla, stosuje się zbrojenia w formie metalowej plecionki. W ten sposób często zabezpiecza się okablowanie przeznaczone do użycia na pokładzie statków.

Kable prowadzone pod ziemią (w kanałach, przy torowiskach) są z kolei zabezpieczane pancerzem z ołowiu. W warunkach korozyjnych zaleca się nałożenie na niego osłony z tworzywa sztucznego. Zbrojenia wykonane ze stopów ołowiu - na przykład z cyną lub antymonem - są z kolei używane tam, gdzie wymagane są twardsze osłony lub gdy okablowanie jest narażone na wibracje.

Jeżeli kable mogą mieć kontakt z ostrymi krawędziami (na przykład skałami, kotwicami, ostrzem łopaty lub kilofu) zabezpiecza się je pancerzem w formie taśmy wykonanej z zespolonych bokami stalowych drutów.