כבל חשמלי
כבל חשמלי הוא צירוף של מספר תיילים מוליכים אשר בודדו זה מזה, המשמשים להולכת זרם חשמלי. תיילים בכבל אשר אינם מופרדים זה מזה באמצעות חומר מבודד נקראים "גיד".
תכונות
עריכהמתח ובידוד
עריכההתכונה החשובה ביותר של כבל חשמלי, ושממנה נגזר תפקידו, הוא המתח החשמלי בין מוליכי הכבל לבין עצמם (במקרה של כבל רב גידים) או בין המוליכים לסביבתם (במקרה של כבל חד גידי). מתח זה נע בין וולטים בודדים לבין מאות אלפי וולטים. מתח העבודה של הכבל מתאפשר בזכות החומר המבודד בו עטופים המוליכים. היות שהגודל של כבלים קטן יחסית והמוליכים קרובים זה לזה או לשפת הכבל, הרי שבמקרה של כבלים למתח של מאות אלפי וולטים מדובר בחומר מבודד שמסוגל לעמוד במפלי מתח עצומים של מאות אלפי וולטים לסנטימטר: מתח הפריצה של אוויר, הנחשב כמבודד מצוין, הוא כ-30 קילוולט לסנטימטר בלחץ של 1 בר, מכאן שחומר הבידוד של כבל בן מאות קילוולטים צריך להיות מבודד פי 5 עד פי 20 יותר מאוויר.
בנוסף לתפקיד הבידוד במניעת פריצה חשמלית, הבידוד מהווה גם הגנה מכנית על המוליך. חשיבותה של הגנה זו רבה בכבלי מתח גבוה, שם הבידוד מונע עיוות של המוליך ויצירת שדות חשמליים מוגברים מקומית שעלולים לגרום לפריצה. עוד צריך החומר המבודד לפזר טוב את החום הנוצר כתוצאה ממעבר הזרם בכבל, ולא להיהרס כתוצאה מטמפרטורת הסביבה בה מותקן הכבל.
סוגי בידוד
עריכהלבידוד של כבל מספר תכונות הכרחיות על מנת למלא את תפקידו:
רק חומר אשר כל התכונות הללו קיימות בו במידה מספקת יכול לשמש לבידוד כבלים. למשל, חומרים קרמיים הם מבודדים מעולים אך אינם גמישים ולכן אינם משמשים בכבלים. המגבלות של כל אחת מהתכונות הללו בחומר המבודד ישפיעו על הביצועים של הכבל.
החומרים הנפוצים ביותר כיום לבידוד כבלים הם פוליאתילן ופוליאתילן מצולב (XLPE), פוליוויניל כלוריד (PVC) וגומי EPR (אנ'). חומרי בידוד נוספים הנמצאים בשימוש הם נייר רווי שמן ותחמוצת המגנזיום.
מבנה
עריכהבבסיס, כבלי חשמל בנויים ממוליך אחד או יותר, העטופים בחומר מבודד. המבנה של כבל יכול להיות פשוט ביותר או מורכב מאוד, בהתאם לתפקיד הכבל.
כל מוליך בכבל נקרא "גיד". על פי רוב עשויים הגידים מתיילי נחושת או אלומיניום. התיילים מהם עשויים הגידים יכולים להיות בקטרים שונים, אך מטעמים של גמישות הקוטר המרבי של תיילים אלה אינו עולה על 3 מילימטר. בכבלים בהם נדרשים גידים גדולים יותר מתבצע הדבר על ידי מספר תיילים שזורים. לעומת זאת, כאשר נדרשת גמישות גבוהה יותר של הכבל, מבוצעים הגידים על ידי שזירה של תיילים בעלי קוטר קטן במיוחד.
המוליכים, כאמור, נעטפים בחומר מבודד. כבלים בהם יותר מגיד אחד נעטפים כל הגידים המבודדים במעטפת נוספת, מבודדת אף היא, המחזיקה את כל הגידים המבודדים צמודים זה לזה. זהו המבנה בסיסי של כבלי חשמל. מבנים נפוצים נוספים הם:
- זוג שזור - הגידים שזורים זה סביב זה, לעיתים אף ללא מעטפת מבודדת חיצונית נוספת.
- כבל קואקסיאלי - גיד אחד עוטף את הגיד השני.
מעבר למבנים בסיסיים אלו קיימות וריאציות רבות על המבנה של כבלים. ביניהן ניתן למצוא:
- סידור גידים רדיאלי או שטוח.
- מעטפת חיצונית עשויה מקלעת טקסטיל.
- גידים בעלי מבנה גזרתי (כלומר אינם עגולים).
- כבלים משוריינים, הכוללים מעטפת הגנה מפלדה.
זרם
עריכההזרם החשמלי שיכול להיות מועבר בכבל מוגבל על ידי יכולת פיזור החום שלו. כל זרם שזורם בכבל מעלה את הטמפרטורה שלו, עלייה זו תלויה בצפיפות הזרם.
עליית הטמפרטורה של הכבל מעל סף מסוים פוגעת בחומר הבידוד, לכן, לכל כבל קיים "זרם עבודה" - זרם שיכול לזרום בו לאורך זמן ללא חשש שעליית הטמפרטורה תפגע בבידוד. לדוגמה, בידוד PVC יכול לעמוד בטמפרטורות של עד 70 מעלות צלזיוס, ואילו בידוד XLPE בטמפרטורה של עד 90 מעלות צלזיוס.
עם זאת, יכולים כבלים להעביר זרמים גדולים בהרבה מזרם העבודה הנקוב שלהם (זרם יתר), וזאת כל עוד הטמפרטורה של הכבל אינה עולה על זו המסכנת את הבידוד. המשמעות היא כי גודל זרם היתר העובר בכבל היא יחסית למשך הזמן בו זורם זרם זה - ככל שזרם היתר גבוה יותר, פרק הזמן בו הוא יכול לזרום מבלי לפגוע בבידוד קצר יותר.
מבחינה מעשית יכולים לעבור בכבל זרמים גבוהים בהרבה גם מזרמי היתר - בדרך כלל זרמים כאלה הם תוצאה של קצר חשמלי. זרמים כאלה עלולים לחמם את החומרים מהם עשויים המוליכים עד לשינוי פיזיקלי במבנה הכבל והמוליכים. כבל שעבר בו זרם יתר שלא הופסק תוך הזמן הנדרש, אינו ראוי יותר לשימוש.
מגבלת זרם העבודה בכבלים היא מגבלה מאוד מהותית. מגבלה זו קובעת את שטח החתך של גידי הכבל, כך שצפיפות הזרם לא תגרום להתחממות מעל המותר. מכאן שככל שהזרם אותו הכבל נדרש להעביר יהיה גדול יותר, כן יגדל שטח החתך של הגידים. עם זאת, מגבלה זו אינה נכונה בכל האמור בהספק החשמלי אותו יכול להעביר הכבל, שכן ההספק תלוי גם במתח של הכבל.
התנגדות והיגב
עריכהקיבוליות
עריכההמבנה של כבל, גידים ארוכים המופרדים זה מזה באמצעות חיץ דיאלקטרי ובמצב של הפרש פוטנציאלים, מהווה למעשה קבל. לכל כבל יש קיבול הניתן לחישוב, ונתון ביחידות של פאראד ליחידת אורך (בדרך כלל קילומטר). בכבלים קיים קיבול בין הגידים לבין עצמם אך גם בין הגידים לנקודת הניוטרל של המערכת (בדרך כלל האדמה). קיבוליות בכבלים יכולה להגיע לערכים של 0.25 מיקרופאראד לקילומטר.
זרם ישר
עריכהבמשטר של זרם ישר קבל מהווה נתק, כך שלאחר טעינה מלאה של הכבל, אין לקיבוליות משמעות והשפעה במצב המתמשך. עם זאת, מיתוג של המעגל החשמלי אותו מזין הכבל משאיר את הכבל במצב "טעון". כבלים בעלי קיבוליות גבוהה מסוגלים לאגור בתוכם מטען משמעותי אשר פריקה לא מבוקרת שלו עלולה להיות קטלנית.
זרם חילופין
עריכהבזרם חילופין הקיבוליות של הכבל באה לידי ביטוי במעגל החשמלי. במצב זה יעבור דרכו זרם קיבולי קבוע על פי הנוסחה , כאשר:
- הוא הזרם הקיבולי בין מוליך המופע לאדמה.
- הוא המתח הפאזי (בין המוליך לאדמה).
- הוא התדר של המעגל.
- הוא הקיבול הכולל של הכבל.
במערכת תלת פאזית תקינה מתקיימים כל הזמן זרמים בין הפאזות לבין האדמה. סכום הזרמים הוא תמיד אפס. הזרם הקיבולי במערכת תלת פאזית מתקיים כל עוד המערכת מצויה תחת מתח, גם כאשר לא זורם בה כל זרם אחר.
משקל
עריכההמשקל של כבלי חשמל נמדד ביחידות משקל לפי אורך בהתאם לצורך הרלוונטי: לשינוע של כבלים המשקל ינתן בקילוגרם לקילומטר, ואילו בהתקנתם בק"ג למטר. המשקל תלוי בכמה גורמים עיקריים:
- חומר המוליך – רוב כבלי החשמל עשויים נחושת או אלומיניום. נחושת כבדה יותר מאלומיניום.
- שטח חתך המוליך – ככל שהכבל עבה יותר (כלומר, שטח החתך גדול יותר), כך משקלו גבוה יותר.
- בידוד ומעטפת – החומרים שבהם משתמשים לבידוד ולהגנה על הכבל מוסיפים למשקלו. כבלים משוריינים מכילים סיבי ברזל במעטפת המוסיפים על משקלם.
- מבנה הכבל – כבלים רב-גידיים (עם כמה מוליכים בתוך אותו כבל) שוקלים יותר מכבלים חד-גידיים.
משקלם של כבלי חשמל מהווה גורם משמעותי בתכנון תוואי הכבלים כאשר אלו מותקנים על גבי מתלה. במקרים כאלה כושר הנשיאה של המתלה חייב לעמוד במשקל הכללי של הכבלים שעליו.
כבל הספק סטנדרטי בעל 3 מוליכי נחושת בחתך של 1.5 ממ"ר, הנפוץ מאוד במתקני חשמל ביתיים, שוקל כ-15 גרם לכל מטר אורך, וחבילה סטנדרטית הכוללת 100 מטר כבל תשקול כ-15 ק"ג. כבל נחושת תלת פאזי עם מוליכים בחתך 240 ממ"ר המשמש להזנת מבנים שוקל כ-11.5 קילוגרם לכל מטר - בערך פי 75, ומשקלו גבוה מכדי שעובדים יוכלו להתקינו ללא אמצעי עזר.
חוזק מכני
עריכהסוגי כבלים
עריכה
כבלי הספק
עריכהכבלי הספק הם כבלים המיועדים להזין מכשירים או להוליך אנרגיה חשמלית כחלק מרשת החלוקה. כבלים אלו מיועדים למתחים גבוהים מ-50 וולט. מספר הגידים בכבלי הספק הוא בין 1 ל-5, בהתאם ליעודו של הכבל. השימושים הנפוצים לכבלי הספק הם:
- גיד בודד - להולכת זרם חילופין במתח גבוה מאוד (מעל 1000 וולט) או לזרם ישר בהולכה תת ימית, כאשר ההחזרה מתבצעת דרך מי הים באמצעות אלקטרודות טבולות. בהולכה של זרם חילופין יותקנו 3 כבלים במקביל, כשכל אחד מהם מוליך מופע אחד של הזרם. כבל כזה יכול לשאת מתח של 500 קילו-ולט, ומשמעות הדבר כי מפל המתח על הבידוד, שעוביו סנטימטרים ספורים, היא בסדר גודל של מאות אלפי וולטים לכל סנטימטר. במצב זה, כל פגיעה במבנה הכבל, צורתו ובידודו משמעותה פריצת הבידוד ונזק משמעותי.
- שני גידים - להולכת מופע בודד בזרם חילופין או לזרם ישר. משמש בעיקר להזנת מכשירים.
- שלושה גידים - להולכת מופע בודד בזרם חילופין כאשר הגיד השלישי משמש להארקה (להזנת מכשירים, בעיקר), או להולכת שלושה מופעים, בדרך כלל במערכות חלוקה.
- ארבעה גידים - להולכת מעגל תלת מופעי עם מוליך אפס. משמש בעיקר לחיבור מבנים לרשת החשמל ולחיבור בין לוחות חשמל בתוך מבנים.
- חמישה גידים - להולכת מעגל תלת מופעי עם מוליכי אפס והארקה. זהו הכבל הסטנדרטי להזנת מכשירי חשמל תלת מופעיים.
כבלי תקשורת
עריכהכבלים משולבים
עריכהכבלים חסיני אש
עריכהכבלים תת-מימיים
עריכההתקנת כבלים
עריכה  |
ראו גם – חיווט חשמלי |
עקרונות
עריכהלהתקנה של כבלי חשמל כמה עקרונות:
יציבות
עריכהההתקנה צריכה להיות ברת קיימא, כלומר כך שתבטיח את יציבות עצמה בזמן פעולת הכבל. אם כבלים מחוברים לתשתית כלשהי, החיבור צריך להיות כזה שיבטיח הן שהכבלים לא יתנתקו מהתשתית, והן שהתשתית עצמה לא תקרוס כתוצאה ממשקלם של הכבלים. לעיתים התשתית עצמה עליה מותקנים הכבלים היא ניידת (למשל מטוס או אוניה), והתנודות הנגרמות כתוצאה מתנועתה עלולות להזיז את הכבלים ממקומם. קיימים גם מקרים בהם הכבל עצמו מיועד לנוע תוך כדי פעולתו (למשל כבל המזין מעלית). תזוזות של כבל עלולות גם להחליש את חיבורו למכשיר אותו הוא מזין תוך יצירת ניצוצות בנקודת החיבור וסכנת שריפה, או אף לנתקו לחלוטין.
דגש מיוחד מושם על נקודות החיבור של הכבלים למכשירים עצמם, ללוחות חשמל או לכבלים אחרים. נקודות אלה מועדות להתנתקות או פגיעה, ועל מנת לייצב אותן ולהגן עליהן ננקטים אמצעים וטכניקות נוספות.
הגנה מכנית
עריכההתקנת הכבל צריכה להיות באופן שהוא יוגן בפני פגיעות מכניות. פגיעות כאלה יכולות להתרחש כתוצאה מהתנגשות, מעיכה, נזק כתוצאה מביצוע עבודות בסביבת הכבל וגם מפגיעת בעלי חיים. להגנה על כבלים משולבים כמה אמצעים: סימון ברור של מיקומם, בחירת תוואי התקנה שפחות נגיש לגורמי פגיעה פוטנציאליים או שפחות סביר שבו תתרחש פגיעה, וכן התקנה של אמצעי הגנה פיזיים על הכבלים. לא כל אמצעי ההגנה הללו ניתנים ליישום בכל מקרה של התקנת כבלים, ובמקרים רבים מותקנים כבלי חשמל באופן גלוי ונגיש לחלוטין (למשל כבלים המזינים מכשירי חשמל ביתיים). במקרים כאלה סכנת הפגיעה המכנית בכבלים גבוהה יחסית.
תנאי סביבה
עריכהתנאי הסביבה בה מותקנים כבלים משפיעים מאוד על ביצועיהם ועל תקינותם, אך גם הכבלים עצמם משנים את תנאי הסביבה במהלך התקין של פעולתם. תנאי הסביבה העיקריים המשפיעים על פעולתם של כבלים הם:
- טמפרטורה אופפת: בסביבת ההתקנה של כבלים צפוי טווח מסוים של טמפרטורות. כאמור לעלי, לטווח הטמפרטורות השפעה מהותית על ביצועי הכבלים.
- יכולת הולכת החום של התווך בו הכבלים מותקנים: כבלים מייצרים חום במהלך פעולתם, ולכן גם יכולת הולכת החום של הסביבה בה הם מותקנים משפיעה על הטמפרטורה של הכבלים. כבלים יכולים להיות מותקנים באוויר באזור עם או ללא איוורור - אוויר עומד הוא מבודד חזק להולכת חום, ולכן חום שנוצר בכבלים לא יתפזר והטמפרטורה שלהם תעלה. התקנת כבלים בתוך אדמה תושפע מסוג האדמה - לסוגי אדמה שונים יכולות הולכת חום שונות. כבלי חשמל תת-מימיים "נהנים" מהולכת החום הגבוהה של המים וגם מטמפרטורה אופפת בטווח צר וידוע.
- השפעה הדדית בין כבלים: כאמור גם הכבלים עצמם משפיעים על תנאי הסביבה במהלך עבודתם. ההשפעה הבולטת היא התחממות הכבלים, כך שבהתקנת כבלים בסמוך זה לזה קיימת השפעה הדדית המגבירה את התחממות הכבל. השפעה נוספת היא יצירת שדות אלקטרומגנטיים - אלו גם יוצרים נתיבי זרם לא מתוכננים המגבירים את ההתחממות, וכן עלולים להשפיע על מעבר אותות תקשורת בכבלים.
- סביבות מגיבות כימית: כבלים עשויים להיחשף לסביבות חומציות, מאכלות וקורוזיביות העלולות לפגוע בבידוד, ולכן כבלים המותקנים בסביבה כזו צריכים להיות עם בידוד מחומר מתאים. גם הצטברות של חומרים בעלי מוליכות חשמלית נמוכה על פני הבידוד של כבלים (למשל שילוב של לחות, אבק ומליחות) עלולה לגרום להופעת זרמים חשמליים שמחממים את הכבל, הן כתוצאה מהשפעת השדות הנ"ל, והן כתוצאה מזליגת זרמי חשמל מנקודות החיבור של הכבל. זרמים אלו עשויים להגיע לסדרי גודל של אמפרים אחדים, ולגרום לחימום ופגיעה משמעותיים.
- קרינה: קרינה ישירה (למשל קרינת השמש) פוגעת בסוגי בידוד נפוצים רבים, בנוסף להיותה גורם מחמם נוסף.
תחזוקה שוטפת
עריכה
