آشنایی با مواد اولیه به کار رفته در صنعت کابل سازی

مس copper

فلز مس در صنعت کابل­سازی به عنوان هادی مصرف می‌شود و پس از فلز نقره از نظر هدایت الکتریکی از بقیه فلزات بهتر است. البته از فلزات دیگری مثل آلومینیوم هم به عنوان هادی استفاده می‌شود. مخصوصاً در کابل‌های برق با مقطع بالا و کابل‌های هوایی فشار قوی که مغز آن‌ها از فولاد بوده و دور آن رشته‌های آلومینیومی تابیده شده و به نام سیم ACSR) Aluminium Conductor Steel Reinforced) معروف می‌باشد که روی دکل‌های فشار متوسط و فشار قوی دیده می‌شود. لازم به ذکر است که در خطوط هوایی فشار ضعیف (380/220 ولت) غالباً از هادی مسی سخت Hard drawn استفاده می‌شود. در صنعت کابل سازی از مس الکترولیت که به روش ذیل تهیه می‌شود استفاده می‌گردد: معادن مس در ایران بسیار فراوان است و عمده‌ترین آن‌ها سرچشمه در استان کرمان می‌باشد. سنگ معادن مس که حدود 00/1 درصد مس دارد توسط سنگ‌شکن‌ها خرد شده و در آسیاب‌های مخصوص به ذرات ریزتری تبدیل می‌گردد.

سنگ آسیاب شده در حوضچه‌های تغلیظ جداسازی شده و غلظت مس در این حالت به 18 درصد می‌رسد. سپس این مواد به کوره مذاب رفته و از این کوره مواد به صورت مذاب در پالت‌ها ریخته می‌شود که به این مت گفته می‌شود و غلظت مس در این حالت حدود 40 درصد می‌باشد. سپس این مواد را در حالت جامد در یک کوره کنورتور با اکسیژن و درجه حرارت بالا می‌سوزانند. در این حالت درجه خلوص مس به 98 درصد می‌رسد. سپس مس را به کوره های آند برده و با گاز پروپان احیا می‌کنند و به صورت صفحات آند و به وزن 340 کیلوگرم در قالب‌ها ریخته می‌شود. درجه خلوص مس در این حالت ۹۹.۵ درصد می‌گردد. در این مرحله صفحات آند در حوضچه های الکترولیز قرار داده و در اثر عبور جریان برق مس خالص از آند جدا شده و در کاتد به صورت صفحاتی در می آید که درجه خلوص آن ها تا ۹۹.۹۹ درصد می‌تواند برسد.

صفحات کاتد در کوره‌های ذوب ممتد رفته تا به صورت مس 8 میلی‌متر و کویل‌های حدود 5 تن در بیاید البته در این مرحله مس پس از ذوب ابتدا به صورت تسمه (مقطع مستطیل) با ابعاد 120 در 40 میلی‌متر در آمده و سپس در کویل‌های مس پس در همان مرحله در نورد به مفتول 8 میلیمتر که مورد استفاده در کابل‌سازی است تبدیل می‌شود.

کویل‌های مس 5تنی وارد ماشین‌های کشش شده و مفتول‌های ریزتری (از 5/3 تا 1/0 میلی متر) تحویل داده می‌شود. معمولاً تمام کابل‌سازی‌ها از این مرحله تولید را شروع می‌کنند. مشخصات کلی مس به صورت زیر می‌باشد:

قطر مفتول: 8+/-0.38mm

وزن مخصوص: 8.89 gr/cm3

مقاومت الکتریکی مخصوص: 0.01724 ohm.mm2/m

درصد ازدیاد طول (حداقل): 30%

مواد پی وی سی PVC

یکی از مواد اولیه عمده کابلسازی مواد PVC می باشد. پودر PVC که به نام ( پلی وینیل کلراید) می باشد به صورت خالص در صنعت کابلسازی قابل استفاده نبوده و باید با مواد دیگری به آن اضافه شود تا از نظر کار در اکسترودر و خواص مکانیکی و قابلیت انعطاف مورد نظر باشد. مواد اصلی گرانول PVC به ترتیب زیر می باشد:

• پودر PVC یا Resin PVC که ماده اصلی و پایه ای گرانول PVC می باشد.

این ماده که به صورت پودر بوده در صورت ذوب شدن بسیار سخت می‌شود.

• روان کننده ها: جهت بالا بردن خاصیت نرمی و انعطاف پذیری گرانول افزوده میشود.

مثل روغن DOTP و یا بعضی نرم کننده ها که خواص حرارتی بهتری دارند و برای تولید مواد PVC به کار می روند.

• تثبیت کننده ها: جهت مقاوم کردن مواد PVC در برابر حرارات به آن اضافه میشود.

مثل سولفات سرب و غیره.

• پرکننده ها: جهت ارزان کردن و مقاومت در برابر فرسودگی و چسبندگی سطحی و غیرفعال نمودن پلیمر در برابر اشعه UV می باشد.
• روان کننده ها: جهت سیال نمودن و روان کردن مواد در ماشین آلات و براق بودن سطح محصول مصرف میشود مثل استید استئاریک یا استئارات کلسیم.
• رنگ دانه ها: جهت رنگی کردن مواد بر طبق نیاز مصرف کننده استفاده میشود البته در کابل سازی معمولا از مستر بچ استفاده میشود.

با مخلوط کردن مواد فوق با نسبتهایی که نیاز مورد نظر را بر آورده کند مواد PVC جهت مصرف در انواع صنایع از قبیل لوله سازی، کفش سازی، پروفیل سازی، شیلنگ سازی، و کابل سازی تولید میشود. عمل مخلوط کردن در دستگاه میکسر صورت میگیرد پس از مخلوط کردن مواد در میکسر در اکسترودر مخصوص که دو مارپیچه یا به صورت های دیگر طراحی شده است به حالت خمیر در آمده و سپس توسط تیغه ای در جلو اکسترودر به صورت گرانول بریده شده و پس از خنک شدن در کیسه های مناسب بسته بندی شده و به محل مصرف فرستاده میشود.

در صنعت کابل سازی مواد PVC به صورت ذیل مصرف میشود:

• عایق: به علت اینکه عایق مستقیماً روی مس کشده میشود باعث عایق شدن بین دو هادی دارای اختلاف پتانسیل الکتریکی ( در کابل های برق و تلفنی و مشابه) میگردد که باید دارای استحکام دی الکتریک کافی باشد تا سیم ها در اثر عبود جریان به هم اتصالی نکنند لذا عایق باید دارای خواص الکتریکی و حرارتی و مکانیکی خیلی زیادی باشد تا زود مستهلک نشود.
• فیلر: یا پرکننده فقط برای پر کردن فواصل بین سیم ها در کابل به کار میرود و از نظر مکانیکی و الکتریکی خیلی ضعیف است و نیازی هم ندارد که خواص عایق یا روکش را دارا باشد.
• روکش: مواد روکش باید از نظر استحکام مکانیکی و حرارتی خواص قابل قبولی را دارا باشد و بسته به نوع کابل مورد مصرف میتواند نرم یا سفت باشد مثلاً در کابل های کنترل افشان یا کواکسیال نرم بوده و در کابل های نصب ثابت و برق و زیرزمینی باید سفت تر بوده و استحکام بالاتری داشته باشد.

اگر کابل در شرایط نرمال و استاندارد کابل کشی و مصرف شود حدود 30 سال عمر مفید خواهد داشت.

مواد پلی اتیلن PE

همان طوری که برای مواد PVC فرمول ها و نحوه ساخت مختلف وجود دارد و شرایط کار هر نوع PVC در اکسترودر از نظر فشار و درجه حرات و سرعت تولید فرق میکند.

پلی اتیلن هم به انواع مختلف تقسیم شده و شرایط کار آن ها فرق میکند.

به طور کلی پلی اتیلن از نظر خواص الکتریکی از PVC بهتر بوده ولی قابلیت انعطاف آن را نداشته و خود سوز می باشد متقابلاً PVC خود سوز نمی باشد. پلی اتیلن به انواع ذیل طبقه بندی میشود:

• پلی اتیلن با وزن مخصوص پایین LDPE این نوع پلی اتیلن برای عایق و روکش کابل ها به کار میرود از نظر کارکرد در اکسترودر بسیار راحت و روان بوده ولی از نظر مکانکی ضعیف می باشد و به این جهت در کابل های مخابراتی یا برق نمیتوان از آن استفاده کرد. نوع مشکی این مواد به عنوان روکش کابل های تلفنی استفاده میشود.
• پلی اتیلن با وزن مخصوص متوسط MSPE این نوع پلی اتیلن از نظر خواص مکانیکی بهتر از نوع با وزن مخصوص پایین بوده و بعضی از شرکت های مخابرات این نوع را ترجیح می دهند.
• پلی اتیلن با وزن مخصوص زیاد HDPE این نوع پلی اتیلن به عنوان عایق و روکش در جاهایی که نیاز به قدرت مکانیکی بالاتری می باشد استفاده می گردد و امروزه در کابل های تلفنی استفاده میگردد.
• پلی اتیلن اسفنجی Foam PE در این نوع پلی اتیلن در موقع کار مقداری گاز در داخل عایق تولید شده و مواد پلی اتیلن را به شکال متخلخل و اسفنجی تبدیل میکند. با اینکار ثابت دی الکتریک عایق کاهش یافته و برای یک کابل کواکسیال با امپدانس مشخصی باعث کاهش مصرف مواد و کاهش قطر تمام شده کامل میگردد.

به عنوان مثال در کابل 4.5C-2V اگر قرار باشد با پلی اتیلن یکپارچه تولید شود قطر عایف شده آن حدود 40 درصد و وزن مواد مصرفی 360 درصد افزایش می یابد.

کار کردن مواد پلی اتیلن اسفنجی مشکل بوده و نیاز به اکسترودر مجهز و مهارت کافی برای کار با اکسترودر آن دارد. خواص مکانیکی و استحکام دی الکتریکی پلی اتیلن اسفنجی از پلی اتیلن یکپارچه کمتر است مزیت دیگر پلی اتیلن اسفنجی سرعت بالاتر انتشار موج در آن نسبت به پلی اتیلن یکپارچه است.

مواد پلی اتیلن کراسلینک شده XLPE

این مواد دارای پایه موادی پلی اتیلن سبک بوده و پس طی فرایندهای خاصی پیوندهای ضربدری ( cross ) بین مولکول های این ماده به وجود آمده که خواص الکتریکی و مکانیکی آن را به نحو قابل توجهی افزایش میدهد. خواص قابل رقابت XLPE در مقابل PVC باعث شده که این نوع عایق در بسیاری از کابل های برق فشار ضعیف و کنترل و حتی ابزار دقیق و از همه مهمتر کابل های فشار متوسط و فشار قوی و بالاتری که عایق نوع PVC قابلیت لازم برای این سطوح ولتاژی را ندارد استفاده شده و جایگزین گردد.

دمای کار XLPE برای حالت دائم 90 درجه و برای حالت اتصال کوتاه و زمان محدود 250 درجه سانتی گراد است. در ضمن یک کابل مشخص با یک سطح مقطع با عایق XLPE به طور متوسط 10 درصد ( 20-5%)

جریان دهی مجاز بیشتری نسبت به کابل با عایق PVC دارد.

روش های مختلف تولید XLPE به شرح زیر می باشد:

• روش پر اکساید: cross-linking by peroxides

برای کابل های فشار متوسط و بالاتر در این روش از ماده پر اکساید برای ایجاد رادیکال فعال برای ایجاد پیوند بین مولکول های پلی اتیلن استفاده میشود. برای این کار با حرارت دادن ماده پر اکساید رادیکال اولیه با گسستن پیوند میان دو بخش مولکول پر اکساید تولید شده سپس رادیکال فعال فوق رادیکال پلیمر اولیه را فرم داده و نهایتاً پلی اتیلن کراس لینک شده حاصل میگردد.

این کار در خطوط تولید پیوسته کراس لینک در یک لوله اشباع از بخار آب ووو پس از خروج مواد از تریپل اکسترودرخط تولیدی که به نام CV  Continiuos Volcanization معروف است انجام میگردد.

لوله فوق حاوی بخار آب با دمای 200 تا 250 درجه با فشار 16 تا 22 اتمسفر می باشد. سپس هادی عایق شده در یک لوله به طول حدود 25 متر تحت فشار ( به منظور جلوگیری از ایجاد حباب های ریز در کابل) خنک میگردد. روش های جدیدتری برای کراس لینک کردن در لوله فوق با گاز ازت یا روغن سیلیکون به وجود آمده که در مقایسه با روش کراس لینک با بخار در دمای بالاتر و فشار کمتری انجام میشود.

• روش اشعه الکترونی: cross-linking by electron Beams

در این روش مولکول های پلی اتیلن با بمباران الکترون ها تبدیل به رادیکال فعال پلیمری شده و بدون حرارت اضافی و کاتالیزور پیوندهای ضربدر ایجاد میگردد این روش علیرغم سادگی نیاز به تجهیزات بسیار گران قیمتی دارد.

• روش سیلان: cross-linking by siloxane bridge

برای کابل های فشار ضعیف و متوسط در این روش با استفاده از رابط ( پل) سیلوگزان پیوندهای لازم بین پلی اتیلن تشکیل میگردد. بدین ترتیب که کاتالیست مخصوص سیلان در اثر حرارت وارد مولکول پلی اتیلن شده و در اثر مجاورت با بخار اب و حرارت ( عمل هیدرولیزاسیون) پیوند بین عامل سیلان چسبیده به مولکول های پلی اتیلن برقرار میگردد و عامل سیلان در ساختار مولکول جدید باقی می ماند. این روش نیازی به تجهیزات اکستروژن مفصل نداشته و عمده عمل کراس لینک در اتاق بخار و در خارج خط تولید انجام میگردد.

• مواد مقاوم در برابر انتشار شعله / کابل ها – سیم های مقاوم در برابر انتشار شعله

Flame Retardant Materials / cables

همانطور که میدانید 80% حجم هوا در شرایط استاندارد از گاز نیتروژن و حدود 20% آن از گاز اکسیژن و سایر گازها تشکیل شده است. ماده ای که در شرایط استاندارد فوق ( فشار و دما) پس از آتش گرفتن و دور کردن شعله پس از مدت کمی خاموش شود اصطلاحاً مقاوم در برابر خودسوزی و در غیر این صورت خودسوز می باشد. چوب خشک، بنزین، نفت خودسوز بوده و در صورتی که چوب خیس خودسوز  نیست. مواد PVC خودسوز نبوده لیکن پلی اتیلن، XLPE معمولی خودسوز می باشد.

خاصیت خودسوز نبودن کابل آن موقع اهیمت می یابد که کابل پس از آتش گرفتن در یک محل آتش را به سایر نقاط هدایت نکند و این موضوع در محیط های بسته و خصوصاً ساختمان ها اهمیت فراوان دارد.

میزان خاصیت خودسوز نبودن کابل با پارامتری به نام Oxygen index رابطه مستقیم دارد که عددی است که درصد اکسیژن مورد نیاز برای ادامه سوختن بدون شعلۀ خارجی می باشد را نشان میدهد.

لذا خودسوز نبودن یا flame Retardancy طبق استاندارد IEC 332 به سه گروه طبقه بندی میشود که ذیلاً به دو گروه معروف اشاره می شود:

1-خود سوز نبودن معمولی (Ordinary) Flame Retardent Acc to IEC 332-1

تمام کابل های با عایق و روکش PVC این نیازمندی را برآورده میکنند و در تست این بخش از استاندارد یک کابل به طور تکی داخل اتاقک تست به ابعاد 120 در 45 سانتی متر قرار داده شده و به مدت مقرر شعله چراغ بونزن به کابل اعمال میگردد. میزان پیشرفت شعله پس از خاتمه تست از یک حد معین نباید بیشتر شود.

1-2 خود سوز نبودن تقویت شده:

Improved Flame Retardent Acc to IEC 332-3

برای برآورده کردن این نیازمندی که یک دسته کابل در یک اتاق به ارتفاع حدود 4 متر و تحت شعله ای شدیدتر و با مدت زمان بیشتری به کابل ها اعمال میگردد لذا نیاز به موادی با اکسژن ایندکس بالاتر میباشد. این مواد طبق استاندارد فوق به سه گروه A-B-C طبقه بندی شده که تست نوع A از همه مشکل تر است.

• کابل های ضد حریق / مقاوم در برابر آتش سوزی

Fire Resistant Cables Acc to IEC 60331

با استفاده از مواد معدنی میتوان در کابل خاصیت مقاومت در برابر آتش ایجاد کرد بدین ترتیب که با پیچیدن یک لایه نوار میکا روی هادی و قبل از عایق هادی های کابل را هنگام آتش گرفتن آن از هم میتوان ایزوله کرد زیرا مواد آلی مورد استفاده در کابل در طول مدت آتش سوزی کاملاً سوخته و از بین میرود ولی مواد معدنی نسوز است در برابر آتش مقاومت کرده و از اتصال هادی ها به هم و اطراف جلوگیری میکند. دستگاه تست طبق شکل رو به رو بوده و درجه حرارت شعله 750 درجه سانتیگراد و مدت آزمون 3 ساعت می باشد.

مواد کم دود / بدون هالوژن

مواد کم دود: low smoke Meterials

مواد PVC معمولی هنگام سوختن تولید دود زیاد میکنند که در صورت وقوع آتش سوزی در داخل ساختمان و محیط های سربسته ممکن است خطرات جانبی برای پرسنل یا ساکنان آن محل ایجاد نماید. لذا در استانداردهای جدید پیش بینی مواد کم دود یا Low smoke در کل کابل گردیده که هنگام آتش سوزی خطرات کمتری جان انسان ها را تهدید می کند.  برای کم دود کردن مواد PVC باید مواد اضافی خاصی به آن اضافه کرده یا از مواد با پایه پلی اولفین استفاده نمود که کابل مجموعاً گران قیمت تر میگردد. استاندارد تست این مواد IEC 61034 می باشد. اگر این مواد مقاوم در برابر انتشار شعله هم باشند FRLS نامیده میشوند.

Flame retardant low smoke

مواد بدون هالوژن: Halogen free Materials

مواد PVC به علت دارا بودن کلر ( CL) که یکی از مواد گروه هالوژن ها است طبیعتاً هنگام سوختن کلر آزاد کرده و چون کلر گازی سمی است در محل های بسته به خصوص برای انسان ها خطرات جانی ایجاد میکند. لذا PVC اساساً نمیتواند بدون هالوژن باشد و مواد با پایه پلی اولفین از قبیل پلی اتیلن دارای خاصیت فوق می باشد. ( مواد پلی اولفین اساساً خودسوز هستند که این مطلب نیز قابل توجه می باشد.

 تست فوق  طبق IEC 754 انجام می پذیرد.

برای موادی که خاصیت خودسوز نبودن هم از این مواد خواسته شود مواد اضافی برای تأمین این خاصیت به این ماده باید اضافه شود که در این صورت FR نامیده میشود.