Kábel szigetelése, anyaga, és gyártási módszere
2023.12.01. 00:38       34.228.52.21


4/2. Kábel szigetelése, anyaga, és gyártási módszere

Cikksorozatunk előző részében megismerkedtünk az áramvezetők fajtáival, gyártásuk általános elveivel. Mint említettem két alapvető érszerkezetet különböztetünk meg: tömör és sodrott kivitelt, a sodrott ereket pedig osztályoztuk mint hajlékony és nem hajlékony szerkezetet 1.ábra.

Kábel érszerkezet

A szigetelő anyagok és a velük történő szigetelés

A szigetelési eljárás megválasztását szinte teljes mértékben a felhasználás körülménye dönti el. Ezért a gyártók a különféle feladatokhoz, annak megfelelő szigeteléseket alkalmaznak. A kábelek és vezetékek szigetelőrétegét általában egy vagy több szigetelőanyag, illetve szigetelőanyagok kombinációja képezi. Vegyük sorra a legáltalánosabb szigetelő anyagokat, és azok tulajdonságait, felhasználási területeit:

Papír és a szigetelő masszák

Ezek az anyagok már a múlt technológiájának tekinthetőek, bár 2000 előtt papír szigetelésű kábelt még gyártottak Bulgáriban, illetve gyártás és felhasználás még történt Ukrajnában és az Orosz területeken 2005 körül. A szakemberek elmondása szerint a papír az egyik legjobb szigetelőanyagok egyike. Annak oka, hogy még is 'kihalt' a gyártásuk és felhasználásuk főként az, hogy a gyártásuk nem oldható meg gazdaságosan, a kábelvégek szerelése bonyolultabb, mint a korszerűbbeké. Az újabb technológiák segítségével olcsóbban lehet gyártani, illetve szerelni.
A kábelek szigetelésére alkalmas papírokat gyantától, lignintol, fel nem tárt farostanyagoktól gyakorlatilag mentes, megfelelően őrölt, hosszú szálú, töltőanyagmentes cellulózrostokból enyvezés nélkül állították elő. A kábelpapír alapanyaga tehát a tiszta fehérítetlen nátroncellulóz volt. Természetesen a felhasználás körülményinek megfelelően többféle minőségű kábelpapír készült.
Az adalék nélküli kábelszigetelő olajat önmagában, vagy viszkozitás növelő adalékkal keverve, mint szigetelő masszát alkalmazták az erősáramú kábelek papírszigetelésnek telítésére.
Az erősáramú kábelszigetelő papírok szigetelőolajjal, vagy masszával impregnálva képezték a kábelek tényleges szigetelőrétegét, melyet többnyire még további anyagokkal kellett bevonni hogy a sérülékeny papír szigetelést védjék. Ilyen kábel volt a SZAPKO 0,6/1 kV mely egy alumínium érrel, papír szigeteléssel és ólom köpennyel készült kábel volt 2.ábra.

papírszigetelésű kábel

Szálasanyagok

Szintén a korszerűbb gyártási eljárások szorították ki a szálasanyagokból készült szigeteléseket is. Gyengeáramú vezetékek igen sok típusa készült textil beszövéssel ellátva. Ezek anyaga azbeszt, pamut, len, kender, selyem, viszkóz, de használtak még poliamid, poliészter és polivinil alapú anyagokat is. Ilyen híradástechnikai vezeték volt a TNNa is 3. ábra.

Szálasanyag szigetelésű kábel

A vezetőre, a textiliparban is használt eljárással szőtték rá a szigetelést. A kész termék felhasználástól függően különféle szövésmintákat, és szükség szerinti rétegszámot alkalmaztak. A szigetelésre az utolsó lépésben egy lakkréteget is felhordtak.

Lakkok

A múlt technológiája után következzék egy eljárás, mely bár hasonlóan régi módszer mint az előbbiek, de manapság is használják széles körben. Az alapelv maradt, csak a gyártógépek, és a szigetelő lakkok korszerűsödtek. Ez pedig a lakkozás. A lakozott huzalokat (ismertebb nevén: zománchuzalok) a mai napig alkalmazzák a különféle motorok és egyéb tekercsek előállításakor.
A lak alapanyaga, természetes vagy szintetikus úton előállított lakkgyanta. Különféle adalékanyagokkal segítik elő a jobb tapadást és filmképződést. Szükség szerint színezhetőek is. A mechanikai tulajdonságok közül (megszáradt lakk esetében) legjelentősebb a rugalmasság, hajlékonyság, és a kopásállóság. Hiszen ne feledjük, hogy a zománchuzal tekercseléssel kerül végső állapotában, mely folyamat igen komoly követelményeket támaszt a huzallal szemben egy nagysebességű tekercselőgéppel történő feldolgozás esetében. Kémiai vonatkozásban megköveteljük, hogy a film ne vegyen fel és ne eresszen át vizet, vízgőzt, álljon ellen olyan anyagoknak, melyekkel a lakkozott termék üzemi viszonyok között érintkezhet, és kémiailag stabil maradjon bizonyos termikus, illetve villamos igénybevétel közepedte is.
A lakkréteggel szemben az ipar számos igényt támasztott még. Egyes lakkoknál megoldották, hogy a kb. 320-360 °C -os ónolvadékba mártott zománchuzal zománc rétege leég, és így a huzal azonnal forraszthatóvá válik. Ez fontos az automatizált gyártásnál, ahol a huzalvég forrasztás előtti tisztítása így kihagyható. Az általános célú zománchuzalok 200°C -os üzemi hőmérsékletet is képesek elviselni. Természetesen a forraszthatóság, és a nagyfokú hőállóság csak a speciális lakkoknál érhető el egyidejűleg. A kész lakkréteg vastagsága néhány mikrométer, viszont villamos szigetelési tulajdonságai kitűnőek. Ezért alkalmazhatóak minden olyan területen, ahol kis helyigényű tekercseket kell létrehozni.

A szigetelő lakk felhordása folyamatos eljárással tömör réz vezetőre történik 4-10 menetben. A lakkozási művelet során a lakot fel kell hordani a huzalra, majd 'kalibrálni' kell, azaz a fölösleges mennyiséget el kell távolítani. A gyakorlatban ezt meg lehet oldani a 4. ábrán látható módon, amikor egy felhordó henger által belakkozott huzalt átvezetünk nemez lapok között, melyek letörlik a felesleges anyagot. A lakk felvitelére többfajta eljárás ismeretes, de az elvük hasonló. Minden lakkozás után a huzal befut a beégető kemencébe, hogy a lakkréteg beégjen. A gyártás során a huzalt első lépésben lágyítják, majd lakkozzák és beégetik több lépésben. A kész huzalt lehűtés után felcsévélik.

Zománchuzal készítés

Levegő

A legyártott erek esetében mindig félkész termékről beszéltem. De mint mindenhol, itt is van kivétel, azaz a csupasz áramvezető (sodrony) is lehet késztermék. Gondoljunk csak a hazánkat is keresztül-kasul szelő 400V-os és 120-450-750 kV-os hálózatokra, ahol a megfelelő oszlopokra támszigetelők segítségével rögzítik a szigeteletlen ötvözött anyagú alumínium vagy acél-alumínium (acél mag köré sodrott alumínium szálak) sodronyokat. Ezen rendszereknél a sodronyok közötti megfelelő távolság kialakításával biztosítják, hogy a levegő minden körülmény között ellássa feladatát, azaz szigeteljen. Fő előnye hogy olcsó, hiszen a szigetelést nem kell elkészíteni és könnyen javítható. Hátránya, hogy nem egy felemelő látvány főleg a lakóterületeket behálózó légkábel dzsungel. A lakott részeken érintésvédelemi és ökológiai (az erős villamos erőtér ártalmas) szempontból is kérdéses a használata. Egy komolyabb leszakadó faág által tönkretett, elszakadt szigeteletlen légkábel komoly veszély forrása lehet ezért az áramszolgáltatók az utóbbi időkben a lakott területetek 400V-os hálózatain egyre több szigetelt légkábelt alkalmaznak. Az erdős területeken és a 'nehéz' terepviszonyok között is ezt a megoldást választják.
Megjegyzés: a levegőt a szakirodalom többnyire nem szokta besorolni a szigetelo anyagok közé, mivel nem kell gyártani! Azonban van, működik, és használjuk!

PVC (polivinil-klorid)

A PVC (és ennek változatai) tekinthető a legelterjedtebb szigetelő anyagnak. Olcsón előállítható, jól feldolgozható, kedvezőek a villamos paraméterei a szigetelés szempontjából kémiailag jól ellenálló. Alap esetben -20 °C és +70 °C közötti üzemi hőmérsékleten alkalmazható az általa szigetelt kábel, de bizonyos változatai elviselik a -40 °C és a +105 °C -ot is. Igen kedvező, hogy a kábelgyártásban használatos PVC lángállóság szempontjából önkioltónak minősül. Az önkioltó szigetelés égetés hatására bár meggyulladhat, de amint a külső hatás véget ér, a szigetelés (PVC) is elalszik, nem ég tovább. Ez a tulajdonsága is hozzá járul ahhoz, hogy bel- és kültéren egyaránt előszeretettel alkalmazzák annak ellenére, hogy nem halogénmentes. Fekete kivitelben UV álló. Hajlékonysága miatt alkalmazható flexibilis vezetékek gyártására is alacsony hajtogatási igénybevétel mellett mint pl. háztartási gépek bekötései, hosszabbítók stb.

A kábelek és vezetékek szigetelésére vagy köpenyezésére használt hőképlékeny anyagokat mint a PVC-t (de ilyen anyag a később tárgyalt polietilén és gumi is) csigás tömlőző gépekkel (extruderekkel) alakítják kábelszigeteléssé vagy kábelköpennyé. A csigás tömlőző gépben az anyagot megfelelően kiképzett csavarmenet (csiga) szállítja az úgynevezett keresztfejbe, ahol megfelelően kiképzett alakító szerszámok között kisajtolódik és cső formában körül veszi a bevonandó áramvezetőt. A folyamatos extrudálással történő szigetelés elvi vázlata az 5.ábrán látható.

Kábel szigetelés extrudálás

A fejből kilépő szigetelt eret előbb levegővel hűtik, majd vízzel telt csatornába vezetik, így a szigetelés teljesen ráfeszül a bevonandó érre. A hűtési út hosszak függnek a gyártási sebességtől és a lehűtendő anyag tömegétől. Nagy sebességnél és nagy tömegnél hosszabb hűtési szakasz szükséges.

PE (polietilén)

A PE hasonló módon a PVC-hez igen széles körben használt szigetelő. A különféle változatai használatosak a kábeliparban: alacsony sűrűségű PE (LDPE), nagy sűrűségű PE (HDPE), térhálósított PE (XLPE) és a habosított hab-bor szigetelés. Az egyes fajták villamos és mechanikai tulajdonságai térnek el egymástól. Általánosan azonban elmondhatjuk a PE-rol, hogy paraméterei (pl. átütési szilárdság, mechanikai tulajdonságok) jelentősen jobbak mint a PVC esetében és nem is drágább anyag. Felhasználását viszont jól meg kell gondolni! A PE kevésbé hajlékony, az általa szigetelt kábelt sprőddé, nehezen hajlíthatóvá teszi. Kábelalagútban, kábeltálcán történő nagy keresztmetszetű kábelek fektetéskor, a kézi erővel dolgozó szerelők komoly nehézségek elé nézhetnek. Ha kis sugarú hajlításokat kell végezni, az akár a kábel, vagy a környező berendezések, kábelek sérüléséhez vezethet mivel a kábel adott helyre történő elhelyezése nagy erőkifejtést igényel. (Megj.: a hajlítási sugarat a szabványok rögzítik , függ a vezeték vagy kábel konstrukciójától). A másik, és talán a nagyobbik hátránya, hogy a PE jól ég. Ellentétben a PVC-vel nem önkioltó. Ezért a PE szigetelt kábel belső terekben történő alkalmazása csak korlátozásokkal, vagy egyáltalán nem lehetséges. Kültéren viszont kiváló mechanikai védelmet biztosít, alacsonyon a vízfelevő és vízáteresztő képessége, mely tulajdonság a földkábeleknél igen fontos. Az alkalmazható üzemi hőmérséklet akár -50 °C és +100 °C között is lehetséges az alkalmazott anyagoktól függően. A polietilént használják erősáramú kábelek (0,6/1 kV) szigetelésére, a térhálósított változatát pedig közép (6 kV-35 kV) és nagyfeszültségű (> 100kV) kábelek készítésénél. A hőre lágyuló PE már manapság nem használatos mint érszigetelés erősáramú kábelek esetében, helyette térhálós polietilént használnak. A híradástechnikai vezetékeknél LDPE vagy hab-bor szigetelés az elterjedt. Köpenyszigetelésnél HDPE használatos erősáramú és hírközlő kábeleknél egyaránt.
A polietilénnel történő kábelszigetelési művelet elve megegyezik a PVC-nél bemutatottakkal. Számtalan formában, (habosított, térhálósított) különféle technológiákat alkalmazva építik be.

Gumi szigetelés

Nagy rugalmasságú szigetelést kell alkalmazni abban az esetben amikor a hajlékonyság kiemelt fontosságú és várhatóan folyamatos hajtogatásnak lesz kitéve a kábel. Ilyen területek lehetnek pl. az ipari kéziszerszámok bekötései, daruk vagy futómacskák tápellátásai. A hajlékonyság eléréséhez nem csak a szigetelés anyagát kell jól megválasztani, hanem nagy flexibilitású vezetőt is kell választani! Annak ugyan is nincs sok értelme, hogy egy tömör eret nagy flexibilitású szigeteléssel lássunk el, vagy egy hajlékony érszerkezetet kemény szigeteléssel vonjunk be. Az eredmény mindkét esetben hasonló lesz: kapunk egy drága terméket, ami merev, hajtogatásra kevésbé alkalmas.
Tehát ha a feladat az hogy komolyabb mechanikai igénybevétel mellett nagy hajlékonyságú kábelre van szükség, először várhatóan egy gumikábelhez fog nyúlni a felhasználó.
A gumiszigetelésű vezetékek és kábelek alapanyaga a nyersgumi (kaucsuk). A kaucsukszármazékok lehetnek természetes eredetűek vagy mesterséges úton előállítottak. A növényi (poliizoprene) kaucsuk nem egységes szerkezete következtében a vulkanizálással nyert gumi tulajdonságai széles határok közt változhatnak. A műkaucsukok egységesebb szerkezetű elasztomerek. A kábelgyártás során kezdetben természetes kaucsukot használtak az erek és köpeny szigetelésére. Ma műkaucsukokat alkalmazunk mind az érszigetelő mind a köpeny keverékekhez , az érszigeteléshez a jó villamos tulajdonságú etilén -propilén /EPR/ kaucsuk alapú keverékeket ./ Műkaucsuk azaz többnyire poli-kloroprén /CR/ gumikeverékből készül a külső köpeny, mivel ez a keverék jó mechanikai és fizikai tulajdonságokkal rendelkezik . A poli-kloroprén jól ellenáll a koptatásnak, oxigén, ózon, fény és hő hatásának, nem gyúlékony, önkioltó, olaj és vegyszerálló burkolatok készítésére kiváló, villamos szigetelő képessége viszont közepes.

A szigetelések gyártási menete (extrudálása) minden anyagnál többé kevésbé eltér, melyekre résztelesen nem térek ki. A gumiszigetelés esetében azonban még egy fontos műveltet meg kell említeni, a vulkanizálást. A vulkanizálás abból áll, hogy a felvitt gumikeveréket felmelegítik, aminek következtében annak fizikai tulajdonságai megváltoznak. Ismert vulkanizálási eljárások a vízgőzben, forró levegőben, sófürdőben történő vulkanizálás. A kábeliparban többnyire a vízgőzt használják erre a célra.
A szigetelő nyersgumi réteg felvitele után az eret hosszú, belépő és kilépő zárószerkezettel ellátott csövön vezetik keresztül, melyben 200 °C-ot biztosítanak 6.ábra.

A vulkanizáló berendezés lehet láncgörbe, (mint példánkban) vagy függőleges kialakítású, melynél figyelembe kell venni, hogy a vulkanizálás során a gumi nem érintkezhet idegen tárggyal amíg a vulkanizálás tart. A vízgőz hatására vulkanizálódó gumi a cső végén hűtővízbe merül, majd a vízzáron áthaladva a kész termék felcsévélhető. A vulkanizáló csőben a gőz nyomását és a hűtővíz szintjét megszabott határok között kell tartani az előírt minőség tartása érdekében.

Gumikábel vulkanizálása


Az idáig áttekintett szigetelő anyagok, a PVC, PE és gumi, valamint ezek különféle fajtái a kábelek és vezetékek szigeteléseinek igen nagy részét képezik. A szigetelő anyagok sora ezzel azonban még koránt sem ért véget. A szakirodalmak a már említett anyagokat is beleértve 25-30 leggyakrabban használt anyagot szoktak említeni. Azonban nem lenne teljes a kép, ha ezekről az anyagokról nem ejtenék szót főleg azért, mert hazánkban egyenlőre szűk körben felhasznált anyagok, pl. a halogénmentes szigetelők várhatóan a jövő nagy térhódítói lesznek melyekről a következő cikkben lesz szó.

2005 december Fábián János

Figyelem! A honlapon található cikkek Fábián János (20-221-2730) tulajdonát képezik. A honlap működésének kezdete óta az oldal alján található "Copyright (C) 2006 ALL RIGHT RESERVED" felirat is erre hívja fel a figyelmet. A cikkek bármi nemű üzleti célú felhasználása csak az írásbeli jóváhagyásom után lehetséges!