بنية الكابل ومادة عملية تصنيع كابلات الطاقة.

يبدو هيكل الكابل بسيطًا، ولكن في الواقع، لكل مكون من مكوناته غرض مهم خاص به، لذلك يجب اختيار مادة كل مكون بعناية عند تصنيع الكابل، وذلك لضمان موثوقية الكابل المصنوع من هذه المواد أثناء التشغيل.

1. مادة موصلة
تاريخيًا، كانت المواد المستخدمة في موصلات كابلات الطاقة هي النحاس والألومنيوم. كما جُرِّب الصوديوم لفترة وجيزة. يتميز كل من النحاس والألومنيوم بموصلية كهربائية أفضل، ونظرًا لأن كمية النحاس أقل نسبيًا عند نقل نفس التيار، فإن القطر الخارجي لموصل النحاس أصغر من قطر موصل الألومنيوم. كما أن سعر الألومنيوم أقل بكثير من سعر النحاس. بالإضافة إلى ذلك، ولأن كثافة النحاس أعلى من كثافة الألومنيوم، فحتى مع تساوي قدرة نقل التيار، يكون المقطع العرضي لموصل الألومنيوم أكبر من مقطع موصل النحاس، ومع ذلك يظل كابل موصل الألومنيوم أخف وزنًا من كابل موصل النحاس.

2. مواد العزل
تتوفر العديد من مواد العزل التي يمكن استخدامها في كابلات الطاقة متوسطة الجهد، بما في ذلك مواد العزل الورقية المشبعة ذات التقنية المتطورة، والتي تُستخدم بنجاح منذ أكثر من مئة عام. واليوم، يُعد عزل البوليمر المبثوق مقبولاً على نطاق واسع. تشمل مواد عزل البوليمر المبثوق البولي إيثيلين (المنخفض الكثافة والعالي الكثافة)، والبولي إيثيلين المتشابك، والبولي إيثيلين المتشابك المقاوم للماء، والمطاط الإيثيلين بروبيلين. تتميز هذه المواد بخصائص اللدائن الحرارية واللدائن المتصلبة حرارياً. تتشوه المواد اللدائن الحرارية عند تسخينها، بينما تحافظ المواد المتصلبة حرارياً على شكلها عند درجات حرارة التشغيل.

2.1. العزل الورقي
في بداية استخدامها، كانت الكابلات المعزولة بالورق تتحمل أحمالًا خفيفة وتحظى بصيانة جيدة نسبيًا. مع ذلك، ومع استمرار المستخدمين في تحميل الكابلات بأحمال متزايدة، لم تعد ظروف الاستخدام الأصلية مناسبة لاحتياجات الكابلات الحالية، وبالتالي فإن الأداء الجيد السابق لا يضمن بالضرورة أداءً جيدًا في المستقبل. في السنوات الأخيرة، قلّ استخدام الكابلات المعزولة بالورق.
2.2.مادة PVC
لا يزال البولي فينيل كلوريد (PVC) يُستخدم كمادة عازلة لكابلات الجهد المنخفض (1 كيلو فولت)، كما يُستخدم أيضًا في تغليف الكابلات. مع ذلك، يتزايد استبدال استخدام PVC في عزل الكابلات بالبولي إيثيلين المتشابك (XLPE)، ويتزايد استبدال استخدامه في التغليف بالبولي إيثيلين الخطي منخفض الكثافة (LLDPE) أو البولي إيثيلين متوسط ​​الكثافة (MDPE) أو البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE)، وتتميز الكابلات غير المصنوعة من PVC بانخفاض تكاليف دورة حياتها.
2.3. البولي إيثيلين (PE)
طُوِّر البولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE) في ثلاثينيات القرن العشرين، ويُستخدم حاليًا كمادة أساسية في صناعة البولي إيثيلين المتشابك (XLPE) والبولي إيثيلين المتشابك المقاوم للماء (WTR-XLPE). في حالته الحرارية، تبلغ درجة حرارة التشغيل القصوى 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 يُمكنه الوصول إلى درجة حرارة تشغيل الكابلات المعزولة بالورق أو تجاوزها.

2.4.البولي إيثيلين المتشابك (XLPE)
مادة XLPE هي مادة متصلبة حرارياً مصنوعة عن طريق خلط البولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE) مع عامل ربط متقاطع (مثل البيروكسيد).
تبلغ درجة حرارة التشغيل القصوى للموصل في الكابل المعزول بمادة XLPE 90 درجة مئوية، ويصل اختبار الحمل الزائد إلى 140 درجة مئوية، ويمكن أن تصل درجة حرارة قصر الدائرة إلى 250 درجة مئوية. تتمتع مادة XLPE بخصائص عازلة ممتازة ويمكن استخدامها في نطاق الجهد من 600 فولت إلى 500 كيلو فولت.

2.5. بولي إيثيلين متشابك مقاوم للماء (WTR-XLPE)
تُقلل ظاهرة التفرع المائي من عمر كابلات البولي إيثيلين المتشابك (XLPE). توجد طرق عديدة للحد من نمو هذه الظاهرة، ولكن من أكثرها شيوعًا استخدام مواد عازلة مصممة خصيصًا لمنع نموها، تُعرف باسم البولي إيثيلين المتشابك المقاوم للماء (WTR-XLPE).

2.6. مطاط الإيثيلين بروبيلين (EPR)
مادة EPR هي مادة حرارية تتكون من الإيثيلين والبروبيلين (وأحيانًا مونومر ثالث)، ويُطلق على البوليمر المشترك لهذه المونومرات الثلاثة اسم مطاط الإيثيلين بروبيلين ديين (EPDM). تحافظ مادة EPR على ليونتها ومقاومتها الجيدة للتفريغ الكهربائي ضمن نطاق واسع من درجات الحرارة. مع ذلك، فإن فقد العزل الكهربائي لمادة EPR أعلى بكثير من فقد العزل الكهربائي لمادتي XLPE وWTR-XLPE.

3. عملية فلكنة العزل
تختلف عملية التشابك باختلاف البوليمر المستخدم. تبدأ عملية تصنيع البوليمرات المتشابكة ببوليمر أساسي، ثم تُضاف إليه مواد مُثبِّتة ومواد مُتشابكة لتكوين مزيج. تُضيف عملية التشابك نقاط اتصال إضافية إلى البنية الجزيئية. بعد التشابك، تبقى السلسلة الجزيئية للبوليمر مرنة، ولكن لا يمكن فصلها تمامًا وتحويلها إلى سائل منصهر.

4. مواد حماية الموصلات ومواد الحماية العازلة
تُشكّل طبقة الحماية شبه الموصلة على السطح الخارجي للموصل والعازل لتوحيد المجال الكهربائي وحصره داخل قلب الكابل المعزول. تحتوي هذه المادة على نوع هندسي من الكربون الأسود لتمكين طبقة الحماية من تحقيق موصلية مستقرة ضمن النطاق المطلوب.