Jak se dělá kabel

 

 

Rozdělování kabelů do skupin není tak jednoduché, jak by se mohlo zdát. Kabely je možné rozdělovat podle velkého množství parametrů – silové, sdělovací, měřicí, kontrolní, automatizační, výtahové nebo naopak flexibilní, tepelně odolné, oheň nešířící, ohniodolné, také kabely z PVC, silikonové, pryžové, navíc množství kabelů přechází z jedné skupiny do druhé i v rámci výběru jednoho parametru, zatímco některé jako by nepatřily nikam (např. kompenzační kabely a prodlužovací vedení k termočlánkům). Těmto specialitám se v tomto článku nelze věnovat, na to by bylo třeba v horším případě celé vydání časopisu, v lepším případě kniha.

 

V základě lze kabely rozdělit do tří kategorií:

 

Silové kabely jsou metalické kabely přednostně určené pro vedení pracovní elektrické energie s frekvencí zpravidla ne větší než několik desítek hertzů a přenášeným výkonem řádově v rozsahu 10¹ až 10⁸ W na příslušné napěťové úrovni.

 

Jako materiál pro elektrovodná jádra těchto kabelů se nejčastěji používají hliník a měď. Protože hliník má zhruba 60 % vodivosti mědi, musí být pro stejný účel zvolen větší průřez jádra a výsledný kabel je potom silnější. Je ale podstatně lehčí a levnější než stejně dimenzovaný kabel měděný, a to mu dodnes zabezpečuje místo na pomyslném kabelářském slunci. Přesto se v poslední době od hliníkových jader upouští, zejména v domovních rozvodech, kde se pro nevyhovující mechanické vlastnosti hliník neosvědčil. Je křehký a vodiče se snadno lámou, časem oxiduje a potahuje se vrstvou nevodivého Al₂O₃, čímž roste přechodový odpor ve svorkách. Navíc při průchodu elektrického proudu zvětšuje svůj objem a teplotu, a tím se postupně ve svorkách deformuje a uvolňuje. Proto je hliníkové kontakty třeba průběžně dotahovat.

 

Měď je v tomto případě na výrobu elektrovodných jader téměř ideální, je to v běžných podmínkách po stříbře druhý nejlépe vodivý kov s velmi dobrou zpracovatelností a dobrou odolností proti atmosférické korozi. Negativně ovšem reaguje s některými složkami izolace (pryží, sírou) nebo jinými kovy (kde tvoří článek), např. ve stínění kabelu, a bývá pro tyto případy použití elektrolyticky nebo za tepla potahována stříbrem nebo cínem ve vrstvě 0,002 až 0,015 mm. V kabelářském průmyslu se používá elektrolyticky rafinovaná tažená žíhaná měď o čistotě 99,95 až 99,99 % o největší měrné elektrické rezistivitě 17,24 ·10^–9 Ω·m.

 

Měď se získává poměrně složitým způsobem ze sulfidických rud jejich postupným pražením a dmýcháním (besemerací). Následně se elektrolyticky čistí a výsledným produktem jsou katodové desky rafinované mědi, které se odlévají do čtverhranných tyčí, tzv. barníků. Pro výrobu drátu se z barníků válcuje tvrdý měděný drát o průměru 7 až 8 mm. V této fázi si již polotovar přebírají kabelovny.

 

Další operací je tvářecí proces postupného zmenšování průměru – tažení drátu zastudena. Drát je protahován na tažecích kotoučích kalibrovanými tažecími průvlaky na tzv. tandemových, nebo kuželových tažičkách (drátotazích). Protože se během jednoho tažení drát prodlouží o zhruba 20 %, je třeba k výslednému průměru drátu operaci několikrát opakovat. Pro výsledný homogenní povrch bez poškození se drát během tažení protahuje emulzí, která zároveň tažený drát chladí. Drátotahy dělíme podle výsledného produktu na hrubotahy, které produkují dráty v rozmezí 4,5 až 1 mm, střední tahy (1,8 až 0,1 mm), jemné tahy (0,25 až 0,04 mm) a zvlášť jemné tahy do průměru drátu 0,01 mm. Během tažení ovšem měď tvrdne a drát je po opuštění tažičky v praxi pro kabel nepoužitelný.

 

Poslední operací je proto žíhání drátu buď průběžné, nebo v pecích v ochranné atmosféře. V pecích se žíhají celé svitky drátu, zatímco při průběžném žíhání se do drátu pouští pomocí kontaktních kladek velký proud, který drát ohřívá na žíhací teplotu (obr. 1).

 

V kabelech se lze setkat s několika typy jader. Buď je v kabelu drát, tedy pevné jádro, nebo se pro pohyblivá připojení do kabelu používají lanovaná jádra několika tříd, které určují počet a průřez jednotlivých drátků v lanovaném jádru. Použitím lanovaných jader v různých třídách určujeme míru ohebnosti výsledného kabelu. Jádra o průřezu nad 16 mm² jsou již lanovaná všechna z více drátů. Protože typů lanovaných jader je poměrně mnoho, neřeší se zde již průměr jádra, ale průřez, který je dán součtem průřezů použitých drátů.

 

Lanovaná jádra mohou být pravidelná, nepravidelná, nebo sektorová. Pravidelné konstrukce se využívají v současnosti zejména u silnějších průřezů a jednotlivé dráty jsou zde protisměrně polohově stáčeny na lanovacích strojích. Jednotlivé dráty mají přesně určené polohy pro co nejlepší využití prostoru. Přesto jsou takto stáčená lana mnohdy navíc lisována (komprimována) v kalibrovaných válcích. Pro tyto účely je ovšem lepší, jsou-li jednotlivé polohy stáčeny jen jedním směrem kvůli deformaci drátů uvnitř lana. Nepravidelné konstrukce (tzv. sypaná lanka) se využívají především u lan menších průřezů a větší ohebnosti. Zatímco u pravidelné konstrukce se pohybuje maximální průměr jednotlivého drátu kolem 3 mm, u sypaných lanek je maximum 0,4 mm. Dráty jsou přes průvlak vpouštěny najednou a stáčeny v jednom provazci. Silná flexibilní lana jsou kombinací obou metod, definovaně sypané provazce jsou stáčeny polohově jako silnější dráty. Pro nejlepší využití prostoru se v kabelech pro nízké napětí do 1 kV ve větších průřezech používají tzv. sektorová jádra. Definovaně lanované jádro je zde lisováno ve válcích do tzv. sektorů zhruba trojúhelníkovitého tvaru (obr. 2).

 

V názvosloví silových kabelů podle mezinárodní normy IEC se velikost jader uvádí ve jmenovitém průřezu. Není to ovšem přesná aritmetická hodnota, neboť jednotlivé normy zohledňují např. čistotu použitého kovu (ČSN EN 60228 stanovuje nejvyšší povolený odpor každého průřezu). Jádro tedy bývá v souladu s normou i v případě, že jeho skutečný průřez plně neodpovídá průřezu avizovanému. Standardní průřezy silových vodičů dnes odpovídají zhruba průměrům podle tab. 1.

 

Jádra o průřezu nad 16 mm² jsou již lanovaná z více drátů a zde výsledný průměr záleží na způsobu lanování, komprimaci lana apod. Pro pohyblivá připojení se do kabelu používají lanovaná jádra několika tříd, které určují počet a průřez jednotlivých drátků v lanovaném jádru. Použití lanovaných jader v různých třídách určuje míru ohebnosti výsledného kabelu.

Pro běžné použití se lze každodenně setkat především s kabely do 1 kV. Článek se tedy bude ubírat tímto směrem, neboť kabely pro vyšší a vysoká napětí se odlišují jak materiálově, tak technologií výroby.

 

Dalším vstupním materiálem, který vytváří kabel, je izolace jádra. Jádro je obaleno izolační hmotou, která z jádra vytvoří žílu nebo také izolovaný vodič. V tzv. extrudérech (vytlačovacích strojích) (obr. 3) se za vysoké teploty na jádro nanáší pod vysokým tlakem roztavený plast. V extrudéru jsou plasty buď probarvovány podle norem přímo do směsi, stříkané na jádro, nebo se žíla barví pomocí koextrudéru se speciální extruzní hlavou metodou tzv. přístřiku, kdy se na hotovou bezbarvou izolaci nastříká tenká (skin) vrstva probarvené směsi. Zde je výhodou lepší výsledná napěťová pevnost izolace. S PVC kabely se lze setkat v podstatě na každém kroku, výrobci kabelů však přizpůsobují své výrobky k použití v nejrůznějších prostředích, kde může být PVC fyzikálně nebo chemicky nevyhovující. Podle požadavků zákazníka se již ve fázi výroby žíly rozhoduje, zda bude kabel odolávat nízkým nebo vysokým teplotám, chemickým vlivům, záření, jak bude flexibilní nebo zda bude např. ohniodolný. Proto lze na jádrech silových kabelů nalézt polyetyleny, etylenvinylacetáty (EVA), polyamidy, teflon nebo silikonový kaučuk (který se nanáší zastudena a vulkanizuje v horkovzdušném tunelu) nebo směsi na bázi těchto polymerů.
 
Na kabely pro vyšší teploty se používá silikonový kaučuk nebo teflon, na bezpečnostní kabely PE nebo XLPE (síťovaný polyetylen s lepšími mechanickými vlastnostmi). Trendem poslední doby je zabezpečit místa s výskytem osob kabely s různým stupněm požární odolnosti. Již ve fázi žíly kabelu je nutné zabezpečit, aby napěťová pevnost izolace žil zůstala funkční i během požáru. V tomto případě se ještě před extruzí žílové směsi jádro kabelu omotá ohniodolnou sklo-slídovou páskou, která izolaci žil zabezpečí i po odhoření plastů, nebo se použije keramizující směs. Při požáru po vyhoření plastu zůstává zachována pouze minerální izolace.

 

Samostatnou kapitolou na této úrovni je ještě skladba kabelových žil v kabelu a konstrukce kabelové duše. Barvy žil v kabelu

podléhají normám. Ale není to tak jednoduché. Obecně známá je norma ČSN 33 0165 z roku 1992, podle které všechno bezchybně fungovalo až do roku 2005. Tehdy byla vydána ČSN 33 0166 ed. 2, která v současné době předchozí normu nenahrazuje, ale v podstatě platí obě souběžně. Nyní se tedy lze setkat s novým barevným značením kabelů J a O, stejně jako se starým A, B, C, D. Staré značení se sice nedoporučuje, ovšem nová norma není schopna pokrýt všechny původní kombinace (tab. 2).

 

Je-li zvolen materiál žil a jejich barevná skladba, lze přikročit ke konstrukci kabelové duše. U běžných typů silových kabelů bez doplňujících konstrukčních prvků se od konstrukce kabelové duše jako samostatné technologické operace upouští. Žíly jsou ve svazku vpouštěny do extrudéru, kde je na ně nanášena výplňová směs a plášť kabelu během jedné operace. Žíly jsou v kabelu stáčeny před bezprostředním najetím do extruzní hlavy, kde jsou opatřeny separačním materiálem – nejčastěji mastkem, zajišťujícím lepší oddělení vrstev kabelu. Stáčení kabelové duše má svůj význam. Stočené žíly lépe drží tvar a konstrukce se nerozpadá, navíc kabelu usnadňují ohýbání, a tím i manipulaci. V uvedeném případě, kdy se kabelová duše stáčí těsně před vstupem do extrudéru, se používá technologie SZ zákrutu, kdy jsou žíly kabelu protaženy skrz jakousi kolébku, která stáčí kabelovou duši střídavě doleva a doprava. V případě, že má finální výrobek obsahovat větší počet žil nebo vyžaduje dodatečnou konstrukční úpravu, stáčí se kabelová duše v jednotlivých polohách na lanovacím stroji (obr. 4). Zde se kabelová duše zároveň ovíjí různými páskami podle požadavků zákazníka. Patří sem zejména voděodolné a ohniodolné bariéry a stínicí pásky zabezpečující elektromagnetickou kompatibilitu (EMC) kabelu. Do kabelové duše se při této operaci také vkládají centrální a výplňové prvky, které zabezpečují ovalitu a pravidelnost konstrukce, a tahové prvky (skleněná nebo aramidová vlákna). Konstrukce kabelové duše bývá fixována do daného průměru PET páskou nebo fixačním vláknem.

 

Na kabelovou duši silových kabelů a ostatních typů kabelů, kde to vyžaduje jejich konstrukce, je v extrudéru nanášena kabelová výplň. Její funkcí je vyplnit prostor mezi žilami a zajistit ovalitu hotového kabelu. Není však nezbytná a na trhu se lze setkat i se silovými kabely bez výplňového prvku. Výplň většinou nemá v kabelu funkci izolantu, proto se k její výrobě používají levnější materiály, např. na bázi EPDM (etylen-propylenového kaučuku), které dobře přijímají různá plniva (např. křídu). Výplň je nejčastěji nanášena během jedné operace v tandemu i s pláštěm kabelu; ovšem i nad výplní kabelu může pokračovat kabelová konstrukce.

 

Finálními prvky pod pláštěm specializovanějších silových kabelů jsou stínění a mechanické bariéry. Zde přichází na řadu oplétací stroje (obr. 5). Oplet, nejčastěji pocínovanými měděnými drátky, zajišťuje kabel proti pronikání rušivých elektromagnetických polí. Lze se zde ovšem setkat i s opletem železnými pozinkovanými drátky, které zajišťují funkční mechanickou ochranu kabelu a jiskrovou bezpečnost, nebo dokonce s pancéřem – ochranou kabelu podélně vpouštěnými hliníkovými nebo železnými pozinkovanými dráty ovinutými železnou, pozinkovanou páskou. Stínění páskou a oplety bývají doplněny kontinuálním vodičem pro napojení.

 

Toto jsou již poslední výrobní operace – zbývá kompletní kabelovou konstrukci naposledy protáhnout extrudérem a nanést na ni kabelový plášť. Plášť kabelu drží konstrukci kabelu pohromadě a chrání ji před nepříznivými vnějšími vlivy, počínaje mechanickým namáháním a vystavení UV záření konče. Podle požadavků zákazníka je někdy do pláště vpouštěno i ocelové pozinkované lanko pro zavěšení kabelu. Jinak zde platí v podstatě to samé co pro kabelovou žílu. Běžným podmínkám vyhovují pláště z PVC, PVC kabely jsou používány asi nejvíce, ale v extrémních prostředích tyto kabely již v podstatě nemají šanci dostát náročnosti zkoušek podle nových norem. Stále častěji se lze setkat s oranžovými a hnědými plášti, které značí požárně bezpečné kabely z HFFR (bezhalogenových nehořlavých směsí) (obr. 6).

 

Sdělovací kabely pro vedení signálu jsou kabely, které vedou zpravidla nepatrnou energii (až 10^–6 W), ovšem o frekvencích až 10⁸ Hz. Protože jimi vedou jen nepatrné proudy, průměr jader obvykle nepřesahuje 1 mm. Na rozdíl od silových kabelů je u kabelů sdělovacích v názvosloví uváděn průměr jádra, nikoliv průřez. Využití kabelů souvisí s přenášenou frekvencí, čím je vyšší, tím jsou větší požadavky na podélnou elektrickou homogenitu jednotlivých přenosových prvků. Stejně rostou tyto požadavky v souvislosti s požadavky na délku kabelové trasy.

 

Sdělovací kabel je relativně homogenní vedení s rovnoměrně rozloženými primárními parametry, které lze znázornit schématem podle obr. 7.

 

Vysokofrekvenční elektromagnetické vlny ve sdělovacích kabelech jsou přenášeny mezi vodiči. Izolace mezi vodiči má proto zásadní vliv na vlastnosti takového kabelového vedení (útlum signálu, maximální frekvence apod.).

 

Nejběžnějším typem sdělovacích kabelů pro přenos signálu je tzv. kroucená dvojlinka. V kabelu jsou žíly stáčeny do definovaně kroucených párů, ze kterých je potom stáčena duše kabelu (obr. 8).

 

Žíly se do párů s různou délkou zkrutů stáčejí proto, aby bylo utlumeno vzájemné elektromagnetické působení a přeslechy mezi páry. Přesto ve vyšších kategoriích samotné stáčení nestačí a páry jsou samostatně stíněny fólií PET s hliníkovou vrstvou.

 

Konstrukce duše slaboproudých kabelů se tedy neskládá ze samostatných žil, ale z tzv. prvků – párů, čtyřek, křížových čtyřek nebo výjimečně kroucených trojek. Důraz je zde kladen na odstranění přeslechů. Uvedené kabely patří do tzv. symetrických kabelů, neboť oba vodiče jsou vzájemně v rovnocenné pozici. Další skupinou jsou asymetrické, tzv. souosé vysokofrekvenční sdělovací kabely – koaxiály pro přenos elektromagnetického vlnění řádově do 50 GHz. Na koaxiální kabely navazují vlnovody (vedení), avšak na jiném principu.

 

Protože rychlost šíření elektromagnetického signálu se zvyšující se frekvencí roste, je rychlost šíření koaxiálními kabely větší

než u kroucených dvojlinek. Koaxiální kabely jsou tvořeny vnitřním vodičem v podobě drátu nebo trubičky a vnějším koncentrickým vodičem. Vnitřní vodič je často označován jako jádro a vnější jako stínění. Prostor mezi vnějším a vnitřním vodičem je vyplněn nevodivým dielektrikem, nejčastěji plným nebo pěnovým polyetylenem. Ten se extruduje na jádro podobně jako izolace v případě ostatních typů kabelů, ovšem při průběžném sledování kapacity. Vnější vodič tvoří ovin dielektrika měděnou fólií nebo PET fólií s hliníkovou vrstvou, opletem nebo kombinací opletu a ovinu, popř. se na dielektrikum nalisuje kovová trubka (obr. 9).

 

Samostatnou kapitolou mezi kabely jsou kabely s optickými vlákny. Optická vlákna vedou elektromagnetické vlnění v podélné ose (světlovody), a protože jsou ohebná, mohou být použita pro kabelové konstrukce. Jsou odolná proti elektromagnetickému rušení a mají oproti metalickým kabelům nízký útlum signálu. Lze u nich dosáhnout přenosové rychlosti až 111 Gb·s^–1 a jedno vlákno může přenášet více signálů v různých vlnových délkách. V současnosti se používají dva základní typy vláken: jednovidové (single mode) a mnohovidové (multimode), podle používaného intervalu vlnové délky světla. Jednovidová vlákna se používají pro rozvod signálu na velké vzdálenosti, vlákna vícevidová na vzdálenost do zhruba 500 m. Vlákna jsou sdružována v tzv. bufferech, trubičkách, které bývají plněny gelem, a dohromady může být v jednom kabelu až několik set vláken. Protože křemíková vlákna mají v podstatě nulovou tažnost, kabely jsou opatřovány množstvím podélně vpouštěných tahových prvků na bázi skla nebo uhlíkových vláken (aramid), aby se při pokládce vlákna nepoškodila. Rozvoj datových sítí v poslední době rozhodně nahrává výrobcům kabelů s optickými vlákny. Přestože tyto kabely jsou relativně dražší než metalické sdělovací kabely, jejich výhody jsou obrovské. Velká přenosová rychlost, nízký útlum, ale především řádově větší kapacita optických kabelů z nich dělá hlavní adepty na dálková a silně zatížená vedení, kde klasické sdělovací kabely přestávají vyhovovat (obr. 10).

 

Plášťové materiály u slaboproudých a optických kabelů jsou podobné jako u silových kabelů, zejména PVC a polyetyleny, ovšem i zde platí, že každé specifické prostředí si žádá svou konstrukci, a tedy i své specifické materiály.

 

Mezinárodní normy kladou důraz na bezpečnost kabelových konstrukcí nejen z hlediska jejich napěťové pevnosti a elektrické bezpečnosti, ale i z hlediska ostatních rizik spojených s používáním kabelů. V každém odvětví průmyslu a energetiky lze nalézt provozy vyžadující jejich certifikaci, včetně certifikace kabeláží. Nyní se proto vyrábějí kabely odolné proti chemickým látkám, olejům, jiskrově bezpečné kabely do výbušného prostředí, kabely pro různé provozní teploty, kabely pro jadernou energetiku, které jsou certifikovány pro provoz i během maximální projektové havárie JE. V každodenní praxi se běžně používají kabely s různým stupněm odolnosti proti požáru, které postupně vytlačují z trhu kabely z PVC. V případě hoření kabelů z PVC se vyvíjí dusivý dým a dochází k rychlému zadýmení prostoru. Bezhalogenové samozhášivé kabely se vyznačují malým vývinem dýmu při požáru a malou korozivitou zplodin, takže umožňují evakuaci osob i poté, co se požár dostane do elektroinstalace. Kabely ohniodolné jsou dokonce kabely, které jsou schopny plnit svou funkci v ohni i několik hodin. Přesto ani to mnohdy nestačí a požadavky na bezpečnost kabeláže, a tedy i na její materiálovou konstrukci neustále rostou.

http://www.kabex.cz