شناخت هادی های سیم و کابل

مـواد فلزی بـکار رفته بـرای توليـد هادی های الکتريکـی دارای خصوصيات زير هستند :

هدايـت الکتريکـی عالـی به منظـور کاهش تلفات تـا کمينه ترين حالت ممکن، به علت گرمايش ناشی از اثر ژول

مقاومت عالی در محيط های اثرگذار

قابليت اطمينان پايدار در برقراری اتصال الکتريکی

کاربرد آسان و قابليت بازيافت

تنهـا معـدودی از عناصـر قـادر بـه تأميـن چنيـن خصوصياتـی هسـتند، از جملـه ايـن عناصر اساسا می تـوان از مـس، آلومينيوم و آلياژهـای آنهـا نـام بـرد که موادی هسـتند که بـه مقدار زيـاد و به وفور در طبيعت يافت می شوند.

گاهـی ايـن خصوصيـات اصلـی مـواد بـرای کاربردهـای خاص کفايـت نمی کننـد و لازم اسـت پوششـی محافـظ بـرای بهبـود عملکرد اين مواد به آنها اضافه شود.

بنابرايـن بکارگيـری پوشـش هايی نظيـر: قلـع، نقـره و نيـکل باعـث ارتقـاء ويژگی هايـی ماننـد لحيم پذيـری، مقاومـت در برابـر اکسـيد شـدن، مقاومـت در برابـر حـرارت حيـن فرآينـد بعـدی (عايق کاری و ...) می شود.

1- خصوصيات فيزيکی مس

چگالی 8/90 (g/cm²)

مقاومت ويژه الکتريکی 1/7241 Ωµ.cm

هدايت الکتريکی 100 (%IACS)

ضریب دمایی مقاومت الکتریکی 0/0039

هدایت گرمایی در درجه سانتیگراد400w/m.k

تنش کششی (آنیل شده) 220/290 (MPA)

تنش کششی (سخت) 350/450 (MPA)

مدول الاستیک 120000 (MPA)

سختی (آنیل شده) 50

سختی (سخت) 110

انـواع مختلـف مس بـکار رفتـه در هادی ها عموما به دو دسته تقسیم می شوند :

مس ETP یا با محتوای اکسیژن بین 200 تا Cu-a1 300 (PPM)

مس OF یا CU-C1 بــا محتــوای بســيار کـم اکسيـژن ، (20 PPM) که قابلیت مقاومت در برابر شکنندگی هیدروژنی در هنگام گرمایش را داراست.

2- تعریف هادی ها

هـر هـادی شـامل سـيم يـا گروهـی از سـيم های بـدون عايـق اسـت کـه وظيفة انتقـال جريان الکتريکـی را به عهـده دارد. هادی را می تـوان بـه وسـيلة عمليـات کشـش تـك سـيمه يا چند سـيمه توليـد نمود. فرآيند کشـش چند سـيمه دارای محصـول خروجی به نـام LOCK اسـت. شـناخت انـواع مختلـف هادی هـا مسـتلزم توضيحاتـی اسـت کـه در فرهنگ لغات منـدرج در ايـن مقاله آمده است.

3- انواع هادی ها

سـاده ترين هـادی بـه شـکل تـك سـيمی گرد اسـت. ايـن نوع هـادی مقطـع فلـزی بيشـتری را بـا حداقل قطـر خارجی داراسـت. ولـی بـا انعطاف پذيـری کـم، توانايی شـکل پذيری اين نـوع هادی عموما بـرای بسـياری از کاربردها کفايـت نمی کنـد. بنابراين برای چنيـن کاربردهايـی، هادی هايـی متشـکل از سـيم های دارای قطر يکسـان تابيـده شـده بـه يکديگـر ترجيـح داده می شـوند. ايـن هادی هـا دارای ترکيـب گوناگـون و کاربردهـای تجربه شـده ای به صورت دسته بندی زير هستند :

هادی های تابیده منظم هم مرکز :

ايـن هـادی ها شـامل يك سـيم مرکزی احاطه شـده بـا يك يا چنـد لايـة مجـاور از سـيم ها هسـتند کـه بـه صـورت مارپيـچ در اطـراف آن تابيـده می شـوند. سـيم مرکـزی همـواره مشـابه سـاير سیم ها و سایر لایه هـای سـيم بـه صـورت مجـزا از هـم و هـم مرکـز بـا سـيم مرکـزی قـرار می گيرنـد.

سـيم های بـا قطـر يکسان، سـاختار عمومـی زيـر در نظـر گرفتـه می شود :

1+6+12+18+…

که در آن لایه n+1 دارای 6 رشته سیم بیش از تعداد رشته سیم های لایه n است.

نوع هادی تابيده منظم هم مرکز وجود دارد :

معمولی يا متعارف

تاب يکسان

هم جهت

گرد هم تاب

هشت وجهی هم تاب

ايـن هادی هـا دارای قطر دقيـق و يکنواخت، سـطح مقطع فلزی افزايـش يافتـه بـرای گـرد هم تـاب و کيفيـت سـطح بسـيار صاف می باشـند. تنهـا هـادی نوع هم تـاب را می تـوان در يـك مرحله به 12 صـورت تابيـده در آورد، ولـی توليـد آن نيازمنـد پيچـش لايـة درجـه اسـت و بنابرايـن توليد هادی مشـکل تر 15 سـيمه بـا زاويـة بـوده و در مقايسـه بـا سـاختار هشـت وجهـی هم تـاب پايـداری کمتری دارد.

هادی های دسته ای

هادی هـای دسـته ای شـامل سـيم هايی تابيده به هـم به صورت مارپيـچ ، در يـك جهـت و بـا طـول تـاب يکسـان، بـدون تشـکيل لایه هـای مشـخص هسـتند. از نظـر اصولـی، يك هادی دسـته ای نمی توانـد سـاختاری بـه گـردی هـادی تابيـدة منظـم هـم مرکـز داشـته باشـد.

شکل 2 مقطـع يـك هـادی دسـته ای را نشـان می دهد.

هادی تابیده گروهی

هادی هـای تابيـدة گروهـی متشـکل از چنديـن هـادی تابيـده منظـم يـا دسـته ای هسـتند که در يـك يا چنـد لايه به هـم تابيده شـده اند. ايـن هادی هـا طول تـاب يکسـانی دارنـد. اسـتانداردهای ASTM هادی هـای توليـد شـده بـا هادی هـای تابيـده منظـم هم مرکز (ASTM B173) را از هادی هـای توليـد شـده بـا هادی های دسته ای (ASTM B172) تفکیک میکنند.

چگونگـی سـاختار ايـن هادی هـا بـا توجـه بـه جهـت تـاب هادی هـای تابيـده منظـم يـا دسـته ای اوليـه تعييـن می شـوند. نامگـذازی ايـن هادی هـا بر اسـاس روش ارايه شـده در اسـتاندارد ASTM صـورت می گيـرد کـه در ايـن روش بايد مـوارد زير تعيين شوند.

هادی تابيده گروهی

در مرحلـه اول تعـداد اجـزای تشـکيل دهنـدة هـادی تابيـده گروهی 7 و 19 ،37 ،61

ســپس با جداســازی از طريــق کلمـه by تعداد اجزای تشکیل دهنده تابیده در هادی های تابیده منظم یا گروه

در پایان دا سازی از طریق کلمه by تعداد سیم هایی که در هادی اولیه تابیده هم مرکز یا گروهی وجود دارد.

مثال :

یک هادی گروهی به نام "19 by 19 by 7" دارای ساختاری به این معنی است.

7 سیم به هم تابیده شده اند تا یک هادی 7 سیم ارائه شود.

19 هادی 7 سیمه به هم تابیده شده اند تا یک جزء 19 دسته ای 7 سیمه تولید شده باشد.

19جزء از سیم های 19x7 تایی به هم تابیده شده اند تا یک هادی تابیده گروهی 19 by 19 by 7 تولید شود.

بـا توجـه بـه مـوارد گفته شـده، این هادی دارای 2527 رشته سـيم خواهـد بـود. جهت هـای تاب اجـزای مختلـف اين هـادی از اجزای اولیه تا اجزای بیرونی همان گونه که در جدول 2 نشان داده شده است , متفاوت خواهد بود.

4- خصوصيات اصلی هادی ها

خصوصيـات لازم برای انتخاب یک هادی اساسا شامل موارد زیر است :

قطر هادی

مقاومت خطی هادی

جرم خطی

قطر هادی :

محاسبه ابعاد هادی و شدت جریان نامی آن در کاربری هادی ضرورت دارد. توانایی هادی جهت شکل پذیری و انعطاف پذیری آن توسط ترکیب ساختاری آن تعیین میشود.

قطـر هـادی بـه قطـر رشـته های آن بسـتگی دارد. امـا دانسـتن صـرف قطـر رشـته های هـادی بـرای تعييـن قطـر هـادی کفايت نمی کنـد. بنابرايـن لازم اسـت ابتدا نحـوة ترکيب بنـدی متعددی را که قبلا بـه آنهـا اشـاره شـد دسـته بندی کنيـم. ترکيب بنـدی سـاختاری هـم مرکـز امـکان تعييـن قطـر را بـه آسـانی فراهـم می کنـد، در حالـی کـه ترکيــب ساختـــاری تـاب دسـته ای نيـاز بکارگيـری روابـط تجربـی را بـا قابليـت اطمينـان کـم الـزام آور می کند.

ساختار هادی های تابيده دسته ای و هادی تابيده گروهی

در ايـن حالت محاسـبة قطر هادی از اطمينـان کمتری برخوردار اسـت زيـرا تـا حـد زيـادی بـه روش تابيـدن و هنـر توليدکننـده و موارد ديگر بستگی دارد.

يـك رابطـه تجربـی بـرای تعييـن قطر هـادی در ايـن حالت به صـورت زيـر اسـت کـه بايـد بـا احتيـاط کامـل از آن بهـره گرفت ولی در هر حال ايده مناسبی برای تعيين قطر هادی است :

که در آن :

: D ميانگين قطر هادی به mm

: D قطر هر رشته سيم تکی به mm

: N تعداد کل رشته سيم ها mm

: K 1/13 بـرای هـادی دسـته ای و 1/18 هادی های تابیده گروهی

توجه : (در بیشتر کاربرد های معمول این ضرایب به ترتیب 1/16 و 1/2 در نظر گرفته می شوند)

جرم خطی :

سـيم ها بـه صـورت مارپيـچ بـه هـم تابيـده می شـوند و بنابراين طولـی اضافـی مصرف می شـود کـه جرم خطـی هـادی را افزايش دهـه و ايـن طـول اضافـی بـه طول تـاب بکار رفتـه بسـتگی دارد وهـر چـه طول تـاب کوتاه تر باشـد ايـن طول اضافی بيشـتر اسـت.

شـکل زيـر خصوصيـات مارپيـچ را نشـان می دهـد کـه بـرای محاسبات در نظر گرفته می شود.

که در آن :

= p طول تاب

= aزاویه پیچش

= dقطر هسته مرکزی

= lطول واقعی سیم

= dقطر هر رشته سیم

= rشعاع لایه ای که برابر است با 2/(D+d)

مقاومت خطی الکتريکی :

ايـن ويژگـی نقطـة آغازيـن بـرای گزينـش هـادی اسـت زيـرا تعيين کننـدة ظرفيـت انتقـال جريـان در هادی اسـت. ايـن ويژگی اساسا بـه جنـس فلز يـا آليـاژ آن، وضعيـت متالورژيکـی و يا وجود پوشـش بـر روی آن بسـتگی دارد. مقاومت نامی مـواد مختلف بکار رفته در توليد هادی ها در جدول آمده است.

(الف) وضعيت متالورژيکی

فلـز آنيـل شـده دارای حداقـل مقاومـت الکتريکی اسـت. فلزی که بر روی آن کار سـخت انجام شـده باشـد به خاطر تغيير شـکل مکانيکـی اعمـال شـده در سـاختار فلـز مقاومـت الکتريکـی آن افزايش می يابد.

(ب) مواد پوشش داده شده

بـه منظـور بهبـود برخـی ويژگی های خـاص، بعضـی از فلزات را می تـوان بـا سـاير مـوادی کـه دارای خصوصيـات مناسـب بـرای اهداف مخصوص مناسب اند پوشش داد.

به عنوان مثال :

قلـع بـه صورت پوشـش روی مس به منظور بهبـود لحيم پذيری، مقاومت در برابر خوردگی و عدم تأثير مواد عايق بر آن.

نقـره بـه صـورت پوشـش روی مـس بـه منظـور بهبـود هدايت الکتريکـی در جريـان فرکانس بـالا، لحيم پذيـری و مقاومت در دمای بالا حين گرمايش ناشی از مواد عايقی خاص.

نيـکل بـه صورت پوشـش روی مس و يـا آلومينيوم بـرای بهبود مقاومـت مـس در دمـای بـالا و مقاومـت تماسـی آلومينيـوم. به جـز نقـره، سـاير مـواد يعنـی قلـع و نقـره موجـب بـالا رفتـن مقاومـت می شـوند و ايـن واقعيـت را می تـوان در محاسـبات مقاومت خطی مورد نظر قرار داد.

(ج) تركيب بندی ساختار هادی

مقاومـت الکتريکـی يـك مـاده نسـبت مسـتقيم بـا طـول آن و نسـبت عکـس بـا سـطح مقطـع آن دارد. تابيـدن هـادی تأثيـر يکسـانی در مقاومـت الکتريکـی و جرم خطی آن، بـه علت افزايش طـول مصرفـی در رشـته سـيم های تابيـده دارد. بنابرايـن ضرايـب بـکار رفتـه در محاسـبة جـرم خطـی هماننـد ضرايـب مـورد نظـر برای محاسبة مقاومت الکتريکی است.

برخـی از ايـن روابـط کـه در آنها از اين سـه عامل بـرای هادی مسی استفاده شده در استاندارد NFC 31.111 آمده است.

مزايا و معايب تركيب بندی های مختلف ساختار هادی

عـلاوه بـر قطـر و مقاومـت الکتريکـی، هـر کاربـر بايد شـرايط گوناگونـی را بـرای گزينـش يـك نـوع از هـادی در نظـر بگيـرد.

جدول 5 برخـی از ويژگی هـای هادی هـا را بـر اسـاس کاربردهای مختلف به اختصار بيان می کند.

واژه نامه :

بـرای انـــواع گوناگـون هادی هـا لازم اسـت در واژه نامــه توضيـحاتی داده شود. ايـن واژه هـا که در پی می آيند در IEV20 (466) بخش 461-01 ارائه شده اند :

سیم : رشته فلزی کشيده شده با مقطع گرد يکنواخت

هـادی دسـته ای : هـادی متشـکل از سـيم های بـه هـم تابيـده به صـورت مارپيچـی، در جهت يکسـان و با طول تـاب همانند، بدون اینکه لایه های مشخص در آن وجود داشته باشد.

هـادی تابيـده منظـم هـم مركـز : هـادی متشـکل از يـك سـيم مرکـزی احاطـه شـده بـا يـك يـا چند لايـه مجـاور از سـيم ها که بـه صـورت مارپيـچ در جهت هـای يکسـان يـا متفـاوت کنـار هـم قرار گرفته اند.

هادی : سـيم يـا گروهـی از سـيم های عايق نشـده، بـرای انتقال جريـان الکتريکـی. هـادی را می تـوان با کشـش تك سـيم يا چند سـيم توليـد نمـود. در فرآينـد کشـش چنـد سـيم محصولی بـه نام Lock تولید میگردد.

هادی تابیده منظم : هـادی متشـکل از چندين سـيم کـه عموما بـه صـورت مارپيـچ بـه هـم تابيـده شـده اند. ايـن هـادی می تواند گرد یا شکل دار باشد.

هادی تک مفتولی : هادی متشـکل از يك سـيم تك رشـته اسـت که می تواند گرد يا شکل دار باشد.

هادی تابیده گروهی : هـادی متشـکل از چنديـن هـادی تابيـده منظم يا دسته ای که در يك يا چند لايه به هم تابيده شده اند.

هادی انعطاف پذیر : هـادی متشـکل از سـيم های ريـز کـه بـه گونـه ای بـه هـم تابيـده شـده اند کـه می تــوان آن را در کابـل انعطاف پذير بکار برد.

هادی گرد تابیده منظم هم مرکز : هـادی متشـکل از يك يا چند لایه هم مرکز مجزا از سیم هایی که عموما به صورت مارپیچ در جهت های مخالف هم تابیده شده اند.

هادی فشرده : هادی متشـکل از چندين سـيم کـه در فضاهای خالـی بيـن رشـته ها بـه وسـيله فشـار مکانيکـی يـا کشـش و يـا توسط انتخاب شکل و ترکيب بندی سيم ها کاهش يافته باشد.

هادی ساده : هـادی متشـکل از سـيم هايی کـه به وسـيله يک ماده فلزی محافظ پوشش داده نشده باشد.

هادی با اندود فلزی : هادی متشـکل از سـيم های پوشـش داده شده با لایه ای از یک ماده فلزی دیگر.

هادی با روکش فلزی : هادی دارای سـيم هايی متشـکل از يک هسـته مرکـزی که بـا فلز ديگری پوشـش داده شـده و بين اين دو فلز پيوند فلزی برقرار شده باشد.

هادی دارای سیم های با قطری یکسان : این هادی دارای سیم هایی است که قطر آنان با هم برابر است.

طول تاب : طـول محـوری يـك چرخـش کامـل مارپيـچ ايجاد شده توسط یک رشته سیم از هادی تابیده.

جهت تاب : جهـت پيچـش يـك لايـه از سـيم ها در ارتبـاط با محور هادی.