کابل فشار متوسط چیست؟ راهنمای جامع و تخصصی

انتقال و توزیع انرژی الکتریکی شریان حیاتی تمدن مدرن نیازمند زیرساخت های قدرتمندی است که بتوانند حجم وسیعی از الکتریسیته را با کمترین تلفات و بالاترین سطح ایمنی جابجا کنند. در این میان کابل های فشار متوسط نقش کلیدی و حیاتی ایفا می کنند. این کابل ها که حلقه ی واسط بین شبکه های انتقال فشار قوی و شبکه های توزیع فشار ضعیف هستند انرژی الکتریکی را از پست های فشار قوی به مراکز صنعتی تجاری و مسکونی منتقل می نمایند. در این مقاله جامع به بررسی دقیق و تخصصی کابل های فشار متوسط اجزای اصلی اصول عملکرد کاربردها استانداردها و فناوری های نوین مرتبط با آن ها خواهیم پرداخت.

کابل فشار متوسط : تعریف و جایگاه در شبکه برق

کابل فشار متوسط (MV Cable) نوعی کابل الکتریکی است که برای انتقال جریان الکتریکی در ولتاژهای متوسط طراحی و ساخته شده است.
به طور کلی در استانداردها و تعاریف رایج ولتاژهای بین ۱ کیلوولت (kV) تا ۳۶ کیلوولت (kV) به عنوان فشار متوسط طبقه بندی می شوند. بنابراین کابل های فشار متوسط در این بازه ولتاژی به کار گرفته می شوند.

این کابل ها در شبکه های توزیع انرژی الکتریکی نقشی حیاتی ایفا می کنند. آن ها جریان الکتریسیته را از پست های فشار قوی که ولتاژ را کاهش داده اند دریافت کرده و به پست های توزیع کوچکتر و یا مستقیماً به مصرف کنندگان صنعتی و تجاری بزرگ منتقل می کنند.
به عبارت دیگر کابل های فشار متوسط پل ارتباطی بین شبکه های انتقال و توزیع نهایی انرژی الکتریکی هستند و بدون وجود آن ها امکان رساندن برق به بسیاری از صنایع و مناطق مسکونی وجود نخواهد داشت.

اصول عملکرد کابل فشار متوسط

عملکرد کابل فشار متوسط بر اساس اصول بنیادی الکترومغناطیس و مهندسی مواد استوار است. به طور خلاصه این کابل ها با ایجاد یک مسیر هدایت شده و عایق بندی شده جریان الکتریکی را از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل می کنند.
برای درک بهتر این عملکرد لازم است به اجزای اصلی کابل های فشار متوسط و نقش هر یک از آن ها نگاهی دقیق تر داشته باشیم.

اجزای اصلی کابل فشار متوسط و وظایف آن ها

یک کابل فشار متوسط استاندارد از چندین لایه اصلی تشکیل شده است که هر کدام وظیفه ی خاصی را بر عهده دارند :

• هادی (Conductor) : هادی قلب کابل است و وظیفه ی اصلی آن انتقال جریان الکتریکی است. هادی ها معمولاً از جنس مس یا آلومینیوم ساخته می شوند.
  مس به دلیل رسانایی الکتریکی بالاتر و آلومینیوم به دلیل وزن کمتر و قیمت پایین تر هر کدام مزایای خود را دارند. هادی های کابل های فشار متوسط می توانند به صورت تک رشته یا چندرشته باشند که نوع چندرشته به دلیل انعطاف پذیری بیشتر در کاربردهای خاصی ترجیح داده می شود.
  سطح مقطع هادی بر اساس میزان جریان مورد نیاز و استانداردهای مربوطه تعیین می گردد.
• عایق (Insulation) : عایق لایه ای بسیار مهم است که هادی را در بر می گیرد و از نشتی جریان الکتریکی و اتصال کوتاه جلوگیری می کند. در کابل های فشار متوسط از مواد عایقی با کیفیت بالا و خواص دی الکتریک قوی استفاده می شود. مواد عایقی رایج شامل پلی اتیلن کراس لینک شده (XLPE) اتیلن پروپیلن رابر (EPR) و کاغذ آغشته به روغن هستند. XLPE به دلیل خواص عایقی عالی پایداری حرارتی بالا و طول عمر طولانی امروزه به عنوان پرکاربردترین عایق در کابل های فشار متوسط شناخته می شود.
• لایه نیمه هادی (Semiconductor Layer) : لایه های نیمه هادی که به لایه استرس کنترل نیز معروف هستند به منظور توزیع یکنواخت میدان الکتریکی در اطراف هادی و عایق به کار می روند.
  این لایه ها از موادی با خاصیت نیمه رسانایی ساخته می شوند و از تجمع تنش الکتریکی در نقاط خاص و در نتیجه از تخریب عایق جلوگیری می کنند.
  وجود لایه های نیمه هادی به افزایش طول عمر و قابلیت اطمینان کابل کمک شایانی می کند. این لایه ها معمولاً در دو طرف لایه عایق یعنی بین هادی و عایق (لایه نیمه هادی داخلی) و روی عایق (لایه نیمه هادی خارجی) قرار می گیرند.
• شیلد فلزی (Metallic Shield) : شیلد فلزی لایه ای رسانا است که به دور عایق و لایه های نیمه هادی خارجی پیچیده می شود. وظایف اصلی شیلد فلزی عبارتند از :
• ایجاد مسیر برگشت جریان خطا : در صورت بروز خطا و نشتی جریان شیلد فلزی مسیر ایمن و کم مقاومتی را برای بازگشت جریان خطا به زمین فراهم می کند و از برق گرفتگی و آسیب به تجهیزات جلوگیری می نماید.
• حفاظت الکترواستاتیکی : شیلد فلزی از ایجاد میدان های الکترواستاتیکی قوی در اطراف کابل جلوگیری می کند و تداخلات الکترومغناطیسی (EMI) را کاهش می دهد.
• تقویت میدان الکتریکی شعاعی : شیلد فلزی به شکل گیری میدان الکتریکی شعاعی و یکنواخت در اطراف هادی کمک می کند و عملکرد عایق را بهبود می بخشد.
  شیلد فلزی معمولاً از جنس مس آلومینیوم یا نوار مسی ساخته می شود.
• روکش (Sheath یا Jacket) : روکش لایه ی بیرونی و محافظ کابل است که از اجزای داخلی کابل در برابر آسیب های مکانیکی رطوبت مواد شیمیایی و اشعه UV محافظت می کند. روکش ها معمولاً از جنس پلی اتیلن (PE) پلی وینیل کلراید (PVC) یا پلی یورتان (PU) ساخته می شوند. انتخاب جنس روکش به شرایط محیطی و کاربرد کابل بستگی دارد. به عنوان مثال برای کابل های دفن شده در خاک روکش های مقاوم در برابر رطوبت و مواد شیمیایی مورد نیاز است.

کاربردهای کابل فشار متوسط در صنایع مختلف

کابل های فشار متوسط در طیف گسترده ای از صنایع و کاربردها مورد استفاده قرار می گیرند. برخی از مهم ترین کاربردهای آن ها عبارتند از :

• صنعت برق : کابل های فشار متوسط جزء لاینفک شبکه های توزیع برق هستند. آن ها برای اتصال پست های فشار قوی به پست های توزیع تغذیه ترانسفورماتورهای توزیع و انتقال برق به مناطق صنعتی و تجاری به کار می روند. همچنین در نیروگاه های تولید برق از کابل های فشار متوسط برای اتصال ژنراتورها به پست های انتقال و توزیع استفاده می شود.
• صنعت نفت و گاز و پتروشیمی : در صنایع نفت و گاز و پتروشیمی کابل های فشار متوسط برای تامین برق تجهیزات حفاری پمپ ها کمپرسورها کارخانجات فرآوری و پالایشگاه ها استفاده می شوند. در این صنایع کابل ها باید علاوه بر تحمل ولتاژهای متوسط در برابر شرایط سخت محیطی مانند دماهای بالا و پایین مواد شیمیایی خورنده و محیط های انفجاری نیز مقاوم باشند.
• صنعت فولاد و معادن : کارخانجات فولاد و معادن به دلیل مصرف بالای انرژی الکتریکی نیازمند شبکه های توزیع فشار متوسط قدرتمند هستند. کابل های فشار متوسط در این صنایع برای تامین برق کوره های قوس الکتریکی ماشین آلات سنگین معدنی سیستم های نوار نقاله و سایر تجهیزات پرمصرف به کار می روند.
• صنعت حمل و نقل ریلی و مترو : در سیستم های حمل و نقل ریلی و مترو کابل های فشار متوسط برای تامین برق قطارها متروها سیستم های سیگنالینگ و ایستگاه ها استفاده می شوند. در این کاربردها کابل ها باید از قابلیت اطمینان بالا و ایمنی برخوردار باشند تا از اختلال در سرویس دهی جلوگیری شود.
• بیمارستان ها و مراکز داده : بیمارستان ها و مراکز داده از جمله مراکزی هستند که به برق بدون وقفه و پایدار نیاز دارند. کابل های فشار متوسط در این مراکز برای تامین برق تجهیزات حیاتی پزشکی سیستم های پشتیبان برق (UPS) و تجهیزات IT استفاده می شوند.
  اهمیت بالای پایداری برق در این مراکز استفاده از کابل های با کیفیت و با قابلیت اطمینان بالا را ضروری می سازد.
• انرژی های تجدیدپذیر : در مزارع بادی و نیروگاه های خورشیدی کابل های فشار متوسط برای جمع آوری برق تولیدی از توربین های بادی و پنل های خورشیدی و انتقال آن به پست های افزایش ولتاژ استفاده می شوند.
  در این کاربردها کابل ها باید در برابر شرایط آب و هوایی سخت و تغییرات دمایی شدید مقاوم باشند.

تاثیر استانداردهای بین المللی  در کابل فشار متوسط

کابل های فشار متوسط مطابق با استانداردهای بین المللی مختلفی طراحی تولید و تست می شوند. رعایت این استانداردها تضمین کننده ی کیفیت ایمنی و عملکرد مطلوب کابل ها است. برخی از مهم ترین استانداردهای بین المللی مرتبط با کابل های فشار متوسط عبارتند از :

• IEC ۶۰۵۰۲–۲ : این استاندارد مشخصات فنی کابل های فشار متوسط با عایق اکسترود شده (XLPE EPR و …) برای ولتاژهای ۶ کیلوولت تا ۳۰ کیلوولت را تعیین می کند. این استاندارد به طور گسترده در سطح بین المللی مورد استفاده قرار می گیرد و بسیاری از استانداردهای ملی بر اساس آن تدوین شده اند. قیمت کابل 20 کیلوولت با داشتن این استاندارد بیشتر است زیرا ایمنی بالاتری دارد.
• IEC ۶۰۸۴۰ : این استاندارد مشخصات فنی کابل های فشار متوسط با عایق اکسترود شده برای ولتاژهای بالاتر از ۳۰ کیلوولت تا ۱۵۰ کیلوولت را پوشش می دهد. به گفته فروشندگان و تولید کنندگان کابل فشار متوسط ااگر این استاندارد در  کابل 33 کیلوولت مشاهده کردیدف مطمئن باشید این کابل از ایمنی قابل قبولی برخودار است.
• IEEE Std ۴۰۴ : این استاندارد راهنمای تست و ارزیابی کابل های فشار متوسط و اتصالات آن ها را ارائه می دهد.
• ICEA S-۹۴–۶۴۹ : این استاندارد مشخصات فنی کابل های فشار متوسط با عایق XLPE و EPR برای ولتاژهای ۵ کیلوولت تا ۴۶ کیلوولت را تعریف می کند و بیشتر در آمریکای شمالی مورد استفاده قرار می گیرد.

علاوه بر استانداردهای بین المللی استانداردهای ملی و منطقه ای نیز برای کابل های فشار متوسط وجود دارند که ممکن است بر اساس شرایط و الزامات خاص هر کشور یا منطقه تدوین شده باشند. هنگام انتخاب و استفاده از کابل های فشار متوسط توجه به استانداردهای مربوطه و اطمینان از انطباق کابل با این استانداردها از اهمیت بالایی برخوردار است.

تکنولوژی های پیشرفته در کابل های فشار متوسط

صنعت کابل سازی همواره در حال پیشرفت و نوآوری است و تکنولوژی های جدید به طور مداوم در طراحی و تولید کابل های فشار متوسط به کار گرفته می شوند. برخی از تکنولوژی های پیشرفته ی رایج در این زمینه عبارتند از :

• عایق XLPE پیشرفته : تولید عایق های XLPE با خواص دی الکتریک بهبود یافته مقاومت بیشتر در برابر تخلیه جزئی (Partial Discharge) و طول عمر طولانی تر از جمله پیشرفت های مهم در زمینه عایق بندی کابل های فشار متوسط است.
  همچنین استفاده از نانوذرات در عایق XLPE خواص مکانیکی و الکتریکی آن را بهبود بخشیده و عملکرد کابل را ارتقا می دهد.
• کابل های کامپوزیتی : استفاده از مواد کامپوزیتی به جای فلز در برخی از اجزای کابل مانند شیلد یا روکش می تواند منجر به کاهش وزن کابل افزایش مقاومت در برابر خوردگی و بهبود خواص مکانیکی شود.
  کابل های کامپوزیتی به ویژه در کاربردهایی که وزن کابل و مقاومت در برابر شرایط محیطی سخت اهمیت دارد مورد توجه قرار گرفته اند.
• کابل های هوشمند : تجهیز کابل های فشار متوسط به سنسورهای فیبر نوری و سیستم های پایش وضعیت (Condition Monitoring) امکان نظارت آنلاین بر عملکرد کابل تشخیص زودهنگام عیوب و پیشگیری از خاموشی های ناگهانی را فراهم می کند. این تکنولوژی به ویژه برای شبکه های توزیع هوشمند و کاربردهای حساس که نیاز به قابلیت اطمینان بالا دارند بسیار ارزشمند است.
• کابل های فوق رسانا : اگرچه هنوز در مراحل تحقیقاتی و توسعه قرار دارند کابل های فوق رسانا با استفاده از مواد ابررسانا پتانسیل انتقال جریان های بسیار بالا با تلفات بسیار کم را دارند.
  این کابل ها می توانند تحولی بزرگ در شبکه های انتقال و توزیع انرژی الکتریکی ایجاد کنند اما چالش های فنی و اقتصادی زیادی برای تجاری سازی آن ها وجود دارد.

نکات فنی مهم در انتخاب و خرید کابل فشار متوسط

انتخاب و استفاده صحیح از کابل های فشار متوسط نقش حیاتی در عملکرد ایمن و مطمئن شبکه های برق دارد. برخی از نکات فنی مهم در این زمینه عبارتند از :

• انتخاب کابل مناسب : انتخاب نوع کابل باید بر اساس ولتاژ نامی شبکه جریان بار شرایط محیطی (دما رطوبت مواد شیمیایی و …) و نوع کاربرد انجام شود. توجه به استانداردهای مربوطه و مشخصات فنی کابل از جمله نوع عایق جنس هادی نوع شیلد و روکش بسیار مهم است.
• نصب صحیح : نصب کابل های فشار متوسط باید توسط افراد متخصص و مطابق با دستورالعمل های نصب و استانداردهای مربوطه انجام شود. رعایت شعاع خمش مجاز کابل فاصله مناسب از سایر تاسیسات اتصال صحیح سرکابل ها و مفصل ها و آزمایش های پس از نصب از جمله نکات مهم در نصب کابل ها هستند.
• حفاظت کابل : کابل های فشار متوسط باید در برابر آسیب های مکانیکی اضافه ولتاژها و جریانات اتصال کوتاه محافظت شوند. استفاده از کانال های کابل لوله محافظ فیوزها و بریکرها از جمله روش های حفاظت از کابل ها هستند.
• بازرسی و نگهداری دوره ای : بازرسی های دوره ای و آزمایش های فنی بر روی کابل های فشار متوسط به منظور تشخیص زودهنگام عیوب و جلوگیری از خرابی های ناگهانی ضروری است. تست عایقی تست تخلیه جزئی و بازرسی چشمی از جمله روش های بازرسی و نگهداری کابل ها هستند.

نتیجه گیری

کابل های فشار متوسط عنصری کلیدی و ضروری در زیرساخت های انتقال و توزیع انرژی الکتریکی هستند. این کابل ها با انتقال ایمن و مطمئن جریان الکتریسیته در ولتاژهای متوسط نقش مهمی در تامین برق صنایع مختلف مناطق مسکونی و تجاری ایفا می کنند.
با پیشرفت تکنولوژی و توسعه ی مواد جدید کابل های فشار متوسط به طور مداوم در حال بهبود و ارتقا هستند. انتخاب صحیح نصب اصولی حفاظت مناسب و نگهداری دوره ای از کابل های فشار متوسط تضمین کننده ی عملکرد پایدار و ایمن شبکه های برق و بهره وری انرژی خواهد بود.

پرسش و پاسخ متداول

۱. عمر مفید کابل های فشار متوسط چقدر است؟

عمر مفید کابل های فشار متوسط به عوامل مختلفی مانند نوع کابل کیفیت مواد اولیه شرایط نصب و برنامه های نگهداری بستگی دارد. به طور کلی کابل های فشار متوسط با عایق XLPE در شرایط استاندارد و با نگهداری مناسب می توانند بیش از ۳۰ سال عمر مفید داشته باشند.

۲. تفاوت کابل فشار متوسط با کابل فشار ضعیف و فشار قوی چیست؟

تفاوت اصلی بین کابل های فشار ضعیف متوسط و قوی در سطح ولتاژ آن ها است. کابل های فشار ضعیف برای ولتاژهای کمتر از ۱ کیلوولت کابل های فشار متوسط برای ولتاژهای ۱ تا ۳۶ کیلوولت و کابل های فشار قوی برای ولتاژهای بالاتر از ۳۶ کیلوولت استفاده می شوند.
همچنین کابل های فشار قوی از نظر ساختار مواد عایقی و روش های نصب با کابل های فشار متوسط و ضعیف متفاوت هستند و برای انتقال حجم بسیار بالای انرژی الکتریکی در فواصل طولانی طراحی می شوند.

۳. آیا کابل های فشار متوسط قابل بازیافت هستند؟

بله بسیاری از اجزای کابل های فشار متوسط از جمله هادی مسی یا آلومینیومی شیلد فلزی و برخی از مواد روکش قابل بازیافت هستند. بازیافت کابل های فشار متوسط به حفظ منابع طبیعی کاهش آلودگی محیط زیست و صرفه جویی در مصرف انرژی کمک می کند. فرآیندهای بازیافت کابل ها شامل جداسازی اجزای مختلف ذوب فلزات و بازیافت مواد پلیمری است.