يبدو هيكل الكابل بسيطًا، في الواقع، كل مكون منه له غرض مهم خاص به، لذلك يجب اختيار كل مادة مكونة بعناية عند تصنيع الكابل، وذلك لضمان موثوقية الكابل المصنوع من هذه المواد أثناء التشغيل.
1. مادة الموصل
تاريخيًا، كانت المواد المستخدمة في موصلات كابلات الطاقة هي النحاس والألومنيوم. كما جُرِّب الصوديوم لفترة وجيزة. يتميز النحاس والألومنيوم بموصلية كهربائية أفضل، وكمية النحاس أقل نسبيًا عند نقل نفس التيار، لذا يكون القطر الخارجي للموصل النحاسي أصغر من قطر موصل الألومنيوم. سعر الألومنيوم أقل بكثير من النحاس. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لارتفاع كثافة النحاس عن الألومنيوم، حتى مع تساوي سعة حمل التيار، يكون المقطع العرضي لموصل الألومنيوم أكبر من المقطع العرضي لموصل النحاس، إلا أن كابل موصل الألومنيوم يظل أخف وزنًا منه.
2. مواد العزل
هناك العديد من المواد العازلة التي يمكن استخدامها في كابلات الطاقة متوسطة الجهد، بما في ذلك مواد العزل الورقية المُشبّعة المتطورة تكنولوجياً، والتي استُخدمت بنجاح لأكثر من 100 عام. واليوم، يحظى عزل البوليمر المبثوق بقبول واسع. تشمل مواد عزل البوليمر المبثوق البولي إيثيلين (PE) (LDPE وHDPE)، وXLPE، وWTR-XLPE، وEPR. هذه المواد لدنة بالحرارة، بالإضافة إلى كونها صلبة بالحرارة. تتشوه المواد اللدنة بالحرارة عند تسخينها، بينما تحتفظ المواد الصلبة بالحرارة بشكلها في درجات حرارة التشغيل.
2.1. عزل الورق
في بداية تشغيلها، كانت الكابلات المعزولة بالورق تتحمل حمولة خفيفة وتتمتع بصيانة جيدة نسبيًا. ومع ذلك، مع استمرار مستخدمي الطاقة في استخدام الكابلات ذات الأحمال العالية، لم تعد ظروف الاستخدام الأصلية مناسبة لاحتياجات الكابل الحالي، وبالتالي، لا يمكن للتجربة الجيدة الأصلية أن تعكس التشغيل المستقبلي للكابل، ويجب أن يكون جيدًا. في السنوات الأخيرة، أصبح استخدام الكابلات المعزولة بالورق نادرًا.
2.2.بولي فينيل كلوريد
لا يزال البولي فينيل كلوريد (PVC) يُستخدم كمادة عازلة لكابلات الجهد المنخفض 1 كيلو فولت، كما يُستخدم في التغليف. ومع ذلك، يُستبدل استخدام البولي فينيل كلوريد في عزل الكابلات سريعًا بالبولي إيثيلين المتشابك (XLPE)، كما يُستبدل استخدام البولي إيثيلين الخطي منخفض الكثافة (LLDPE) أو البولي إيثيلين متوسط الكثافة (MDPE) أو البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE)، وتتميز الكابلات غير المصنوعة من البولي فينيل كلوريد بتكاليف دورة حياة أقل.
2.3. البولي إيثيلين (PE)
طُوِّر البولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE) في ثلاثينيات القرن الماضي، ويُستخدم الآن كراتنج أساسي في البولي إيثيلين المتشابك (XLPE) ومواد البولي إيثيلين المتشابك المقاوم للماء (WTR-XLPE). في الحالة اللدنة بالحرارة، تبلغ أقصى درجة حرارة تشغيل للبولي إيثيلين 75 درجة مئوية، وهي أقل من درجة حرارة تشغيل الكابلات المعزولة بالورق (80-90 درجة مئوية). وقد حُلّت هذه المشكلة مع ظهور البولي إيثيلين المتشابك (XLPE)، الذي يُمكن أن يُلبي أو يتجاوز درجة حرارة تشغيل الكابلات المعزولة بالورق.
2.4.البولي إيثيلين المتشابك (XLPE)
XLPE عبارة عن مادة صلبة بالحرارة يتم تصنيعها عن طريق خلط البولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE) مع عامل تشابك (مثل بيروكسيد).
الحد الأقصى لدرجة حرارة تشغيل الموصل للكابل المعزول بـ XLPE هو 90 درجة مئوية، ويصل اختبار الحمل الزائد إلى 140 درجة مئوية، ويمكن أن تصل درجة حرارة الدائرة القصيرة إلى 250 درجة مئوية. يتميز XLPE بخصائص عازلة ممتازة ويمكن استخدامه في نطاق الجهد من 600 فولت إلى 500 كيلو فولت.
2.5. شجرة مقاومة للماء مصنوعة من البولي إيثيلين المتشابك (WTR-XLPE)
ستؤدي ظاهرة نمو الأشجار المائية إلى تقليل عمر كابل XLPE. هناك طرق عديدة للحد من نمو الأشجار المائية، ولكن من أكثرها شيوعًا استخدام مواد عزل هندسية خاصة مصممة لمنع نمو الأشجار المائية، تُسمى البولي إيثيلين المتشابك المقاوم للماء WTR-XLPE.
2.6. مطاط الإيثيلين والبروبيلين (EPR)
EPR مادة صلبة بالحرارة مصنوعة من الإيثيلين والبروبيلين (أحيانًا مونومر ثالث)، ويُسمى البوليمر المشترك لهذه المونومرات الثلاثة مطاط الإيثيلين بروبيلين ديين (EPDM). على نطاق واسع من درجات الحرارة، يبقى EPR لينًا دائمًا ويتمتع بمقاومة جيدة للهالات. مع ذلك، فإن فقدان العزل الكهربائي لمادة EPR أعلى بكثير من فقدان XLPE وWTR-XLPE.
3. عملية الفلكنة العازلة
تختلف عملية التشابك باختلاف البوليمر المستخدم. يبدأ تصنيع البوليمرات المتشابكة ببوليمر مصفوفة، ثم تُضاف المثبتات ومواد التشابك لتكوين خليط. تُضيف عملية التشابك المزيد من نقاط الترابط إلى البنية الجزيئية. بعد التشابك، تبقى السلسلة الجزيئية للبوليمر مرنة، ولكن لا يمكن فصلها تمامًا إلى سائل منصهر.
4. مواد حماية الموصلات ومواد الحماية العازلة
تُبث طبقة الحماية شبه الموصلة على السطح الخارجي للموصل والعازل لتوحيد المجال الكهربائي واحتوائه في قلب الكابل المعزول. تحتوي هذه المادة على مادة الكربون الأسود الهندسية لتمكين طبقة الحماية من تحقيق توصيلية مستقرة ضمن النطاق المطلوب.
وقت النشر: ١٢ أبريل ٢٠٢٤