Złącza ogólnie dzieli się na: przesyłające energię (silnoprądowe) i dane (analogowe, cyfrowe). Dostępne są również w wersjach hybrydowych, w których do jednej obudowy podłączane są przewody zasilające i sygnałowe, elektryczne i optyczne, w różnych konfiguracjach. Główne komponenty złączy to, poza obudową wtyczki: dławnica kablowa, wkład męski i wkład żeński ze stykami i obudowa gniazda. Podobnie klasyfikuje się kable, na energetyczne i sygnałowe. Ich komponenty to: osłona zewnętrzna, osłony wewnętrzne izolujące żyły, ekran, przewody, a w kablach światłowodowych: rdzeń i płaszcz, tuba ochraniająca włókno światłowodowe, osłona zewnętrzna. Materiały oraz konstrukcje warunkują zastosowanie złączy i kabli – te przemysłowe muszą się wyróżniać odpowiednią wytrzymałością i dodatkowymi cechami, zależnymi od typu sygnałów i miejsca montażu. Przykład środowiska, gdzie wymagania stawiane złączom i kablom są wysokie, to pojazdy w transporcie drogowym i szynowym.
Na przykład od złączy montowanych na zewnątrz pociągów (między wagonami, pod nimi, na dachu, przy torach) oczekuje się odporności na: silne wibracje, osłabiające połączenia, uderzenia drobin piasku, kamieni i opady atmosferyczne (deszcz, śnieg), powodujące erozję i korozję, oblodzenie oraz nasłonecznienie, a więc skrajnie niskie i wysokie temperatury, skutkujące kurczeniem się i rozszerzaniem materiałów. Na wstrząsy i drgania i ekstremalne temperatury narażone są także złącza w autach dostawczych. Te oprócz tego trzeba zabezpieczyć przed: wnikaniem wilgoci, kontaktem z substancjami korozyjnymi (sól drogowa, chemikalia), wnikaniem pyłów, kurzu i innych zanieczyszczeń.
Jak zapewnić szczelność złączy?
Złącza wodoodporne i pyłoszczelne są chronione uszczelnieniami z tworzyw sztucznych. Ich skuteczność charakteryzuje dwucyfrowy stopień ochrony IP. Pierwsza cyfra w jego zapisie, 5 albo 6, opisuje odpowiednio pyłoodporność i pyłoszczelność, z kolei druga, z przedziału 0‒9, wodoszczelność przy różnym nasileniu oddziaływania wody, od pojedynczych kropel, przez polewanie strugą wody, po pełne w niej zanurzenie. Na przykład złącza z gwarantowanymi stopniami ochrony IP67 i IP68 obydwa są pyłoszczelne, ale pierwsze jest odporne tylko na krótkotrwałe zanurzenie w wodzie, a drugie pozostanie wodoszczelne nawet przy ciągłym. Największą szczelność gwarantują złącza hermetyczne uszczelniane szkłem, ceramiką lub żywicą. Są również zaprojektowane tak, by wytrzymały wysokie ciśnienie.
Popularne są szczególnie złącza z uszczelnieniem ze szkła. Zalety tego materiału to: trwałość, wytrratura pracy. Proces uzyskiwania hermetyczności polega na topieniu szkła w piecu do czasu, aż wypełni ono przestrzeń pomiędzy kontaktami i obudową wkładki, a między szkłem i metalem powstaną trwałe wiązania. Wtedy temperatura jest obniżana, aż do schłodzenia wkładów. By uzyskać szeroki zakres temperatur pracy, szkło i metal powinny charakteryzować się zbliżonymi współczynnikami rozszerzalności cieplnej. Zapobiega to niekontrolowanym naprężeniom i przesunięciom komponentów wkładek złącz przy zmianach temperatury.
Jaki materiał na obudowę złączy?
Przed uderzeniami i czynnikami środowiskowymi wchodzącymi w reakcje złącza chronią obudowy. Kluczowe znaczenie ma w tym przypadku ich materiał – metal albo tworzywo sztuczne. Złącza w obudowach z metali są cięższe niż z tworzyw sztucznych. Pierwsze sprawdzają się w razie narażenia złączy na duże siły ciągnące i ekstremalne temperatury i pełnią funkcję ekranu. Popularnym materiałem jest aluminium poddane dodatkowej obróbce poprawiającej jego właściwości, na przykład anodowane, malowane proszkowo, pokryte różnymi powłokami (na przykład: niklową, tytanową, niklowo- -teflonową). Obudowy złączy wykonuje się także ze stali nierdzewnej, a jeżeli koszt złącza ma mniejsze znaczenie niż jego waga, jak m.in. w wyposażeniu samolotów, z tytanu. Obudowy z tworzyw sztucznych, wzmacniane na przykład włóknem szklanym, są tańsze. Ich zastosowanie ogranicza jednak temperatura pracy oraz brak ekranowania.
W zakresie zabezpieczenia przed wibracjami stosuje się mechanizmy blokujące. Standardowy pojedynczy ma dźwignię (rygiel) z przodu lub z boku obudowy. Ruch dźwigni powoduje zamknięcie obudowy i osłony. Podwójne systemy blokowania mają dwie dźwignie.
Bezpieczeństwo kabli w razie pożaru
Jeżeli natomiast chodzi o złącza i kable montowane wewnątrz lokomotywy, w wagonach, szczególnie w przedziałach pasażerskich, i kabinach pojazdów, wymaga się m.in., by były wykonane z materiałów niepalnych, nierozprzestrzeniających ognia i niewydzielających w czasie spalania szkodliwych substancji. Zwiększa to poziom bezpieczeństwa, ogień, dym i toksyczne produkty spalania w zamkniętych pomieszczeniach stanowią bowiem śmiertelne zagrożenie dla osób w nich przebywających.
W związku z tym w instalacjach spełniających normy przeciwpożarowe trzeba korzystać z kabli wykonanych z materiałów bez halogenów, dodatków, które stosuje się, żeby uzyskać określone właściwości tworzyw sztucznych, na przykład dużą wytrzymałość termiczną i, paradoksalnie, mniejszą palność. Ograniczenie to wynika stąd, że spalając się, wydzielają trujące i korozyjne gazy, które w połączeniu z wodą tworzą żrące ciecze. Mechanizm tego jest następujący: pod wpływem bardzo wysokiej temperatury z izolacji kabli wydzielają się halogenki wodoru, a te łącząc się z wodą używaną do gaszenia pożaru albo wilgocią z błon śluzowych, tworzą kwasy, na przykład kwas solny. Powstają też silnie toksyczne dioksyny. W efekcie nawet jeżeli ktoś przeżyje pożar, jego zdrowie może zostać trwale uszkodzone. Szerzej o halogenach piszemy w ramce.
Dlaczego wycofano halogeny?Do grupy halogenów zaliczanych jest pięć pierwiastków, niemetali, z 17. grupy układu okresowego: fluor, chlor, brom, jod i astat. Tworzywa sztuczne zawierające je łatwo można rozpoznać, ponieważ w swojej nazwie zawierają nazwy tych pierwiastków, jak na przykład: polichlorek winylu, kauczuk chloroprenowy, propylen fluoroetylenowy, fluoropolimery. Do stopniowego wycofywania z użytku kabli z elementami z materiałów zawierających halogeny przyczyniło się kilka wypadków. Jednym z tragiczniejszych był pożar na stacji metra Kings Cross w Londynie, który wybuchł w 1987 roku. Zginęło w nim 31 osób, a 100 zostało rannych. Jak wykazało późniejsze śledztwo, zapoczątkowała go upuszczona na ruchomych schodach zapałka, a liczne niekorzystne czynniki przyczyniły się do jego rozprzestrzenienia się i tak dużej liczby ofiar. Jednym z nich były kable z osłoną z PVC, które paląc się, wydzielały ogromne ilości czarnego dymu i toksycznych gazów, utrudniając ludziom ucieczkę i ich zatruwając. Kolejnym zdarzeniem był pożar, który wybuchł w 1988 roku w Bell Telephone Company w Illinois. W jego wyniku firma poniosła ogromne straty w sprzęcie zniszczonym przez korozyjne gazy wydzielające się w czasie spalania kabli. W efekcie zaczęto rezygnować z osłon z wymienionych materiałów, zastępując je m.in.: polipropylenem, gumą silikonową, poliuretanem, polietylenem, poliamidem, elastomerami termoplastycznymi, gumą etylenowo-propylenowo-dienową. Kable bez halogenowe zaczęto również specjalnie znakować – obecnie można się spotkać z m.in. następującymi etykietami: LS0H (Low Smoke, Zero Halogen), LSHF (Low Smoke, Halogen Free), LSNH (Low Smoke, Non-Halogen). |
Złącza i kable a zagrożenie wybuchem
W wielu gałęziach przemysłu, szczególnie w branży chemicznej, petrochemicznej, papierniczej, spożywczej, górnictwie i poza nimi na różnych stanowiskach pracy, na przykład w lakierniach i malarniach w fabrykach motoryzacyjnych, może wytworzyć się atmosfera wybuchowa. Jest to mieszanina palnych gazów, par albo pyłów z powietrzem, w której po zainicjowaniu źródłem zapłonu spalanie rozprzestrzenia się samorzutnie. Aby doszło do wybuchu, muszą być zatem jednocześnie obecne trzy czynniki: substancja łatwopalna, tlen oraz źródło zapłonu. Na dwa pierwsze konstruktor wyposażenia do użytku w strefach występowania zagrożenia eksplozją nie ma wpływu, w związku z czym jego zadaniem jest wyeliminowanie trzeciego składnika, przez niedopuszczenie do powstania iskry i otwartego płomienia.
W przypadku złączy przykładowym rozwiązaniem jest ich umieszczenie w ognioszczelnej osłonie. Obejmuje ona wszystkie komponenty znajdujące się między dławicą kablową a obudową gniazda. Projektuje się ją tak, aby styki wkładek zostały rozłączone, zanim zostanie zdjęta. Oprócz tego, na wypadek eksplozji wewnątrz osłony gniazdo wykonuje się w taki sposób, by wytrzymało ciśnienie wybuchu.
Jeśli z kolei chodzi o kable, to w takich warunkach wykorzystuje się te z izolacją mineralną. Są zbudowane z powłoki metalowej, wypełnionej sprasowanym sproszkowanym tlenkiem metalu, przeważnie tlenkiem magnezu. Zapewnia on izolację między żyłami i izolację przewodów od powłoki zewnętrznej. Kable z izolacją mineralną nie iskrzą, nie palą się ani nie podtrzymują płomienia. Nie wytwarzają też szkodliwych gazów. Wyróżnia je ponadto wysoka odporność termiczna – są w stanie wiele godzin wytrzymać temperaturę przekraczającą nawet +1000°C, o ile tylko materiał osłony został odpowiednio dobrany – przykładem jest stal nierdzewna. W połączeniu ze złączami w wersji przeciwwybuchowej kable w izolacji mineralnej mogą spełnić wymogi normy ATEX.
Kable w skrajnych temperaturach
W wielu zastosowaniach kable są też narażone na wysokie temperatury w normalnych warunkach – przykładowo kable z izolacją z tlenku magnezu używane są m.in. w pomiarach temperatury za pomocą czujników rezystancyjnych i termopar. Niektóre wysokotemperaturowe zastosowania wymagają wprowadzenia specjalnych rozwiązań. Takim jest chłodzenie kabli. Kable chłodzone wodą są używany na przykład jako wtórne w piecu łukowym do produkcji stali, gdzie narażone są na silne promieniowanie cieplne. Zasadniczo jednak podstawową gwarancję niezawodności kabli w wysokich, jak i w niskich temperaturach, stanowią odpowiednio dobrane materiały, z których je wykonano. W przeciwnym razie, jeżeli zostaną wystawione na działanie, nawet niekoniecznie długotrwałe, czasem wystarczy tylko chwilowe, skrajnych temperatur, ich elementy miękną lub stają się kruche. Należy się tego spodziewać już po przekroczeniu progu +60°C i przy temperaturach poniżej –20°C. W konsekwencji dochodzi na przykład do: pękania i kruszenia się izolacji żył lub osłony kabla, zwarć, przebić, sklejania żył kabla, nadtapiania izolacji albo jej odkształcania.
Na wysokie temperatury odporne są szczególnie tworzywa termoutwardzalne. Przykładami są: silikon (od –80°C do +200°C), EPR (kauczuk etylenowo-propylenowy) o zakresie temperatur pracy –60°C...+150°C, XLPE (polietylen usieciowany) o dużej wytrzymałości mechanicznej w przedziale temperatur od –40°C do +100°C i neopren (+121°C praca ciągła, wyższa z przerwami), teflon (–190°C...+300°C). W przypadku kabli narażonych na niskie temperatury spowodowane wyłącznie oddziaływaniem czynników atmosferycznych zwykle powinna wystarczyć izolacja z tworzywa poliuretanowego (PUR). Jeżeli natomiast chodzi o materiały żył w wysokich temperaturach, w zakresie +150°C... +200°C mogą być używane przewody miedziane platerowane srebrem, a +200°C... +450°C przewody z miedzi, które pokryto powłoką niklową.
Złącza w kosmosieKosmos to wyjątkowe nieprzyjazne środowisko. Projektowanie wyposażenia do użytku w warunkach panujących w przestrzeni kosmicznej dodatkowo utrudnia fakt, że możliwości w zakresie napraw i zmian są bardzo ograniczone – od urządzeń pokładowych pojazdów kosmicznych wymaga się więc niezawodności i żywotności nieporównywalnych z tymi w nawet najbardziej zaawansowanych gałęziach przemysłu. Zadanie jest tym trudniejsze, że poza ekstremalnymi temperaturami, wstrząsami i wibracjami złącza i kable w kosmosie są narażone na dodatkowe niekorzystne czynniki, unikalne dla tego środowiska: promieniowanie kosmiczne, tlen atomowy, odgazowywanie. Ochrona przed promieniowaniem opiera się zwykle na dwóch mechanizmach: odbicia i pochłaniania, dlatego unika się takich metali, jak: czysta cyna, kadm i cynk, zastępując je złotem oraz stalą nierdzewną. Jeśli chodzi o tworzywa sztuczne, to na przykład polisiarczek fenylenu jest wysoce odporny na promieniowanie gamma. Jako materiał izolacyjny sprawdzą się również żywica poliimidowa i polieteroeteroketon. Poza narażeniem na promieniowanie złącza, zwłaszcza te zamontowane na zewnątrz statku kosmicznego, są podatne na uszkodzenia i zniszczenia spowodowane tlenem atomowym (z jednym atomem tlenu). Jest on wysoce reaktywny i powoduje erozję wielu materiałów, w tym większości polimerów, a nawet niektórych metali, w tym srebra. Ochronę kabli i złączy przed tym czynnikiem są w stanie zapewnić specjalne materiały, na przykład radatox. Został on opatentowany przez firmę Axon Cable i według jej zapewnień jest 10 razy odporniejszy na tlen atomowy i do 40% lżejszy niż typowe perfluoropolimery, takie jak FEP, PFA i PTFE i 100 razy odporniejszy niż poliimidy. Odgazowanie to z kolei uwalnianie lotnych związków organicznych uwięzionych w tworzywie sztucznym zachodzące w próżni przy braku ciśnienia atmosferycznego. Ich cząstki osadzają się na powierzchni złączy i kabli, zanieczyszczając je. By temu zapobiegać na etapie produkcji materiały te wypala się w piecu próżniowym, co uwalnia lotne związki organiczne w kontrolowanym środowisku. |
Jak ważna jest elastyczność?
Kolejną grupą zastosowań stawiających wysokie wymagania okablowaniu są aplikacje sterowania ruchem. W ich przypadku wymaga się małych promieni gięcia, które ułatwiają instalację oraz odporności na wielokrotnie powtarzające się cykle zginania. Ze względu na elastyczność kable klasyfikuje się na: stacjonarne, elastyczne, do ciągłego zginania i ciągłego skręcania. Pierwsze są sztywne i nie są zalecane do użytku w ruchu ani nawet, wtedy gdy okablowanie trzeba poprowadzić po rogach lub po łuku, co wymaga pewnej elastyczności. Dlatego nawet jeżeli nie będą przemieszczane, ale zostaną ułożone w maszynie lub korytkach kablowych z narożnikami, lepiej wybrać model droższy, ale przystosowany do zginania.
Kable elastyczne mają typowo wytrzymałość na kilka do kilkunastu milionów cykli gięcia, zaś w przypadku tych przeznaczonych do zastosowań, w których narażone będą na ciągłe zginanie, producenci deklarują wytrzymałość nawet kilkudziesięciu milionów cykli gięcia. Kable o najwyższej trwałości to natomiast te, które oprócz częstego zginania będą również stale skręcone. Są wymagane, jeżeli kabel obraca się dookoła własnej osi i m.in. w robotach w zadaniach pick and place.
Kolejnym wyzwaniem są maszyny, które gwałtownie hamują i bardzo szybko się rozpędzają. W ich przypadku problemem są duże przyspieszenia, które nadmiernie obciążają kable, powodując skrócenie ich żywotności. W związku z tym powinny się one cechować większą sztywnością, żeby mogły wytrzymać towarzyszące zatrzymywaniu oraz rozpędzaniu naprężenia. W tym celu na przykład izolację z TPE lub PVC zastępuje się nieco mniej elastyczną z polipropylenu. Kable z tego materiału są ponadto lżejsze, co jest w takich zastosowaniach dodatkową zaletą.
Karol Lenkiewiczigus
W przypadku zastosowań przemysłowych klienci zwracają uwagę na mechaniczne aspekty budowy złączy, muszą one być odporne na wszelkiego rodzaju uszkodzenia, wibracje. Również sposób mocowanie złącza do gniazda musi być niezawodny i odporny na wiele cykli odłączania i podłączania. Dużym ułatwieniem dla obsługi jest możliwość kodowania złączy, aby uniknąć pomyłki przy podłączaniu. W kablach przemysłowych liczy się zdecydowanie odporność mechaniczna i środowiskowa. Jeśli przewody poruszają się w sposób zautomatyzowany, to muszą mieć odpowiednią żywotność, liczoną często w milionach cykli. Ważny jest odpowiedni minimalny promień zagięcia, przystosowanie do odpowiedniego zakresu temperatur oraz odporność na substancje chemiczne, na przykład oleje i chłodziwa.
W ostatnim czasie widać szybki rozwój w zakresie funkcjonalności złączy. Dużym ułatwieniem dla użytkowników jest modułowość, dzięki temu można w szybki sposób integrować wiele przewodów w jednym miejscu połączeniowym i w łatwy sposób podłączać i odłączać tylko niektóre z nich. Producenci serwonapędów wprowadzają złącza i przewody hybrydowe, łączące zasilanie, sterowanie oraz funkcje przesyłu sygnałów np. z enkodera. Zmniejsza to ilość okablowania, a co za tym idzie, ilość potencjalnych awarii. Jedno gniazdo na silniku zamiast dwóch umożliwia miniaturyzację i oszczędność na masie własnej. Nowoczesne systemy hybrydowe umożliwiają również pomiar własnego zużycia i przesyłanie tej informacji do użytkownika. |
Kable do przemienników częstotliwości
Przemienniki częstotliwości zmieniają częstotliwość i napięcie prądu przemiennego zasilającego silnik, co umożliwia regulowanie jego prędkości obrotowej i momentu obrotowego. Sprawdzają się w aplikacjach, w których wymagana jest pełna kontrola prędkości, nie tylko podczas rozruchu i hamowania i wtedy, gdy celem jest oszczędność energii. Dobór komponentów napędu o regulowanej prędkości obrotowej, czyli przemiennika, kabla i silnika, wpływa nie tylko na jego prawidłową pracę, ale i maszyny i urządzenia w pobliżu. Specjalne znaczenie ma kabel łączący przemiennik z silnikiem – nie tylko powinien być odporny na warunki pracy wynikające ze specyfiki napędu, ale nie może też negatywnie oddziaływać na inne urządzenia.
Główne bloki funkcyjne przemienników częstotliwości to: prostownik, kondensator wygładzający, falownik, sterownik. Zasada ich działania jest następująca: przemienne napięcie wejściowe jest prostowane w mostku diodowym, a następnie wygładzane i przekształcane w falowniku w napięcie przemienne o zmiennej amplitudzie i częstotliwości, zasilające silnik. Duża szybkość przełączania tranzystorów falownika sterowanego sygnałem PWM zapewnia nie tylko dużą precyzję sterowania ruchem, ale jednocześnie jest źródłem silnych zaburzeń elektromagnetycznych. Te promieniowane przez kabel mogą zakłócać urządzenia w sąsiedztwie. Ponadto na zaciskach silnika może powstać fala odbita, która nakłada się na napięcie w kablu. Efekt ten jest tym silniejszy, im kabel łączący przemiennik z silnikiem jest dłuższy. Powoduje to nawet kilkukrotne przekroczenie znamionowej wartości napięcia kabla. Może go to uszkodzić, na przykład jeśli między jego przewodami dojdzie do wyładowania koronowego.
Dwa w jednymZłącza i kable są też dostępne jako jeden komponent. W takiej wersji są ze sobą na trwale złączone przez obtrysk tworzywem sztucznym. Wykonuje się go w procesie formowania wtryskowego, w którym złącze z podłączonym kablem zostaje umieszczone w formie, następnie wypełnianej stopionym materiałem. Kiedy tworzywo stygnie, przyjmuje kształt formy, a złącze i kabel zostają na trwale połączone. Technika ta (overmolding) ma wiele zalet. Przede wszystkim gwarantuje integralność mechaniczną zespołu złącze–kabel, chroniąc przed naprężeniami i zwiększając wytrzymałość na zginanie, zwłaszcza w miejscu wyjścia kabla. Nie ma również zagrożenia, że wibracje doprowadzą do poluzowania połączenia, podobnie jak częste łączenie i rozłączanie. Zespół złącze–kabel zostaje też uszczelnione. Ich trwałe połączenie ułatwia ponadto instalację i pozwala uniknąć błędów przy podłączaniu i poprawia estetykę. Można poza tym, dobierając kolor obtrysku, na przykład dostosować go do obowiązującego w danej aplikacji kodu kolorów, dopasować go do koloru urządzenia albo za jego pośrednictwem ułatwić instalację. |
Ekran z folii czy oplotu?
Problemów z emisją zaburzeń, odbiciami napięcia, przepięciami oraz wyładowaniami koronowymi można uniknąć wybierając odpowiedni kabel. Szczególną uwagę trzeba zwrócić na: rodzaj izolacji kabla, impedancję oraz ekranowanie.
Przewody kabli ekranuje się oddzielnie lub grupowo. Osłony zwykle wykonuje się w postaci oplotu albo z folii metalizowanej. Czasem, w celu zwiększenia efektywności tłumienia zaburzeń z obu typów ekranów korzysta się równocześnie, dzięki temu ich wady wzajemnie się znoszą, a zalety uzupełniają. Ostatnie w przypadku folii metalizowanej to: możliwość pokrycia całej powierzchni kabla, dzięki małej grubości możliwość ekranowania kabli z wieloma żyłami, duża skuteczność ekranowania w zakresie dużych częstotliwości, mały koszt, elastyczność. Najważniejsze zalety ekranów w postaci oplotu to: giętkość, łatwość wykonania połączenia elektrycznego, większa wytrzymałość mechaniczna i skuteczność ekranowania w porównaniu do folii metalizowanej.
Z drugiej strony plecionka nie pokrywa kabla w całości. Oprócz tego jest grubsza i droższa. Słabe strony ekranów z folii metalizowanej to z kolei: mała wytrzymałość na zginanie oraz mała skuteczność ekranowania w zakresie niskich częstotliwości.
Jeżeli chodzi o izolację kabla, ważną jej właściwością jest stała dielektryczna. Dla eliminacji odbić napięcia z silnika kluczowe jest, aby miała małą wartość. Ułatwia to dodatkowo dopasowanie impedancji kabla do silnika. Warunek ten spełnia m.in. izolacja z XLPE. Materiał ten, ze względu na wysoką odporność na przebicia, znacznie ogranicza też ryzyko problemów spowodowanych przepięciami. Zastosowanie izolacji XLPE zmniejsza ponadto prawdopodobieństwo, że napięcie kabla osiągnie próg wyładowania koronowego, a jeżeli jednak do niego dojdzie na jego powierzchni wytworzy się izolująca termicznie zwęglona warstwa, zapobiegając dalszej degradacji.
Jakie są zalety kabli podziemnych?
Pierwsze kable poprowadzono pod ziemią pod koniec XIX wieku. Od tamtej pory sukcesywnie zyskują na popularności jako alternatywa dla napowietrznych linii kablowych. Wynika to z ich licznych zalet. Prowadzi się je przeważnie tam, gdzie linie napowietrzne nie sprawdzają się ze względu na bezpieczeństwo (linie podziemne nie stwarzają zagrożenia pożarowego ani ryzyka kolizji drogowych, powietrznych, zerwania przewodów pod napięciem), ograniczenia przestrzenne (podziemne pozwalają na zabudowę terenu) albo estetykę (podziemne są niewidoczne, więc nie zmieniają krajobrazu). Poza tym grunt chroni zarówno kable przed uszkodzeniem, jak i ludzi i zwierzęta przed porażeniem prądem. Linie podziemne są także niewrażliwe na ekstremalne warunki atmosferyczne (burze, silny wiatr, oblodzenie, ośnieżenie) i wandalizm. Dzięki temu są rzadziej i taniej konserwowane, a ich żywotność jest liczona w dziesiątkach lat (nawet 50).
Nie są jednak oczywiście niezniszczalne – zagrażać im mogą na przykład wykopy prowadzone w niewłaściwym miejscu, jak również klęski żywiołowe, zwłaszcza powodzie czy rozległe pożary. Dlatego również wymagają specjalnych rozwiązań konstrukcyjnych, zabezpieczających je przed uciążliwymi czynnikami.
Ochrona przed wodą
Takim jest woda, która powoduje korozję metalowych ekranów i przewodów. Narażone są na nią kable zakopane w strefie zalewowej albo w bardzo wilgotnym gruncie pod drogą wodną. Przed wodą zabezpiecza się je wielostopniowo. Przykładem jest ochrona trzystopniowa, składająca się z: taśmy półprzewodzącej, taśmy pęczniejącej pod wpływem wody oraz wodoodpornych włókien. Pierwsza stanowi podłoże z PET pokryte jedno- lub obustronnie półprzewodzącym polimerem. Oprócz tego, że zapobiega ona korozji elektrolitycznej metalowych części kabla, wyrównuje rozkład pola i zapewnia kontakt elektryczny z uziemieniem. Z kolei taśmy, które pęcznieją pod wpływem wody, mają za zadanie wchłonąć ją w miejscu przerwania izolacji i, dzięki szybkiemu wzrostowi swojej objętości, zablokować jej głębsze wnikanie. Ogranicza to rozwój uszkodzenia, zabezpiecza je i ułatwia jego zlokalizowanie oraz naprawę. Swoje właściwości tego typu taśmy zawdzięczają napyleniu proszków stanowiących mieszankę superchłonnych polimerów (Superabsorbent Polymers). Są to materiały, które są w stanie wchłonąć wodę w ilości od kilkuset do nawet tysiąca razy większej niż same ważą, a co ważniejsze nie uwalniają jej, nawet pod ciśnieniem. Mechanizm zatrzymywania wody jest następujący: SAP to polimery usieciowane, których łańcuchy są skurczone. W kontakcie z wodą struktury te rozszerzają się, wiążąc cząsteczki wody w swoich sieciach. Superchłonnymi polimerami impregnuje się też włókna wodoodporne.
Powyższe sposoby ochrony są zaliczane do kategorii suchych. Alternatywą jest uszczelnienie kabli nieprzepuszczalnym dla wody żelem, który wypełnia w nich wszystkie wolne przestrzenie. Jego ograniczenia to: "brudne" i wolniejsze łączenie przy instalacji i cięższy kabel.
Case study: Żel rozwiązał problem ze złączamiDostawca koparek, serwisując je w ramach gwarancji, coraz częściej w jednym z modeli spotykał się z problemem wnikania wody w złącza zamontowane w podwoziu, a w konsekwencji z korozją ich styków i przerwaniem połączeń. Kłopotliwe złącza miały stopień ochrony IP69, a woda wpływała do nich na skutek kapilarnego ruchu kropel, które spływały po dławicy kablowej i dalej po stykach. Sprzyjały temu trudne warunki pracy koparek, w których nawet złącza dobrze dopasowane są narażone na liczne niekorzystne czynniki (wilgoć, zapylenie, środki chemiczne). Problem był powodem kosztownych przestojów i konserwacji tych maszyn. Rozwiązaniem okazała się aplikacja specjalnego smaru do złączy. Środek ten powinien spełniać następujące warunki: musi mieć właściwości izolacyjne, by nie zwierał styków, nie może zwiększać rezystancji kontaktu na ich końcach, musi je uszczelniać, powinien być odporny na czynniki otoczenia i trwały, by chronić złącze jak najdłużej i najefektywniej między kolejnymi smarowaniami. W związku z tym wybrano smar na bazie oleju polialfaolefinowego. Charakteryzuje go stabilność termiczna i był kompatybilny z tworzywami sztucznymi, z których wykonano złącze. Zawiera oprócz tego dodatek w postaci zagęszczacza krzemionkowego nadającego mu właściwości hydrofobowe (zdolność odpychania cząsteczek wody). W skład smaru wchodzą też m.in. środki zapobiegające powstawaniu patyny i, ze względu na jego półprzezroczystość, barwnik, który reaguje na promieniowanie ultrafioletowe, ułatwiając jego wykrycie. Aplikując go, trzeba było przestrzegać kilku zasad. Przede wszystkim powinien być nakładany we wszystkich punktach wnikania wilgoci. Zalecono, by pokryć nim męską i żeńską stronę złącza. Należało także uważać, żeby go nie przepełnić, gdyż ze względu na wysoki stopień uszczelnienia (IP69) nadmiar smaru nie będzie mógł się wydostać przez tylną część złącza. |
Kable podmorskie
Kable podmorskie są użytkowane od ponad wieku, a na przestrzeni lat zakres ich zastosowań stale się poszerzał. Początkowo były używane do zasilania odizolowanych obiektów morskich, jak na przykład latarni morskich. Później głównym celem prowadzenia kabli pod powierzchnią morza było zasilanie wysp przybrzeżnych w zastępstwie pracujących lokalnie, zwykle nieefektywnych, agregatów prądotwórczych. W latach 60. ubiegłego wieku zaczęto je również wykorzystywać do łączenia niezależnych sieci elektroenergetycznych różnych krajów. Pozwala to na współdzielenie mocy wytwórczych w okresach większego zapotrzebowania, co zapewnia stabilność zasilania i efektywniejsze zarządzanie jednostkami wytwórczymi. Obecnie natomiast coraz ważniejszym zastosowaniem kabli podmorskich znów jest zasilanie obiektów morskich. Takimi są platformy wydobywcze ropy i gazu, będące odbiornikami energii zasilającej i farmy wiatrowe, zasilające za ich pośrednictwem sieci lądowe w zieloną energię. Oprócz kabli energetycznych pod powierzchnią morza prowadzone są również te telekomunikacyjne: telegraficzne, telefoniczne oraz internetowe.
Kable podmorskie mają kilka ograniczeń. Przede wszystkim ich instalacja jest kosztowna, pracochłonna i wolna, podobnie jak ich naprawa. Z drugiej strony wyróżnia je niezawodność transmisji i jej bezpieczeństwo, ponieważ nie są łatwo dostępne, co z kolei utrudnia fizyczną ingerencję, jak podsłuchanie transmisji czy celowe zniszczenie. Są także bardziej opłacalne niż satelity.
Aby spełnały swoją funkcję przez zakładany okres żywotności ich konstrukcja musi być dostosowana do specyfiki środowiska, w którym zostaną zainstalowane. W związku z tym od kabli układanych na dnie morskim wymaga się, by były wytrzymałe na kontakt ze skałami i nierównomiernościami podłoża. Ponadto mogą być narażone na uszkodzenie przez zwierzęta morskie oraz statki i łodzie rybackie (kotwice, sprzęt rybacki). Muszą także wytrzymywać ekstremalne warunki, jak sztormy, tsunami i aktywność wulkaniczna. Wymagana jest oprócz tego wodoszczelność – woda może się przedostać do ich wnętrza nie tylko w wyniku uszkodzenia osłony, ale również przez nieszczelne złącza.
Konstrukcje pancerzy
W zakresie ochrony przed wnikaniem wody stosuje się rozwiązania analogicznie do tych w kablach podziemnych. Przed uszkodzeniem mechanicznym z kolei kable podmorskie chronią pancerze.
Wykonuje się je z metalowych drutów owiniętych wokół kabla z określoną długością skrętu (skokiem), czyli długością kabla, na której drut go jednokrotnie oplata. Typowo jest ona od 10 do 30 razy większa niż średnica kabla, a średnica drutów wynosi od kilku milimetrów do nawet centymetra. Konstrukcja opancerzenia ma duży wpływ na właściwości kabla, takie jak sztywność zginania czy wytrzymałość na rozciąganie. Przykładowo pancerze o dużym skoku, w którym druty biegną prawie równolegle do osi kabla, charakteryzuje duża wytrzymałość na rozciąganie, bez nadmiernej sztywności skrętnej. Można je łatwo zwinąć. Z drugiej strony duży skok zwiększa sztywność zginania kabla, co jest niepożądane. Ważny jest też sposób nawijania: pancerze z nawinięciem jednokierunkowym mogą amortyzować skręcanie tylko w jedną stronę, spiralne natomiast mają tendencję skręcania kabla. Podwójna warstwa drutów zapewnia większa ochronę, zwłaszcza gdy są nawinięte w przeciwnym kierunku, dzięki czemu trudniej o ich przebicie ostrymi krawędziami. Wykonywane są również pancerze z drutami nawiniętymi z odstępami, które wypełnia się tworzywem sztucznych lub pozostawia niewypełnione. Taka konstrukcja zmniejsza wagę kabla i redukuje straty na prądy wirowe, zapewniając jednak mniejszą ochronę niż pancerz zamknięty. Pancerze wykonuje się zwykle ze stali miękkiej, a jeżeli ten materiał nie sprawdza się ze względu na straty i nagrzewanie, mogą go zastąpić m.in. miedź i aluminium. Pierwszy materiał charakteryzuje wysoka cena, mała wytrzymałość mechaniczna, ale dobra odporność na korozję w wodzie morskiej, co jest słabym punktem aluminium. Drogie są też pancerze ze stali nierdzewnej.
Podsumowanie
W artykule przedstawiliśmy przykłady różnych zastosowań, w których złącza i kable są użytkowane w wymagających warunkach, w niektórych bardziej niż w innych. Na podstawie opisanych rozwiązań konstrukcyjnych wyraźnie widać, że producenci tych komponentów są w stanie sprostać nawet najbardziej ekstremalnym potrzebom. Dlatego w praktyce to od tych, którzy mają zdecydować o ich wyborze, zależy, czy złącza i kable staną się najsłabszym ogniwem.
Monika Jaworowska