كابل الطاقة

كابل الطاقة هو كابل كهربائي يُستخدم خصيصًا لنقل الطاقة الكهربائية . وهو عبارة عن مجموعة من موصل كهربائي واحد أو أكثر ، عادةً ما تكون مجمعة في حزمة واحدة بغلاف عازل ، على الرغم من أن بعض كابلات الطاقة تُركّب ببساطة كأسلاك كهربائية مكشوفة . قد تكون كابلات الطاقة عبارة عن أسلاك محمولة قابلة للفصل (عادةً ما تكون مزودة بمحولات )، أو مثبتة كأسلاك دائمة داخل المباني والمنشآت ، مدفونة في الأرض ، أو موضوعة تحت الماء ، أو ممتدة فوق سطح الأرض . تُعرف كابلات الطاقة المجمعة داخل غلاف بلاستيكي حراري والمخصصة للتمديد داخل المباني باسم كابلات المباني ذات الغلاف غير المعدني ( NM-B ).

تُستخدم كابلات الطاقة المرنة الصغيرة للأجهزة الكهربائية مثل أجهزة الكمبيوتر وملحقاتها ، والأجهزة المحمولة ، والأجهزة المنزلية ، ووحدات الإضاءة ، والأدوات والآلات الكهربائية ، بالإضافة إلى إضاءة المنازل ، والتدفئة ، وتكييف الهواء ، وأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية على أسطح المنازل ، وأنظمة تخزين الطاقة المنزلية . أما كابلات الطاقة الأكبر حجماً فتُستخدم لنقل الكهرباء من الشبكة لتلبية الاحتياجات الصناعية والتجارية والسكنية ، فضلاً عن جزء كبير من النقل الجماعي ونقل البضائع (وخاصة النقل بالسكك الحديدية ).

استخدم أول نظام لتوزيع الطاقة، الذي طوره توماس إديسون عام 1882 في مدينة نيويورك ، قضبانًا نحاسية ملفوفة بالخيش وموضوعة داخل أنابيب صلبة مملوءة بمادة البيتومين . ^{[ 1 ]} على الرغم من أن تشارلز جوديير كان قد حصل على براءة اختراع للمطاط المُفلكن عام 1844، إلا أنه لم يُستخدم في عزل الكابلات حتى ثمانينيات القرن التاسع عشر، عندما استُخدم في دوائر الإضاءة. ^{[ 2 ]} في عام 1897، استُخدمت كابلات معزولة بالمطاط في دوائر كهربائية بجهد 11000 فولت، والتي تم تركيبها لمشروع الطاقة في شلالات نياجرا .

أصبحت الكابلات متوسطة الجهد المعزولة بالورق المشبع بكميات كبيرة عملية تجارياً بحلول عام 1895. وخلال الحرب العالمية الثانية ، تم تطبيق العديد من أنواع العزل بالمطاط الصناعي والبولي إيثيلين على الكابلات. ^{[ 3 ]}

شهدت عمليات البناء السكنية والمكتبية النموذجية في أمريكا الشمالية العديد من التقنيات:

• الأسلاك المكشوفة والمغطاة بالقماش في وقت مبكر مثبتة بالدبابيس ^{[ 4 ]}
• الأسلاك ذات المقابض والأنابيب ، من ثمانينيات القرن التاسع عشر إلى ثلاثينيات القرن العشرين، باستخدام قماش مشبع بالأسفلت أو عزل مطاطي لاحق ^{[ 5 ].}
• الكابل المدرع، المعروف بالعلامة التجارية العامة "BX" - غلاف فولاذي مرن مع موصلين معزولين بالمطاط ومغطى بالقماش ^{[ 6 ]} - تم تقديمه في عام 1906 ولكنه أغلى من الموصلات المفردة المكشوفة
• أسلاك معزولة بالمطاط ومغطاة بأقمشة قطنية منسوجة (عادة ما تكون مشبعة بالقطران )، وحشوة من الورق المشمع - تم تقديمها في عام 1922
• كابل حديث معزول بمادة PVC، ثنائي أو ثلاثي الأسلاك مع سلك أرضي (مثل NM-B)، تنتجه علامات تجارية مثل Romex
• استُخدم سلك الألومنيوم في الستينيات والسبعينيات كبديل رخيص للنحاس ، ولا يزال يُستخدم حتى اليوم، ولكن يُعتبر الآن غير آمن بدون تركيب صحيح، بسبب التآكل واللين وانزلاق الوصلة . ^{[ 7 ]}
• استُخدم الأسبستوس كعازل كهربائي في بعض الأسلاك القماشية من عشرينيات القرن العشرين إلى سبعينياته، ولكن توقف استخدامه بسبب مخاطره الصحية. ^{[ 8 ] [ 9 ]}
• كابل تيك ، كابل مدرع مغلف بمادة PVC

تتوفر كابلات الطاقة الحديثة بأحجام ومواد وأنواع متنوعة، كل منها مصمم خصيصًا لاستخداماته. ^{[ 10 ]} كما تُسمى الموصلات المعزولة الكبيرة المفردة أحيانًا بكابلات الطاقة في هذا المجال. ^{[ 11 ]}

تتكون الكابلات من ثلاثة مكونات رئيسية: الموصلات ، والعازل ، والغلاف الواقي. ويختلف تركيب الكابلات الفردية باختلاف التطبيق. ويتحدد تصميمها ومادتها بثلاثة عوامل رئيسية:

• جهد التشغيل، الذي يحدد سمك العازل؛
• القدرة على حمل التيار، وتحديد حجم المقطع العرضي للموصل (الموصلات)؛
• تحدد الظروف البيئية مثل درجة الحرارة والماء والمواد الكيميائية أو التعرض لأشعة الشمس والتأثير الميكانيكي شكل وتكوين الغلاف الخارجي للكابل.

قد تتضمن الكابلات المخصصة للدفن المباشر أو التركيبات المكشوفة غلافًا معدنيًا على شكل أسلاك ملفوفة حلزونيًا حول الكابل، أو شريطًا مموجًا ملفوفًا حوله. قد يكون الغلاف مصنوعًا من الفولاذ أو الألومنيوم، وعلى الرغم من توصيله بالأرض، إلا أنه غير مصمم لنقل التيار الكهربائي أثناء التشغيل العادي. تُركّب كابلات الطاقة الكهربائية أحيانًا في قنوات، بما في ذلك أنابيب التوصيل الكهربائية وصواني الكابلات، والتي قد تحتوي على موصل واحد أو أكثر. عند استخدامها داخل مبنى، يتكون كابل البناء ذو ​​الغلاف غير المعدني (NM-B) من موصلين سلكيين أو أكثر (بالإضافة إلى موصل تأريض) مغلفة بغلاف عازل حراري بلاستيكي مقاوم للحرارة. يتميز هذا النوع من الكابلات عن كابلات البناء المدرعة بخفة وزنه وسهولة التعامل معه، بالإضافة إلى سهولة تشكيل غلافه. ^{[ 12 ]}

تستخدم كابلات الطاقة موصلات نحاسية أو ألومنيوم مجدولة ، بينما قد تستخدم كابلات الطاقة الصغيرة موصلات صلبة بأحجام تصل إلى 1/0. ( للحصول على شرح مفصل حول كابلات النحاس، انظر: أسلاك وكابلات النحاس ) . قد يحتوي الكابل على موصلات غير معزولة تُستخدم للحيادي في الدائرة أو للتأريض. يربط موصل التأريض هيكل الجهاز بالأرض لحمايته من الصدمات الكهربائية. تُعرف هذه الأنواع غير المعزولة بالموصلات العارية أو الموصلات العارية المطلية بالقصدير. قد يكون شكل الكابل دائريًا أو مسطحًا. يمكن إضافة خيوط حشو غير موصلة للحفاظ على شكله. يمكن تصنيع مواد الحشو بأنواع غير ماصة للرطوبة إذا تطلب التطبيق ذلك.

غالبًا ما تُغلّف كابلات الطاقة ذات الأغراض الخاصة للتطبيقات العلوية بسبائك عالية القوة، مثل ACSR ، أو بسلك حامل من الألومنيوم الملحوم. يُطلق على هذا الكابل اسم الكابل الهوائي أو الكابل الهوائي المُجمّع مسبقًا (PAC). يمكن طلب كابل PAC بدون غلاف، إلا أن هذا أصبح أقل شيوعًا في السنوات الأخيرة نظرًا لانخفاض التكلفة الإضافية لتوفير غلاف بوليمري . بالنسبة للتطبيقات الرأسية، قد يحتوي الكابل على أسلاك مُدرّعة فوق الغلاف، مصنوعة من الفولاذ أو الكيفلار . تُثبّت الأسلاك المُدرّعة على ألواح داعمة بشكل دوري للمساعدة في دعم وزن الكابل. قد يتم تضمين لوح داعم في كل طابق من المبنى أو البرج أو الهيكل. يُطلق على هذا الكابل اسم كابل الرفع المُدرّع . بالنسبة للانتقالات الرأسية القصيرة (ربما من 30 إلى 150 قدمًا)، يمكن استخدام كابل غير مُدرّع مع مشابك سلة (كيلوم) أو حتى سدادات قنوات مصممة خصيصًا.

غالبًا ما تُراعى عند تحديد مواصفات غلاف الكابل مقاومته للماء والزيت وأشعة الشمس والظروف تحت الأرض والأبخرة الكيميائية والصدمات والحريق ودرجات الحرارة العالية. وفي تطبيقات الصناعة النووية، قد يتطلب الكابل مواصفات خاصة لمقاومة الإشعاع المؤين . أما كابلات النقل، فقد تُحدد موادها بحيث لا تُنتج كميات كبيرة من الدخان عند احتراقها (منخفضة الدخان وخالية من الهالوجين). ويجب مراعاة الأضرار الناجمة عن أعمال الردم أو الحفر عند دفن الكابلات مباشرةً. وتُعدّ أغلفة البولي إيثيلين عالي الكثافة أو البولي بروبيلين شائعة الاستخدام لهذا الغرض. أما كابلات مترو الأنفاق (الأقبية تحت الأرض)، فقد تُعطى الأولوية لمقاومة الزيت أو الحريق أو انخفاض الدخان. ونادرًا ما تُستخدم أغلفة الرصاص في الكابلات هذه الأيام . ومع ذلك، قد لا تزال بعض شركات المرافق تُركّب كابلات معزولة بالورق ومغطاة بالرصاص في دوائر التوزيع. ومن المرجح أن تستخدم كابلات النقل أو الكابلات البحرية أغلفة الرصاص. إلا أن استخدام الرصاص آخذ في التراجع، ولا يوجد اليوم سوى عدد قليل من الشركات المصنعة لإنتاج هذه المنتجات. عندما يتعين تشغيل الكابلات في أماكن معرضة للتلف الميكانيكي (المواقع الصناعية)، يمكن حمايتها بشريط فولاذي مرن أو درع سلكي، والذي يمكن تغطيته أيضًا بغلاف مقاوم للماء.

يمكن أن يشتمل الكابل الهجين على موصلات لإشارات التحكم أو قد يشتمل أيضًا على ألياف بصرية للبيانات.

الفولتية العالية

بالنسبة للدوائر التي تعمل عند أو أعلىعند وجود فرق جهد يصل إلى 2000  فولت بين الموصلات، يجب أن يحيط غلاف موصل بعازل الموصل. يعمل هذا الغلاف على معادلة الإجهاد الكهربائي على عازل الكابل. وقد حصل مارتن هوخشتاتر على براءة اختراع هذه التقنية عام 1916؛ ^{[ 2 ]} ويُطلق على هذا الغلاف أحيانًا اسم غلاف هوخشتاتر. بالإضافة إلى غلاف العزل شبه الموصل، يوجد أيضًا غلاف موصل. قد يكون غلاف الموصل شبه موصل (عادةً) أو غير موصل. ويؤدي غلاف الموصل وظيفة مشابهة لغلاف العزل: فهو يملأ الفراغات ويعادل إجهاد الجهد.

لتصريف الجهد المتسرب، سيتم وضع غلاف معدني فوق "شبه الموصل". يهدف هذا الغلاف إلى "جعل الكابل آمنًا" عن طريق خفض الجهد على السطح الخارجي للعازل إلى الصفر (أو على الأقل إلى ما دون الحد المسموح به من قبل إدارة السلامة والصحة المهنية).٥٠  فولت ). يمكن أن يتكون هذا الغلاف المعدني من شريط نحاسي رقيق، أو أسلاك تصريف متحدة المركز، أو أشرطة مسطحة، أو غلاف رصاصي، أو تصميمات أخرى. تُوصل الأغلفة المعدنية للكابل بالأرض عند نهايتي الكابل، وربما في نقاط أخرى على طوله إذا كان ارتفاع الجهد أثناء الأعطال يشكل خطرًا. يُعد التأريض متعدد النقاط الطريقة الأكثر شيوعًا لتأريض غلاف الكابل. تتطلب بعض التطبيقات الخاصة وجود فواصل في الغلاف للحد من التيارات الدائرة أثناء التشغيل العادي للدائرة. يمكن أن تكون الدوائر ذات الفواصل في الغلاف مؤرضة بنقطة واحدة أو نقاط متعددة. قد تتطلب بعض الحالات الهندسية الخاصة التوصيل المتقاطع.

لا تزال الكابلات المملوءة بالسوائل أو الغازات تُستخدم في أنظمة التوزيع والنقل حتى اليوم.قد تُعزل الكابلات ذات الجهد 10  كيلوفولت أو أعلى بالزيت والورق، وتُمرر داخل أنابيب فولاذية صلبة، أو أغلفة شبه صلبة من الألومنيوم أو الرصاص. وفي حالة الفولتية العالية، يُحفظ الزيت تحت ضغط لمنع تكون فراغات قد تسمح بحدوث تفريغ جزئي داخل عازل الكابل.

تُعرف الكابلات المملوءة بالسوائل بعمرها التشغيلي الطويل للغاية مع انقطاعات قليلة أو معدومة. مع ذلك، تُشكل تسربات النفط إلى التربة والمسطحات المائية مصدر قلق بالغ، ويُعدّ الحفاظ على أسطول من محطات الضخ اللازمة عبئًا على ميزانية التشغيل والصيانة لمعظم شركات الكهرباء. غالبًا ما يتم استبدال الكابلات الأنبوبية بكابلات ذات عزل صلب عند انتهاء عمرها التشغيلي، على الرغم من قصر عمرها التشغيلي المتوقع.

تستخدم الكابلات الحديثة ذات الجهد العالي البولي إيثيلين أو البوليمرات الأخرى ، بما في ذلك XLPE ، للعزل، وتتطلب تقنيات خاصة للوصل والإنهاء.

تتميز معظم الكابلات الكهربائية بمرونة نسبية، ^{[ 13 ]} مما يسمح بشحنها إلى مواقع التركيب ملفوفة على بكرات أو أسطوانات أو لفائف يدوية. وتُعد المرونة عاملاً مهماً في تحديد فئة التجديل المناسبة للكابل، إذ تؤثر بشكل مباشر على الحد الأدنى لنصف قطر الانحناء. وتُصنف كابلات الطاقة عموماً ضمن فئات التجديل 1 أو 2 أو 5 أو 6 وفقاً للمعيار IEC 60228 .

الفئة 1 (الموصلات الصلبة)

تُصنع هذه الموصلات من سلك دائري واحد، إما عارٍ أو مطلي بالمعدن، وعادةً ما يتراوح قطره بين 0.5 مم² ^و 16 مم² ^. وتُستخدم بشكل أساسي في التركيبات الثابتة حيث لا تكون المرونة مطلوبة. ^{[ 14 ]}

الفئة 2 (الموصلات المجدولة)

تتكون الموصلات من الفئة 2 من أسلاك متعددة ملتوية معًا (عارية أو مغلفة)، وتوفر مرونة معتدلة، وهي متوفرة بأشكال دائرية أو دائرية مضغوطة أو قطاعية. ^{[ 14 ]}

الصف الخامس (مرن)

تُستخدم في التركيبات ذات أنصاف أقطار الانحناء المنخفضة أو الحركة المتوسطة. أمثلة: H05V-K، H07V-K، H05Z1-K، H07Z1-K، H03VV-F، H05VV-F، H05VV5-F، H05VVC4V5-K، H05VVH6-F، H05RR-F، H07RN-F، 052XZI-F ^{[ 14 ]}

الفئة 6 (مرونة إضافية)

للاستخدام الديناميكي أو عالي الحركة (مثل اللحام والروبوتات). أمثلة: H01N2-D، H01N2-E ^{[ 14 ]}

تحتوي الأسلاك المرنة على موصلات دقيقة مجدولة، إما على شكل حبل أو حزمة من الأسلاك المجدولة. وتتميز بغلاف خارجي يحتوي على كميات مناسبة من مواد الحشو لتحسين مرونتها وسهولة تشكيلها ومتانتها. تُصمم أسلاك الطاقة المرنة شديدة التحمل، مثل تلك المستخدمة في آلات قطع واجهات المناجم، بعناية فائقة، ويُقاس عمرها الافتراضي بالأسابيع. تُستخدم كابلات الطاقة المرنة للغاية في الآلات المؤتمتة والروبوتات وأدوات الآلات. راجع قسم أسلاك الطاقة وكابلات التمديد لمزيد من المعلومات حول كابلات الطاقة المرنة. تشمل الأنواع الأخرى من الكابلات المرنة: كابلات الأزواج الملتوية ، والكابلات القابلة للتمديد، والكابلات المحورية ، والكابلات المحمية ، وكابلات الاتصالات.

كابل الأشعة السينية هو نوع خاص من الكابلات المرنة عالية الجهد .