فصل اول
1-1 سیم ها و کابل ها در صنعت برق
در ارزش حیاتی انرژی الکتریکی، می گویند که خون رگهای جهان صنعت می باشد. و این توصیف خود نقش سازنده تولید و انتقال وتزوعی نیروی برق را بیان می کند.
ظاهرا تصور می شود که هزینه عمده استفاده از این انرژی فقط مربوط به تولید است، در حالیکه مراکز نیرو با همه تاسیسات وتجهیزات خود که به منزله قلب سیستم است حدود 30 تا 35 درصد از هزینه را به خود اختصاص می دهد و 65 تا 70 درصد کل هزینه تاسیسات مربوط به سیستم برق رسانی است.
مراحل برق رسانی نیز شامل موارد زیر است:
- انتقال انرژی از نیروگاه ها به فواصل طولانی که با فشار قوی انجام می گیرد.
- پخش انرژی که با ولتاژهای متوسط از یک خط انتقال فشار قوی صورت می گیرد تا انرژی مراکز عمده مصرف یک ناحیه را تامین کند.
- توزیع انرژی برق که با ولتاژهای معمولی از مراکز پست های فرعی هر ناحیه انجام می گیرد و برق مصرف خانگی یا صنعتی و کشاورزی را می رساند.
در تمام موارد فوق نیز، هزینه عمده برق رسانی را قیمت سیم های هادی انرژی در بر میگیرد و برای اینکه در هر موقع از شب و روز بتوان از جریان برق بمنزله یک منبع مطمئن انرژی استفاده شود تا روشنایی و گرما و نیروی محرکه صنایع تامین گردد، لازم است در هر مرحله ای از برق رسانی از هادی های مناسب استفاده شود که شبکه مشخصات زیر را داشته باشد:
- اطمینان کار
- امکان رفع فوری نواقص
- تامین حداقل شرایط قابل قبول با کمترین هزینه.
حال برای شناخت از تکنولوژی سیم ها و کابل های مورد مصرف در صنایع الکتریکی و کیفیت انتخاب و کاربرد آنها مباحثی بر این شرح بررسی می شود:
فلزات هادی- عایق های الکتریکی – انواع سیم ها- ساختمان و ارگذاشتن کابل ها.
قبل از آغاز بحث، برخی از تعاریف فیزیکی و مشخصات مواد بطور ساده یادآوری می شود و همچنین جداول و علائم و مقررات استاندارد در هر زمینه نیز درجه شده است.
1-2 یاداوری تعاریف فیزیکی از مشخصات مواد
ساختمان ماده
موادی که بطریق شیمیائی به مواد ساده تری تجزیه نشوند و از اتم های نظیر تشکیل یافته باشند مواد اصلی یا عناصر نام دارند. مجموعا 102 عنصر شناخته شده اند که از آنها 13 عنصر را بطور مصنوعی می توان بدست آورد.
اتم – کوچکترین جز یک عنصر شیمیائی که قابل تجزیه شدن به اجزا کوچکتر نباشد. اتم از هسته و الکترون هائی تشکیل یافته است که بدور هسته می چرخند.
ملکول- کوچکترین جز یک جسم است که با وسائل مکانیکی قابل تقسیم شدن با جزا کوچکتر نمی باشد و از اتم های نظیر یا غیر نظیر تشکیل یافته است که بطریق شیمیائی می توان آنها را جدا کرد.
حالات مواد
مواد اصلی شیمیائی به فلزات و غیر فلزات تقسیم بندی می شود. فلزات در درجه حرارت معمولی باستثنای جیوه، همگی جامدند و غیر فلزات (شبه فلزات) همگلی جامد یا گازی هستند (بجز برم که مایع است) فلزات به آهنی و غیر آهنی و همچنین فلزات سبک و سنگین تقسیم می شود.
جرم مخصوص – نسبت جرم m برحجم v را جرم مخصوص می گویند:
مقاومت مخصوص - مقاومت الکتریکی سیمی بطول یک متر و مقطع یک میلیمتر مربع را مقاومت مخصوص آن سیم می گویند که ممکن است دردرجات حرارت مختلف داده شود و علامت اختصاری آن است.
برای مایعات از واحد اهم سانتیمتر مربع بر سانتیمتر یا اهم سانتیمتر استفاده می شود.
برای عایق ها نیز اهم سانتیمتر یا ما اهم سانتیمتر بکار می رود.
قابلیت هدایت X- مقدار عکس مقاومت مخصوص را قابلیت هدایت می گویند.
ضریب حرارت - ضریب حرارت نشان می دهد که مقاومت هر اهم از جسمی در مقابل بالارفتن درجه حرارت باندازه یک سانتی گراد چقدر تغییر می کند (اضافه می شود یا کم می شود) واحد آن درجه/1 یا 1/grd می باشد.
مقاومت رویه- عبارت است از مقاومت در سطح عایق بین دو الکترود (دو قطعه فلزی در فاصله 10 میلی متر با ولتاژ 100 ولت و یا ولتاژ آزمایش 1000 ولت)
استحکام الکتریکی Ed- مقدار موثر ولتاژ متناوبی که بین دو الکترود واقع در نمونه آزمایش موجود بوده و باعث جرقه زدن می شود.
استحکام الکتریکی Ed- برابر نسبت ولتاژ آزمایش به ضخامت نمونه تحت آزمایش می باشد.
انبساط طولی (انبساط خطی) – عبارت است از افزایش طولی برحسب میکرومتر که یک میله بطول یک متر در اثر بالا رفتن درجه حرارت باندازه یک درجه سانتیگراد پیدا می کند. مقدار تغییرات طولی به نسبت درجات حرارت بیک نسبت نیست.
3-1 خواص و کاربرد فلزات غیر آهنی
مس (cu)- فلز چکش خوار و قابل خم شدن است و کارکرد در روی آن آسان است. در مقابل حرارت دوام زیادی دارد و در مقابل اسیدها و بازها مقاوم است. در برابر تشیکل نمک (بجز نوشادر، آمونیاک و گوگرد) نیز دوام دارد. قابلیت لحیم کاری، اتصالات مطمئن، در کلید ها و بست های برقی را دارد. قابلیت جوش دادن و ریختن آن خوب نیست. نسبت به درجه خواص مس در محصولات غلطکی، پرس و بویژه قابلیت هدایت الکتریکی آن خوب و قابل استفاده می باشد.
آلومینیوم (Al)- قابلیت کوره کاری و چکش خواری دارد، جوش دادن و قابل ریخته شدن آن میسر و در برابر زنگ زدگی مقاوم است.
در برابر اسیدها و بازها، غیر مقاوم بوده و با بست های پیچی نامطمئن است. هادی الکتریکی خوبی بوده و برای تهیه ورق های – بسیار نازک، لوله ها، میله ها و شاسی رادیو، حفاظت در مقابل نفوذ امواج و همچنین برای روتورهای فقسی در الکترو موتورها مناسب است.
سرب(pb) – قابل پرسکاری و چکش خوار یو غلطک زدن و لحیک کاری است. درمقابل اسید مقاوم بوده و فلز بسیار نرمی است. اتصال های سربی مثل اتصالات مسی، سمی است و در صفحه های باطری و پوشش سربی کابل ها، لوله ها، واشرها، سرنج، سفیدآب سرب و دستگاههای شیمیائی بکار می رود.
قلع (Sn)- قابلیت ذوب شدن و خم کردن و غلطک زدن دارد و چکش خوار است. برای لحیم کاری بسیار با اهمیت است. برای قلع اندود کردن سیم ها و ورق ها بکار می رود.
روی (Zn)- بخوبی قابلیت ریختن دارد و در حرارت 100 تا 150 درجه سانتیگراد چکش خوار است، قابل غلطک زدن، کشیدن و مقاوم در برابر زنگ زدگی بوده ولی در برابر اسیدها و بازها دوام ندارد. برای الکترودپیل ها، پوشش ها و بعنوان تهیه آلیاز برنج، مفرغ قابل استفاده است.
نیکل خام (Ni)- قابلیت کش آمدن، غلطک زدن، چکش خواری و جوش دادن دارد. خاصیت مغناطیسی و قابلیت صیقلی کردن در درجه گرمای معمولی، مقاوم در برابر زنگ زدگی و بالابردن خاصیت قابلیت نفوذ مغناطیسی دارد. در آکومولاتورها و آب – نیکل دادن فلزات و تهیه آلیاژهای نیکل و کنستانتان و ورق های بسیار نازک مورد استفاده قرار می گیرد.
آلیاژهای مس – ترکیبات مختلف از مس با سایر فلزات، انواع آلیاژها برنج را تشکیل می دهد که بخوبی قابل ریختن، براده گیری، لحیم کاری و قابلیت هدایت بسیار خوب، غیر مغناطیسی و مقاوم در برابر آب سرد و گرم و بخار و حساسیت کم در برابر محلول های آب و گاز می باشد. اگر درصد مس آن زیاد باشد در حالت سردی و با درصد کم مس و همچنین در حالت گرمی قابلیت شکل دادن دارد.
آلیاژهای نیکل – نیکل دارای قوه رنگ دهی زیاد است و آلیاژ را سفید رنگ می کند. مقدار مقاومت الکتریکی را بالا برده و تغییر مقاومت را با درجه حرارت کم می کند (برای مقاومت ثابت مثل کنستانتان مناسب است)
آلیاژهای منیزیم – این آلیاژها، جرم مخصوص کم با نقطه ذوب پائین دارند و بخوبی قابل براده گیری با ضریب الاستیسیته خیلی کم و غیر حساس در مقابل بارهای ضربه ای می باشند. قابل لحیم کاری نیستند ولی تحت شرایطی قابل جون دادن هستند. فقط در حالت گرم قابل تغییر شکل دادن هستند. چون براده های منیزیم باسانی قابل سوختن است در موقع براده گیری آن بایداحتیاط شود.
4-1 فلزات هادی برای خط انتقال انرژی
سیم آلومینیومی:
سیم های آلومینیومی داریا 5/99درصد آلومینیوم و 5/0 درصد از فلزات دیگر می باشد. مقاومت مخصوص آن در 20 درجه سانتیگراد میکرو اهم سانتیمتر است که در حدود 6/1 برابر مقاومت مخصوص مس سخت می باشد. در خطوط هوائی استفاده از آلومینیوم از نظر مقاومت مکانیکی جالب نیست و با انتخاب سیم آلومینیوم در خطوط هوائی ناچار باید فواصل پایه ها را کوتاه تر کرد و همینامر سبب افزایش تعداد پایه و در نتیجه بالا رفتن هزینه می گردد. لذا آلومینیوم را همراه با فولاد بکار می برند. در کابل های عایق عیب عمده استفاده از آلومینوم در مقایسه با مس در این است که در مقاومت های مساوی قطر کابل بزرگتر شده و حجم مواد عایق بیشتر می شود.
سیم آلملیک Almelec یا Aldrey
این فلزات آلیاژی است که 3/98 درصد آلومینوم و مقدار کمی منیزیم و سیلیسیم دارد که پس از آب دادن و زدن و دوباره پختن درست شده است و هدایت ویژه آن 10 درصد از آلومینیوم خالص کمتر است یعنی 10 درصد مقاومت مخصوص بیشتری دارد ( میکرواهم سانتیمتر است) ولی این آلیاژمقاومت مکانیکی درحد گسیختگی 67 درصد از آلومینیوم خالص بیشتر است یعنی اگر مقاومت مکانیکی در حد گسیختگی برای آلومینیوم 16 تا 19 کیلوگرم بر میلیمتر مربع می باشد. این فلز نسبت به (آلومینیوم –فولاد) دو عیب دارد، یکی اینکه قابلیت انبساط آن بیشتر است که مجبور به انتخاب پایه های بلندتر می شویم، دوم اینکه سبکتر از (آلومینیوم – فولاد) می باشد لذا در مقابل باد، انحراف بیشتری خواهد داشت.
سیم آلومینیوم – فولاد: این کابل ها در وسط یک هسته از رشته های فولاد گالوانیزه و در بیرون آن رشته های آلومینیومی دارد. مقامت مکانیکی آن بستگی به تعداد رشته های فولاد و آلومینیوم دارد. با نسبت های معمولی، مقاومت مخصوص آن کابل ها در حدود 5/3 میکرواهم سانتیمتر یعنی دو برابر مس و مقاومت مکانیکی آن 45 برابر مس می باشد. کابل هائی نیز از آلملیک و فولاد وجود دارد که در آن بجای آلومینیوم ، آلیاژ الملیک بکار رفته است.
سیم مس – فولاد (کاپرولد copper weld)
این هادی دارای مغز فولادی است که از فلز مس پوشیده شده است. مقاومت مکانیکی آن در حد گسیختگی 70 الی 100 کیلوگرم بر میلیمتر مربع می باشد. هدایت مخصوص آن یک چهارم هدایت مخصوص مس ونصف هدایت مخصوص آلومینیوم – فولاد می باشد.
اگر شدت جریان باندازه کافی ضعیف باشد انتخاب سطح مقطع از روی ملاحظات مکانیکی تعیین می شود.مزایای این سیم نسبت به سیم مسی عبارت است از:
الف – وزن کمتری دارد
ب – فواصل پایه های حامل را می توان طولانی تر انتخاب کرد.
ج)- قیمت هر کیلوگرم آن ارزانتر است.
لذا بیشتر بعنوان کابل زمین در خطوط فشار قوی و یا کابل های حامل بکار برده می شود.
سیم فولادی – از فولاد اغلب به عنوان کابل زمین استفاده می شود و دو نوع دارد یکی فولاد با مقاومت مکانیکی در حد گسیختگی 140 کیلوگرم بر میلیمتر مربع که کربن کمتری دارد و دیگری فولاد با کربن بیشتر و مقاومت مکانیکی در حد گسیختگی 180 کیلوگرم بر میلیمتر مربع که بهر حال در کابل های آلومینیوم – فولاد و آلملیک – فولاد یا کابل های زمینی، از نوع دوم بطور متداول زیاد مصرف می شود.