Giải thích về cáp điện: Các loại cáp điện và cách điện

là gì Cáp điện ?

Cáp điện là dây dẫn điện cách điện được thiết kế để truyền năng lượng điện từ nguồn đến tải - cho dù tải đó là tòa nhà, máy móc, một phần cơ sở hạ tầng hay thiết bị tiêu dùng. Mỗi cáp nguồn thực hiện đồng thời hai chức năng: dẫn dòng điện với tổn thất điện trở tối thiểu và chứa dòng điện đó một cách an toàn trong cấu trúc cách điện và được bảo vệ nhằm ngăn chặn sự tiếp xúc với con người, thiết bị hoặc môi trường.

Ở cấp độ cơ bản nhất, cáp nguồn bao gồm một nhạc trưởng và một lớp cách nhiệt . Trong thực tế, hầu hết các loại cáp được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp, thương mại và cơ sở hạ tầng đều phức tạp hơn đáng kể - kết hợp nhiều dây dẫn, màn chắn bán dẫn, lá chắn kim loại, lớp giáp và vỏ bọc bên ngoài, mỗi loại phục vụ một mục đích cơ hoặc điện xác định. Cấu trúc của cáp được xác định bởi điện áp mà nó phải mang, dòng điện mà nó phải xử lý, môi trường lắp đặt mà nó sẽ hoạt động và các ứng suất cơ học mà nó sẽ gặp phải trong suốt thời gian sử dụng.

Cáp điện được phân loại theo định mức điện áp thành ba loại chính: điện áp thấp (LV) cáp có điện áp đến 1 kV, dùng để đi dây trong tòa nhà, kết nối thiết bị và phân phối công nghiệp nhẹ; trung thế (MV) cáp cấp điện áp từ 1 kV đến 36 kV dùng để phân phối điện công nghiệp và các lộ nguồn; và điện áp cao (HV) cáp có điện áp trên 36 kV, sử dụng trong lưới điện truyền tải và cơ sở hạ tầng điện lực quy mô lớn. Mỗi loại điện áp có tiêu chuẩn kích thước dây dẫn riêng, yêu cầu về độ dày cách điện và quy tắc lắp đặt chi phối thiết kế và cách sử dụng của nó.

Vật liệu dẫn điện gần như phổ biến đồng hoặc nhôm . Đồng có độ dẫn điện vượt trội (khoảng 58 MS/m so với 35 MS/m của nhôm), độ bền kéo cao hơn và khả năng chống ăn mòn tốt hơn ở các điểm kết nối, khiến nó trở thành dây dẫn được ưu tiên cho hầu hết các ứng dụng cáp cố định và cáp mềm. Nhôm nhẹ hơn đáng kể và có chi phí trên mỗi đơn vị độ dẫn điện thấp hơn đáng kể, đó là lý do tại sao nó chiếm ưu thế trong các đường dây truyền tải trên không và cáp phân phối ngầm tiết diện lớn, nơi trọng lượng và chi phí vật liệu là những mối quan tâm hàng đầu.

Các loại cáp điện

Hệ thống cáp điện không phải là một loại sản phẩm đơn lẻ mà là một nhóm kết cấu rộng lớn, mỗi kết cấu được tối ưu hóa cho một sự kết hợp cụ thể giữa cấp điện áp, phương pháp lắp đặt, mức độ tiếp xúc với môi trường và nhu cầu cơ học. Các loại cáp quan trọng nhất trong phân phối điện và hệ thống dây điện trong tòa nhà được mô tả dưới đây.

Cáp PVC hoặc XLPE không bọc thép (NYY / N2XY)

Cáp hạ thế không bọc thép có lớp cách điện PVC hoặc XLPE và vỏ bọc bên ngoài bằng PVC là loại cáp được lắp đặt rộng rãi nhất trong các dịch vụ xây dựng, hệ thống dây điện công nghiệp nhẹ và các ứng dụng chôn trực tiếp trong ống dẫn. Ký hiệu NYY (cách điện PVC, vỏ bọc PVC) và ký hiệu N2XY (cách điện XLPE, vỏ bọc PVC) tuân theo các quy ước đặt tên IEC được sử dụng trên khắp Châu Âu và hầu hết các thị trường quốc tế. Các loại cáp này có sẵn ở cấu hình một lõi và đa lõi, với tiết diện dây dẫn từ 1,5 mm2 đến 300 mm2 hoặc lớn hơn. Các biến thể cách điện XLPE mang xếp hạng dòng điện cao hơn so với PVC tương đương ở cùng kích thước dây dẫn , nhờ hiệu suất nhiệt vượt trội của vật liệu cách nhiệt polyetylen liên kết ngang.

Cáp bọc thép (SWA và AWA)

Cáp bọc thép kết hợp một lớp bảo vệ cơ học giữa lớp cách điện và vỏ bọc bên ngoài. Dây thép bọc thép (SWA) cáp sử dụng một lớp dây thép mạ kẽm quấn xoắn ốc xung quanh cụm lõi cách điện, mang lại khả năng chống nghiền nát, sự tấn công của loài gặm nhấm và tác động ngẫu nhiên. SWA là lựa chọn tiêu chuẩn cho việc chôn lấp trực tiếp không có ống dẫn, phân phối ngầm và chạy trên bề mặt trong môi trường công nghiệp dễ bị hư hỏng cơ học. Dây nhôm bọc thép (AWA) cáp sử dụng dây nhôm thay cho thép, giảm trọng lượng và loại bỏ nguy cơ ăn mòn điện trong cáp dẫn nhôm — khiến chúng được ưu tiên sử dụng cho cáp một lõi ngầm, nơi lớp giáp thép sẽ tạo ra tổn thất dòng điện xoáy không thể chấp nhận được trong hệ thống xoay chiều.

Cáp cách điện khoáng (Cáp MICC/MI)

Cáp cách điện khoáng sử dụng bột magie oxit (MgO) nén làm vật liệu cách điện, được đóng gói giữa các dây dẫn bằng đồng và vỏ bọc bên ngoài bằng đồng hoặc thép không gỉ liền mạch. Kết quả là một sợi cáp có khả năng chống cháy đặc biệt — MgO không cháy và vỏ kim loại sẽ không cháy hoặc phát ra khói độc trong mọi điều kiện cháy. Cáp MI duy trì tính toàn vẹn của mạch ở nhiệt độ vượt quá 1.000°C và được yêu cầu cho các mạch báo cháy, chiếu sáng khẩn cấp, hệ thống hút khói và hệ thống dây điện an toàn tính mạng khác trong nhiều quy chuẩn xây dựng. Hạn chế của chúng là chi phí cao hơn, độ linh hoạt hạn chế và dễ bị hơi ẩm xâm nhập ở các đầu cắt, đòi hỏi các đầu nối phải bịt kín.

Cáp linh hoạt và cáp kéo

Cáp linh hoạt sử dụng dây dẫn bện mịn — được cấu tạo từ hàng chục đến hàng trăm dây mỏng riêng lẻ xoắn lại với nhau — để đạt được bán kính uốn và độ bền chu kỳ uốn cần thiết cho các kết nối di động: dây thiết bị, dụng cụ cầm tay, dây dẫn kéo dài và dây dẫn máy. Loại bện dây quyết định tính linh hoạt: Dây dẫn Loại 5 (sợi mịn) và Loại 6 (sợi siêu mảnh) theo IEC 60228 được sử dụng cho các ứng dụng thường xuyên bị uốn cong, trong khi Loại 2 (sợi dây) là tiêu chuẩn cho hệ thống dây điện cố định. Lớp cách điện và vỏ bọc cáp linh hoạt được thiết kế để chống mài mòn, dầu và uốn cong nhiều lần thay vì tối ưu hóa hoàn toàn cho hiệu suất nhiệt.

Cáp XLPE trung thế và cao thế

Trên 1 kV, việc xây dựng cáp trở nên phức tạp hơn nhiều. Yêu cầu cáp MV và HV nhạc trưởng screens and insulation screens - các lớp mỏng vật liệu bán dẫn được phủ trực tiếp lên dây dẫn và trên bề mặt ngoài của lớp cách điện - để làm phẳng nồng độ điện trường ở bề mặt dây dẫn và ở bề mặt cách điện-vỏ bọc. Nếu không có những màn chắn này, hình dạng không đồng nhất của dây dẫn bị mắc kẹt sẽ tạo ra cường độ trường cục bộ đủ để gây ra sự suy giảm cách điện theo thời gian. XLPE là vật liệu cách điện chiếm ưu thế cho cáp MV và HV trên toàn thế giới, loại cáp cách điện bằng giấy dầu (PILC) thay thế phần lớn trong 30 năm qua nhờ khả năng chống ẩm vượt trội, trọng lượng nhẹ hơn và khả năng hoạt động ở nhiệt độ dây dẫn cao hơn (90°C liên tục so với 70°C đối với PVC).

Cáp dữ liệu và tín hiệu có dây dẫn điện (Cáp lai)

Cáp lai kết hợp dây dẫn điện và dây dẫn tín hiệu hoặc dữ liệu trong một vỏ bọc duy nhất, giúp giảm độ phức tạp khi lắp đặt trong các ứng dụng mà cả nguồn điện và thông tin liên lạc phải đạt đến cùng một điểm cuối — máy móc công nghiệp, hệ thống camera quan sát, tự động hóa tòa nhà và giám sát năng lượng tái tạo. Các phần tử nguồn và tín hiệu được tách biệt về mặt vật lý và thường được sàng lọc riêng lẻ trong cáp để ngăn nhiễu điện từ từ dây dẫn điện làm hỏng mạch tín hiệu.

Các loại dây cách điện

Cách điện dây là lớp vật liệu bao quanh dây dẫn ngăn dòng điện thoát ra khỏi đường dự định. Lớp cách điện phải chịu được ứng suất điện của điện áp hoạt động, ứng suất nhiệt của nhiệt độ dây dẫn khi tải và mọi ứng suất cơ học hoặc hóa học do môi trường lắp đặt gây ra. Việc lựa chọn vật liệu cách điện là một trong những quyết định quan trọng nhất trong thông số kỹ thuật của cáp - nó quyết định mức nhiệt độ vận hành, khả năng mang dòng điện, khả năng kháng hóa chất, đặc tính cháy và tuổi thọ sử dụng.

PVC (Polyvinyl clorua)

PVC là vật liệu cách điện và vỏ bọc cáp được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn cầu, chiếm phần lớn sản lượng cáp điện áp thấp tính theo số lượng. Sự thống trị của nó đến từ sự kết hợp thuận lợi của các đặc tính với chi phí thấp: độ bền điện môi phù hợp, khả năng chống ẩm và nhiều hóa chất tốt, độ bền cơ học hợp lý và dễ gia công trên thiết bị ép đùn tiêu chuẩn. Chất cách điện PVC tiêu chuẩn được đánh giá cho nhiệt độ dây dẫn liên tục của 70°C , với công thức đặc biệt dành cho các ứng dụng ở nhiệt độ 90°C và 105°C.

Hạn chế chính của PVC là khả năng cháy của nó. Quá trình đốt cháy PVC giải phóng khí hydro clorua và các hợp chất halogen độc hại khác, còn cáp PVC tạo ra khói đen dày đặc trong điều kiện cháy. Đây là lý do tại sao PVC ngày càng bị hạn chế hoặc bị cấm sử dụng trong các tòa nhà có công suất sử dụng cao, không gian hạn chế, đường hầm và cơ sở hạ tầng giao thông công cộng - đặc biệt là ở Châu Âu, nơi các yêu cầu về Low Smoke Zero Halogen (LSZH) đã thay thế PVC ở nhiều hạng mục đặc điểm kỹ thuật.

XLPE (Polyethylene liên kết ngang)

XLPE được sản xuất bằng cách liên kết ngang các chuỗi polyme của polyetylen, chuyển đổi vật liệu nhựa nhiệt dẻo thành chất rắn nhiệt. Liên kết ngang tạo ra mạng lưới polymer ba chiều không tan chảy hoặc chảy ở nhiệt độ cao - không giống như polyetylen hoặc PVC tiêu chuẩn, chúng mềm dần khi nhiệt độ tăng. Kết quả là vật liệu cách điện được đánh giá cho nhiệt độ dây dẫn liên tục từ 90°C (cáp điện) và nhiệt độ ngắn mạch lên tới 250°C, so với giới hạn ngắn mạch 70°C liên tục và 160°C của PVC.

Định mức nhiệt độ cao hơn của XLPE trực tiếp làm tăng khả năng mang dòng của cáp ở kích thước dây dẫn nhất định - cáp cách điện XLPE 95 mm2 mang dòng điện cao hơn khoảng 15–20% so với cùng kích thước dây dẫn có lớp cách điện PVC trong điều kiện lắp đặt tương đương. XLPE còn có đặc tính điện môi vượt trội, khiến nó trở thành lựa chọn cách điện cho tất cả các loại cáp trung thế và cao thế. Những hạn chế của nó bao gồm chi phí vật liệu và xử lý cao hơn so với PVC và thực tế là liên kết chéo là không thể đảo ngược - các đoạn cáp XLPE và mảnh vụn không thể được tái chế bằng cách nấu chảy lại.

LSZH / LS0H (Ít khói không halogen)

Các hợp chất vỏ bọc và cách nhiệt LSZH được chế tạo từ nhựa nhiệt dẻo hoặc polyme nhiệt rắn không chứa halogen - thường dựa trên hỗn hợp polyolefin chứa đầy nhôm trihydrat (ATH) hoặc magie hydroxit làm chất chống cháy. Khi tiếp xúc với lửa, vật liệu LSZH thải ra khói tối thiểu và không tạo ra khí axit halogenic. Điều này cải thiện đáng kể khả năng sống sót và điều kiện sơ tán trong không gian kín: hydro clorua từ việc đốt cáp PVC là nguyên nhân chính gây mất năng lực trong các vụ cháy tòa nhà , không phụ thuộc vào nhiệt và ngọn lửa.

Cáp LSZH được yêu cầu sử dụng trong các đường hầm, sân bay, nhà ga, trung tâm dữ liệu, tàu hải quân và các tòa nhà có công suất sử dụng cao ở hầu hết các thị trường phát triển. Sự đánh đổi so với PVC là chi phí cao hơn và, trong một số công thức, tính linh hoạt giảm ở nhiệt độ thấp - thích hợp cho việc lắp đặt ở vùng khí hậu lạnh hoặc môi trường lạnh.

EPR (Cao su Ethylene Propylene)

EPR là vật liệu cách nhiệt bằng cao su tổng hợp mang lại tính linh hoạt tuyệt vời trong phạm vi nhiệt độ rộng (thường liên tục từ −40°C đến 90°C), khả năng chống ozon, bức xạ UV và thời tiết vượt trội cũng như đặc tính điện môi tốt. Cáp EPR duy trì tính linh hoạt trong điều kiện lạnh trong đó PVC và XLPE có độ cứng đáng kể, khiến EPR trở thành vật liệu cách nhiệt được ưu tiên cho cáp khai thác, các ứng dụng ngoài khơi và hàng hải, cáp hàn và bất kỳ hệ thống lắp đặt nào cần uốn cong nhiều lần trong môi trường ngoài trời hoặc khắc nghiệt. EPR cũng được sử dụng làm vật liệu cách nhiệt trong cáp trung thế, nơi tính linh hoạt của nó giúp đơn giản hóa việc lắp đặt ở những tuyến cáp tắc nghẽn.

Cao su silicon

Vật liệu cách nhiệt bằng cao su silicon hoạt động trong phạm vi nhiệt độ đặc biệt - thường là −60°C đến 180°C liên tục, với một số cấp được đánh giá tới 200°C hoặc cao hơn. Nó vẫn linh hoạt ở nhiệt độ đông lạnh, nơi hầu hết các vật liệu cách nhiệt khác trở nên giòn và giữ được các đặc tính điện ở nhiệt độ có thể làm suy giảm PVC hoặc EPR. Cáp cách điện bằng silicon được sử dụng trong hệ thống dây điện lò, bộ phận làm nóng, ứng dụng hàng không vũ trụ và quốc phòng cũng như thiết bị công nghiệp nhiệt độ cao. Silicone có độ bền cơ học tương đối thấp so với các vật liệu cách nhiệt cứng hơn và cần xử lý cẩn thận để tránh mài mòn bề mặt, nhưng trong các ứng dụng nhiệt độ cao, nó thường là lựa chọn cách nhiệt khả thi duy nhất.

PTFE (Polytetrafluoroetylen)

PTFE có khả năng kháng hóa chất cao nhất so với bất kỳ vật liệu cách điện dây thông thường nào - về cơ bản nó trơ với tất cả các axit, bazơ và dung môi ở nhiệt độ lên tới 260°C. Dây cách điện PTFE được sử dụng trong các dụng cụ thí nghiệm, thiết bị xử lý hóa chất, hệ thống dây điện hàng không vũ trụ và bất kỳ ứng dụng nào mà việc tiếp xúc với hóa chất mạnh hoặc nhiệt độ khắc nghiệt sẽ phá hủy các vật liệu cách điện khác. PTFE đắt tiền và khó xử lý, điều này hạn chế việc sử dụng nó trong các ứng dụng chuyên biệt, nơi sự kết hợp đặc tính độc đáo của nó không thể được nhân rộng bằng các giải pháp thay thế chi phí thấp hơn.

Magiê Oxide (Khoáng cách nhiệt)

Như đã mô tả trong phần các loại cáp ở trên, bột MgO nén đóng vai trò là chất cách điện trong cáp cách điện bằng khoáng chất. Đây là loại vật liệu cách điện cáp thực sự không cháy duy nhất được sử dụng phổ biến - nó không cháy, không phát ra khí và không bị suy giảm trong điều kiện cháy có thể phá hủy mọi loại vật liệu cách nhiệt khác. Ứng dụng của nó rất chuyên biệt nhưng rất quan trọng ở bất cứ nơi nào tính toàn vẹn của mạch điện trong điều kiện hỏa hoạn là yêu cầu an toàn tính mạng.

Môi trường lắp đặt quyết định lựa chọn cáp và cách điện như thế nào

Không có loại cáp hay vật liệu cách điện nào là tối ưu toàn diện — thông số kỹ thuật chính xác luôn được xác định bằng sự kết hợp giữa các yêu cầu về điện và môi trường vật lý mà cáp phải tồn tại trong suốt thời gian sử dụng của nó.

• Chôn trực tiếp không cần ống dẫn yêu cầu cáp bọc thép (SWA hoặc AWA) có vỏ bọc bên ngoài chắc chắn, chịu được độ ẩm của đất, hóa chất trong đất và thỉnh thoảng bị xáo trộn cơ học. Chất cách điện XLPE được ưa chuộng hơn PVC vì khả năng chống ẩm và công suất dòng điện cao hơn.
• Các tòa nhà và không gian công cộng khép kín ngày càng yêu cầu cáp LSZH theo các quy định an toàn về phòng cháy chữa cháy, đặc biệt là ở các lối thoát hiểm, phòng máy và các khu vực phía trên trần treo nơi cáp chạy với số lượng lớn.
• Chạy bộ ngoài trời yêu cầu vỏ bọc ổn định tia cực tím (polyethylen đen hoặc PVC chống tia cực tím) và đối với các loại cáp có nguy cơ hư hỏng cơ học, có lớp bọc thép hoặc bảo vệ ống dẫn.
• Môi trường nhiệt độ cao - gần lò nung, động cơ hoặc hệ thống xả - yêu cầu cáp được đánh giá theo nhiệt độ môi trường xung quanh cộng với độ tăng nhiệt của dây dẫn khi có tải. Cách nhiệt silicon hoặc EPR thường được chỉ định khi nhiệt độ môi trường vượt quá 70°C.
• Tiếp xúc với hóa chất — trong các nhà máy dược phẩm, hóa dầu hoặc chế biến thực phẩm — có thể yêu cầu lớp cách điện PTFE hoặc vỏ bọc phức hợp đặc biệt chống lại các hóa chất cụ thể có mặt, vì PVC hoặc XLPE tiêu chuẩn có thể phồng lên, nứt hoặc mất tính toàn vẹn điện môi khi tiếp xúc với một số dung môi và dầu.

Hiểu được những mối quan hệ này giữa môi trường lắp đặt, kết cấu cáp và vật liệu cách điện là nền tảng của thông số kỹ thuật cáp chính xác. Chọn cáp được xếp hạng không phù hợp với môi trường là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất gây ra lỗi cáp sớm — và trong các ứng dụng phân phối điện, lỗi cáp đồng nghĩa với việc ngừng hoạt động ngoài kế hoạch, thay thế tốn kém ở những tuyến đường không thể tiếp cận và các sự cố an toàn tiềm ẩn.