08
Co se v této kapitole dozvíte?
Různé tvary jader vodičů jsou na obr. 8.1.
Obr. 8.1: Tvary jader vodičů
Dvě různá provedení jader vodičů ukazuje obr. 8.2.
Skinefekt - průchodem střídavého proudu vodičem se vytvoří ve vodiči střídavé magnetické pole, které indukuje ve vodiči vířivé proudy. Vířivé proudy vytvoří vlastní magnetické pole, které působí proti původnímu proudu vodičem. Proud ve vodiči je vytlačován k povrchu vodiče. Skinefekt zvyšuje odpor vodiče a v jeho důsledku dochází k nadměrnému zahřívání izolace, což by mohlo vést k průrazu. Skinefekt se zvyšuje s větší frekvencí, při frekvenci 50Hz je proud na povrchu vodiče přibližně o 1 % větší než uprostřed.
Jádra pro energetické vodiče jsou téměř vždy definována jejich odporem. Výsledný geometrický průřez závisí na měrné vodivosti materiálu vodiče.
Obr. 8.2: Provedení jader vodičů
Obr. 8.3: Izolovaný čtyřžilový vodič s hliníkovým složeným jádrem a izolací PVC | Obr. 8.4: Vodiče 110 kV s izolací ze zesíťovaného polyetylenu |
Vodiče pro venkovní vedení tvoří důležitou součást rozvodné soustavy. V současné době se vyrábějí v různých provedeních a tvarech. Jsou zkonstruované ze spirálovitých točivých drátů s kruhovým příčným řezem. Průřez vodiče pak obsahuje poměrně velké oblasti dutin. Pomocí drátů lichoběžníkového tvaru může být zkonstruován vodič se zvětšeným poměrem kovu vůči vzduchu. Další možnost je provedení vodiče mozaikou ve tvaru písmene „Z“, při kterém se zformované vodiče efektivně tisknou.
Různé tvary venkovních vodičů ukazuje obr. 8.5.
Tvarované vodiče mají větší hliníkovou část a tak nižší odpor než normální vodič kruhového průřezu se stejným vnějším průměrem. U vedení s vodiči z tvarovaných drátů bude váha vodičů větší a tím i mírně vyšší zatížení stožáru. Nebo je naopak možné dosáhnout menšího průřezu a tím i větrného namáhání při zachování stejných hodnot činného odporu vodiče. [1]
Obr. 8.5: Různé tvary venkovních vodičů
Obr. 8.6: Lana AlFe | Obr. 8.7: Svazkové vodiče AlFe - 3 lana pro 1 fázi |
Obr. 8.8: Přípojnice v RIS
Obr. 8.9: Trolejový vodič s charakteristickým tvarem průřezu
Izolovaný vodič vždy tvoří vždy jádro (kap. 8.2.3) a pevná vrstva izolace (kap. 8.3.1). Někdy je izolačních vrstev více.
Používají se nejčastěji extrudované polymery, papír, sklo, minerální izolace, smalt nebo kombinace těchto materiálů.
Více o izolačních materiálech pro vodiče je v kap. 6.7.6.
Tepelné třídy izolantů dle ČSN EN 60085 ed. 2 jsou uvedeny v kap. 6.5.7.
Silové vodiče se používají pro napájení elektrických zařízení a spotřebičů. Můžeme je rozdělit na vodiče pro pevné uložení a pro pohyblivé uložení.
Izolaci tvoří obvykle několik vrstev, např. izolace každé žíly, vrstva výplně (guma nebo plastová páska), izolace společná, stínění, plášť, venkovní plášť, viz např. obr. 8.10. Podrobně jsou tyto vrstvy, jejich provedení a výroba rozebrány v kap. 8.6.
Řada normalizovaných průřezů je následující: 1,5 - 2,5 - 4 - 6 - 10 - 16 - 25 - 35 - 50 - 70 - 95 - 120 - 150 - 170 - 185 - 240 - 300 mm2.
Pro větší průřezy se provádějí obvykle jádra složená, viz kap. 8.2.2.
Návrh správného typu a průřezu silového vodiče je klíčový z hlediska správné funkce i bezpečnosti zařízení. Této problematice se věnuje e-kniha Elektroenergetika 1 zpracovaná též pro VOŠ a SPŠE F. Křižíka.
Obr. 8.10: Kabel nízkého napětí s několika vrstvami
Obr. 8.11: Katalogový list 1–CYKCY (PRAKAB)
Obr. 8.12: Kabel vysokého napětí 22 kV (PN PRE)
Podle mechanické odolnosti dělíme šňůry na:
Obr. 8.13: Katalogový list pro lehké a střední šňůry (Draka kabely)
1 - Holý, plný měděný vodič průměr 0,5 nebo 0,8 mm
2 - Izolace žil z bezhalogenové směsi, značení žil dle ČSN IEC 189-2,
žíly stočeny do párů
3 - Ovin žil ochrannou fólií
4 - Stínění laminovanou hliníkovou fólií, příložný drát
5 - Vnější plášť z bezhalogenového polymeru, hnědý.
Obr. 8.14: Kabel JCXFE-V 2x2x0,8
Obr. 8.15: Koaxiální vodič
Výroba kabelů a dalších vodičů je poměrně náročná. Je při ní potřeba dodržet předepsanou kvalitu jak vodivých, tak izolačních materiálů. Výsledné vodiče mají mít parametry dané normami a dalšími předpisy.
V této kapitole si lze prohlédnout prezentaci, která ukazuje výrobu kabelů od počátečního kovu až ke konečnému několikažilovému izolovanému vodiči. Prezentaci pro tuto publikaci laskavě zapůjčila naší škole firma PRAKAB, která vyrábí silové i sdělovací vodiče pro český i zahraniční trh.
V současné době se u nás používají dva systémy značení vodičů a kabelů.
Příklad: 1-CYKY 3Jx2,5 znamená: vodič pro nízké napětí, materiál jádra měď, izolace žíly PVC, jedná se o kabel pro pevné uložení, společná izolace je PVC, 3 žíly, barevná kombinace: černá, světle modrá, kombinace zelená se žlutou, průřez 2,5 mm2.
Značení lan AlFe: nejprve se uvádí průřez, pak typ lana, např. 120AlFe6 znamená, že se jedná o lano AlFe6 s průřezem hliníkového vodiče 120 mm2.
Označení dle tohoto systému má devět pozic, přičemž mezi V. a VI. pozicí je pomlčka:
I II III IV V - VI VII VIII IX
Příklad: H05 VVH - F3G2,5 znamená: vodič dle harmonizovaného předpisu, pro napětí do 300/500 V, izolace žíly PVC, společná izolace PVC, ploché rozdělitelné vedení, měděné jádro, z tenkých drátů pro pohyblivé uložení (šňůra), 3 žíly, má ochranný vodič, průřez 2,5 mm2.
Pro barevné značení vodičů platí norma ČSN 33 0166, ed. 2: 2002, výběr z této normy viz tab. 8.1.
Na obr. 8.8 si lze prohlédnout názorný příklad označení vodičů barvami:
Vodič
|
Označení písmenem
|
Barva
|
Fázový vodič AC - holý
|
L1, L2, L3
|
Oranžová
|
Fázový vodič AC - izolovaný
|
U, V, W
|
Černá, hnědá, šedá
|
Střední vodič
|
N
|
Světle modrá
|
Ochranný vodič
|
PE
|
Kombinace zelená se žlutou
|
DC - kladný pól
|
L+
|
Tmavočervená
|
DC - záporný pól
|
L-
|
Tmavomodrá
|
Vodič PEN
|
PEN
|
Kombinace zelená se žlutou
|
Tab. 8.1: Barevné značení vodičů
c ... rychlost světla ve vakuu,
n ... index lomu prostředí.
Obr. 8.16: Základní zapojení optického spoje (dle [6])
Jako optický zdroj se využívá buď laser, nebo LED.
Video 8.1: Princip laseru
Využívá se tzv. vlnovodový efekt, kdy se světlo úplně odráží na rozhraní, za kterým je menší index lomu. Pokud je úhel menší než mezní, všechny paprsky zůstanou v jádře, viz obr. 8.17. Šíření světelného záření optickým vláknem je též pěkně vidět ve videu 8.2.
Obr. 8.17: Princip šíření světla optickým vláken
Pro dodržení podmínky, že index lomu obalu má být větší než index lomu pláště, se obvykle používají materiály s následujícími hodnotami:
n1 = 1,48; n2 = 1,46.
Video 8.2: Šíření světla optickým vláknem
Běžné optické vlákno se skládá ze tří základních částí:
Energie se vláknem šíří ve formě vidu, neboli módu, což jsou fyzikálně dovolené konfigurace elektromagnetického pole. Pro přenos na dlouhé vzdálenosti jsou nejvýhodnější vlákna jednovidová, na kratší vzdálenosti se používají vlákna mnohovidová. Podrobněji viz kap. 8.8.6.
Počet šířících se vidů závisí na:
Důležitou veličinou každého optického vlákna je jeho numerická apertura, kterou lze určit následovně:
n1 ... index lomu jádra,
n2 ... index lomu pláště.
Numerická apertura určuje schopnost navázání záření do vlákna.
Dalším významným parametrem všech vláken, kromě zmíněné numerické apertury je jeho optický útlum. Ten se udává v jednotkách decibely na kilometr (dB/km) a je definován jako:
I0 ... intenzita vstupujícího záření,
I ... intenzita výstupního záření po průchodu jedním kilometrem vlákna.
V praxi při udávání této číselné hodnoty je zapotřebí připojit, pro jakou vlnovou délku platí. Tak například u vlákna majícího útlum 50 dB/km se výstupní intenzita po proběhnutí 1 km sníží na stotisícinu původní hodnoty, ale u vlákna o útlumu 5 dB/km se výstupní intenzita sníží pouze na jednu třetinu. Útlum ovlivňuje též čistota vlákna. Pro lepší představu útlumu optických vláken lze uvést, že okenní sklo má útlum 50 000 dB/km, hustá mlha asi 500 dB/km.
Dosahuje se větší rychlosti šíření signálu, proto se používají pro velké vzdálenosti a velké přenosové rychlosti.
Používané vlnové délky: 1310 nm (útlum 0,33 dB/km), 1550 nm (útlum 0,20 dB/km).
Typické rozměry: 9/125 µm.
Zdroj optického záření: laserová dioda.
Jádro je širší než u vláken SMF.
Používané vlnové délky: 850 nm (útlum 2,5 - 3,0 dB/km),
1300 nm (útlum 0,50 - 0,1 dB/km).
Typické rozměry: 50/125; 62,5/125 µm.
Zdroj optického záření: LED.
Šíření světla vlákny SMF a MMF je naznačeno na obr. 8.18.
Obr. 8.18: Šíření světla vlákny SMF a MMF
Plastové optické vlákno se označuje POF (Plastic Optic Fiber). Jeho jádro i plášť jsou z plastu.
Vyrábějí se jako mnohovidová z termoplastu polymetylmetakrylátu (PMMA). Obvyklé rozměry POF jsou na obr. 8.19.
Typické geometrické parametry:
Typické přenosové parametry:
Použití:
Porovnání plastových a skleněných vláken je v tab. 8.2.
Obr. 8.19: Plastové optické vlákno
Mají skleněné jádro i plášť (SiO2).
Vyrábějí se jako SMF i MMF.
Jednovidová:
Mnohovidová:
Vlákna | skleněná | POF | |||
MMF | SMF | MMF | |||
λ (nm) | 850 | 1 300 | 1 310 | 1 550 | 650 /850 |
Útlum (dB/km) | 2,5 - 3,0 | 0,5 - 1,0 | 0,33 | 0,20 | 50 |
Typické rozměry | 50/125 µm | 62,5/125 µm | 9/125 µm | 0,9/1 mm |
Tab. 8.2: Typické parametry různých druhů optických vláken (dle [10])
Obr. 8.20: Výroba prefomy [8]
Obr. 8.21: Tažení optického vlákna [8]
Obvykle se sdružuje větší množství vláken v jednom optickém kabelu. Optický kabel pak může být buď veden samostatně, nebo jako součást jiných vodičů.
Obr. 8.22: Kombinované zemnící lano s optickým vodičem
[1] TLUSTÝ J., KYNCL J, MUSIL L., ŠPETLÍK J., ŠVEC J., HAMOUZ P., MULLER M., MULLER Z. Monitorování, řízení a chránění elektrizačních soustav. Praha ČVUT 2011. 256 stran. ISBN 978-80-01-04940-2
[2] Základy kabelářské techniky. Prezentace PRAKAB. Vzdělávací dokument pro SKB-GROUP.
[3] MALÝ Z., SIMERSKÝ M. Elektrotechnologie Elektrotechnické materiály. Praha: SNTL 1980. 340 stran.
[4] WASYLUK R. Elektrotechnologie pro školu a praxi. Praha: Scientia, s.r.o., 2004. 366 stran. ISBN 80-7183-306-1
[5] SCHENK F. Jak se dělá kabel. In: ELEKTRO časopis pro elektrotechniku [online]. 2011/07. [vid. 11. 6. 2016]. Dostupné z: http://www.odbornecasopisy.cz/elektro/casopis/tema/jak-se-dela-kabel--9622
[6] BOUDA V., MACH P., PETR J., ŠTUPL K. Vlastnosti a technologie materiálů. Praha ČVUT 1996. 221 stran. ISBN 80-01-00976-9.
[7] FYZMATIK. Optická vlákna. In: Fyzmatik píše [online]. ©fyzmatik. [vid. 11. 6. 2016]. Dostupné z: http://fyzmatik.pise.cz/1065-opticka-vlakna.html
[8] ÚFE. Vláknové lasery a nelineární optika. Laboratoř nelineární vláknové optiky. Laboratoř optických vláken. Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR.
[9] DRÁPALA Jaromír, KURSA Miroslav. Elektrotechnické materiály, učební texty [online]. Ostrava: VŠB - Technická univerzita Ostrava 2012. ISBN 978-80-248-2570-0. [vid. 11. 6. 2016]. Dostupné z: http://www.person.vsb.cz/archivcd/FMMI/ETMAT/Elektrotechnicke%20materialy.pdf.
[10] MIKROKOM. Základní měření optických tras při prvním setkání s optikou. Pracovní sešit - materiály z přednášky 10. 10. 2012.
Obr. 8.1 archiv autorky
Obr. 8.2 archiv autorky
Obr. 8.3 archiv autorky
Obr. 8.4 archiv autorky
Obr. 8.5 Tvary vodičů [obrázek]. In: TLUSTÝ J., KYNCL J, MUSIL L., ŠPETLÍK J., ŠVEC J., HAMOUZ P., MULLER M., MULLER Z. Monitorování, řízení a chránění elektrizačních soustav. str. 93. Praha ČVUT 2011. 256 stran. ISBN 978-80-01-04940-2.
Obr. 8.6 AlFe laná hliníkové laná vystužené ocelovým jadrom [fotografie]. In: Laná - AlFe laná [online]. 252x179. Laná a.s. [vid. 2. 6. 2016]. Dostupné z: http://www.lana.sk/vyroba.htm#afl
Obr. 8.7 archiv autorky
Obr. 8.8 archiv autorky
Obr. 8.9 archiv autorky
Obr. 8.10 archiv autorky
Obr. 8.11 1–CYKCY Zemní kabely s PVC izolací a PVC pláštěm, stíněné [obrázek]. In: PRAKAB - Silové kabely 0,6/1 kV - CZ typy katalogový list 1–CYKCY [online]. © PRAKAB [vid 10. 6. 2016]. Dostupné z: http://www.prakab.cz/upload/bilder/Produkte/images-pdfs-EN/energy-cables-kV/1CYKCY.pdf
Obr. 8.12 Jednožilový kabel 22-AXEKVCER [obrázek]. In: PRE-di - Potřebuji zařídit - Spolupracující firmy - Podnikové normy - Kabelová vedení [online]. © 2015 Pražská energetika, a. s. [vid 10. 6. 2016]. Dostupné z: https://www.predistribuce.cz/cs/potrebuji-zaridit/spolupracujici-firmy/podnikove-normy/#katalog-prvku
Obr. 8.13 H03VV-F (CYLY), H05VV-F (CYSY), H03VVH2-F (CYLY) [obrázek]. In: KV ELEKTRO - Kabely a vodiče - Draka - Silové kabely a vodiče, str. 64 - 65 [online]. KV ELEKTRO[vid 10. 6. 2016]. Dostupné z: https://www.kvelektro.cz/wp-content/uploads/2015/11/silove_kabely_a_vodice.pdf
Obr. 8.14 Kabel JXFE-V B2cas1d0 2 x 2 x 0,8, allkabel [fotografie]. In: CEHA KDC Elektro - Ovládací šňůry CMSM, CMFM [online]. 120x80. CEHA KDC Elektro [vid. 11. 6. 2016]. Dostupné z: http://www.ceha-kdc.cz/shop/produkty/727
Obr. 8.15 archiv autorky
Obr. 8.16 archiv autorky
Obr. 8.17 archiv autorky
Obr. 8.18 archiv autorky
Obr. 8.19 archiv autorky
Obr. 8.20 MCVD (Modified Chemical Vapour Deposition) [obrázek]. In: Vláknové lasery a nelineární optika. Laboratoř nelineární vláknové optiky. Laboratoř optických vláken. Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR.
Obr. 8.21 Tažení vláken [obrázek]. In: Vláknové lasery a nelineární optika. Laboratoř nelineární vláknové optiky. Laboratoř optických vláken. Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR.
Obr. 8.22 OPGV a OPPC a soubory pro tato lana [fotografie]. In: Zemnící lana s integrovanými OPGW optickými vlákny Fázová lanaOPPC s optickými vlákny a soubory pro tato lana [online]. ©Nkt cables [vid. 11. 6. 2016]. Dostupné z: http://www.nktcables.com/cz/support/download/catalogues-and-brohcures/high-voltage-cables/~/media/Files/NktCables/download%20files/cz/OPGW-OPPC_CZ_2011.pdf
Video 8.1 JUBOBROFF. File:Laser-princip-cz.webm [video].commons.wikimedia.org [online]. Wikimedia.commons [vid 11. 6. 2016]. Dostupné z: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Laser-princip-cz.webm?uselang=cs
Video 8.2 BCIT Physics Demonstration Videos. Fiber Optics [video]. Youtube 2008 [online]. [vid 11. 6. 2016]. Dostupné z: https://www.youtube.com/watch?v=evSgbe6sBv4
Prezentace SKB-GROUP. Základy kabelářské techniky. [prezentace]. Vzdělávací dokument pro SKB-GROUP. SKB-GROUP.AT