Vỏ bảo vệ & vỏ bọc dây cáp điện: Mục đích, vật liệu, chủng loại

Dây cáp điện là một thành phần rất quan trọng của bất kỳ mạng lưới điện nào vì chúng truyền tải năng lượng điện và tín hiệu giữa các thiết bị điện khác nhau. Tuy nhiên, cáp điện cũng phải chịu nhiều ảnh hưởng từ bên ngoài chẳng hạn như hư hỏng cơ học, ăn mòn, độ ẩm, nhiệt độ, cháy, nhiễu điện từ… và những yếu tố này có thể làm giảm độ tin cậy và an toàn của đường cáp cũng như dẫn đến tai nạn và tổn thất năng lượng, làm hệ thống điện mất ổn định.

Do đó để bảo vệ dây cáp khỏi các điều kiện vận hành bất lợi, người ta thường sử dụng vỏ bảo vệ và vỏ bọc cho cáp điện với nhiều chức năng khác nhau như cách điện, bịt kín, che chắn, áo giáp và trang trí. Lớp vỏ bọc và vỏ bảo vệ của dây cáp (trong cấu tạo dây cáp) có thể được làm bằng nhiều vật liệu khác nhau như nhựa, cao su, kim loại, vải, giấy tùy thuộc vào loại cũng mục đích sử dụng của cáp, cộng với các điều kiện lắp đặt và vận hành khác nhau.

I. Mục đích của lớp vỏ bảo vệ & vỏ bọc ngoài

Lớp vỏ bảo vệ dùng để bảo vệ lớp cách điện của dây hoặc cáp khỏi ảnh hưởng của môi trường và chủ yếu là khỏi độ ẩm, đồng thời bảo vệ dây khỏi bị ứng suất cơ học trong quá trình lắp đặt hoặc vận hành, cũng như bảo vệ vỏ cáp khỏi bị ăn mòn.

Nhìn chung vật liệu của lớp bảo vệ và vỏ bọc phải bảo vệ cáp khỏi các tác động cơ học, hóa học, nhiệt, điện và các tác động khác, đồng thời phải có đủ độ bền, tính linh hoạt, khả năng chống lão hóa và giá thành thấp. Vật liệu được sử dụng làm vỏ bảo vệ & vỏ bọc có số lượng rất ít, cụ thể là chì, nhôm, cao su, nhựa và kết hợp giữa chúng. Chẳng hạn như:

• Lớp vỏ bọc chống ăn mòn được sử dụng nhiều nhất là vỏ bọc giấy tẩm dầu.
• Để bảo vệ cơ học cho dây và cáp mềm, người ta thường sử dụng lớp vỏ bọc là dây bện bằng thép mỏng.
• Các dây bện làm bằng bông và sợi khác trong một số thiết kế được phủ một lớp vecni đặc biệt giúp bảo vệ dây dẫn khỏi ảnh hưởng của môi trường, khỏi ozon và tăng khả năng chống ẩm của dây cáp.
• Lớp phủ kết hợp của các lớp nhựa, băng kim loại và vải hoặc giấy đánh bóng cũng được sử dụng, trong một số trường hợp có thể thay thế vỏ bọc chì.

II. Vật liệu được sử dụng làm vỏ bảo vệ & vỏ bọc cáp

Tùy thuộc vào mục đích và điều kiện hoạt động của cáp, vỏ và lớp bọc bảo vệ của dây cáp có thể được làm bằng nhiều vật liệu khác nhau, chẳng hạn như:

• Chế phẩm bitum là hỗn hợp bitum với nhiều chất độn, chất biến tính và phụ gia khác nhau làm tăng độ bám dính, khả năng chống nước, độ dẻo và khả năng chịu nhiệt. Các chế phẩm bitum được sử dụng để ngâm tẩm và phủ giấy cáp, sợi, băng và các vật liệu khác, cũng như để lấp đầy các khoảng trống giữa các khe hở trong dây cáp. Hỗn hợp bitum có độ bền điện cao, độ kín tốt, độ hút ẩm thấp và giá thành thấp nhưng có nhược điểm như độ bền cơ học thấp, xu hướng nứt ở nhiệt độ thấp, độ dẫn nhiệt cao và khả năng ăn mòn các phần tử cáp kim loại.
• Vật liệu nhựa là các polyme có thể là nhựa nhiệt dẻo hoặc XLPE, cũng như copolyme, hỗn hợp hoặc vật liệu tổng hợp với nhiều chất độn, chất gia cố và chất ổn định khác nhau. Vật liệu nhựa được sử dụng để sản xuất vỏ cáp bên trong và bên ngoài, cũng như để phủ và ngâm tẩm các vật liệu khác. Vật liệu nhựa có độ bền điện, kháng hóa chất và nhiệt, tính linh hoạt và độ bền cao nhưng có nhược điểm như giá thành cao, dễ cháy, hút ẩm và có khả năng phân hủy dưới tác động của bức xạ cực tím, oxy và ozone. Trong số các vật liệu nhựa, phổ biến nhất là PE, PVC, polyetylen terephthalate và polyamit.
• Vật liệu kim loại là kim loại hoặc hợp kim, có thể ở dạng băng, sợi, ống, mắt lưới, hình xoắn ốc… Vật liệu kim loại thường được sử dụng để sản xuất áo giáp, màn chắn, phụ kiện và các bộ phận cáp khác nhằm cung cấp khả năng bảo vệ cơ học, khả năng tương thích điện từ, nối đất. Vật liệu kim loại có độ bền, độ cứng, khả năng chịu nhiệt và dẫn điện cao nhưng có nhược điểm như giá thành cao, trọng lượng, dễ bị ăn mòn và có khả năng phản ứng điện hóa với các vật liệu khác. Các vật liệu kim loại phổ biến nhất là thép, nhôm, đồng, chì và hợp kim của chúng.

1. Về vật liệu làm vỏ bọc ngoài

1.1. Đôi lời về chì

Chì là vật liệu chính để chế tạo vỏ bọc cáp đáng tin cậy nhất. Ưu điểm chính của vỏ bọc chì so với tất cả các loại khác là khả năng chống ẩm 100%, đủ độ linh hoạt và khả năng áp dụng nó vào cáp một cách nhanh chóng và rẻ tiền thông qua máy ép chì. Tuy nhiên, chì cũng có nhiều nhược điểm: trọng lượng riêng cao, độ bền cơ học thấp, khả năng chống ăn mòn cơ học và điện hóa không đủ.

Bên cạnh đó, do trữ lượng chì tự nhiên và có hạn, nên cần phải cải thiện chất lượng vỏ bọc chì, đưa ra các sản phẩm thay thế và thiết kế các loại sản phẩm cáp mới không có vỏ bọc chì. Đối với vỏ bọc cáp, sử dụng chì ít nhất là loại C-3, với hàm lượng chì là 99,86%.

Độ bền cơ học của chì phần lớn được xác định bởi cấu trúc của nó. Cấu trúc hạt mịn trong quá trình sản xuất loại C-2 và C-3 với khả năng làm mát nhanh  là cấu trúc chắc chắn và ổn định nhất về mặt cơ học. Đặc tính này (độ bền cơ học) phải được duy trì lâu dài khi cáp được sử dụng trong vài chục năm và không thay đổi theo thời gian dưới tác động của các lý do cơ học (rung động) và hóa học (ăn mòn).

Cáp có vỏ bọc chì hạt thô thường không chịu được vận chuyển lâu dài ngay cả bằng đường sắt (đặc biệt là vào mùa hè) vì dưới tác động của những cú sốc và nhiệt độ tăng cao, các tinh thể chì bắt đầu hoạt động, trên vỏ xuất hiện các vết nứt nhỏ, ngày càng sâu hơn và cuối cùng dẫn đến sự phá hủy hoàn toàn vỏ bọc chì.

Còn ăn mòn điện hóa có thể dẫn đến phá hủy hoàn toàn vỏ bọc chì chỉ trong vòng 1 – 2 năm, vì dòng điện 1A trong thời gian một năm có thể chuyển khoảng 25kg chì hoặc 9kg sắt và do đó có mức độ rò rỉ trung bình; dòng điện 0,005 A trong một năm sẽ khiến khoảng 170g chì hoặc khoảng 41g sắt bị phá hủy.

Một biện pháp triệt để để chống ăn mòn điện hóa được gọi là bảo vệ catốt, dựa trên thực tế là kim loại được bảo vệ có điện thế âm so với các cấu trúc xung quanh, khiến kim loại này miễn nhiễm với hầu hết các loại ăn mòn đất.

Trong một số trường hợp, phủ vỏ bọc chì bằng một lớp bảo vệ bao gồm một lớp bitum bán dẫn, hai dải cao su bán dẫn và một băng keo trơn buộc chặt sẽ bảo vệ tốt khỏi bị ăn mòn điện.

Chì rất tinh khiết rất dễ hình thành và phát triển các tinh thể ngay cả ở nhiệt độ phòng nên không thích hợp để sản xuất vỏ bọc chì. Một biện pháp chống lại sự kết tinh của chì là ngoài việc làm nguội sau khi mạ chì thì cho thêm thiếc, antimon, canxi, Tellurium, đồng và các kim loại khác vào chì.

• Chất phụ gia tốt nhất là thiếc, chì với lượng 1 – 3% trọng lượng sẽ mang lại cấu trúc hạt mịn ổn định.
• Việc đưa antimon vào chì với lượng từ 0,6 – 0,8% có tác dụng có lợi cho cấu trúc của vỏ chì và làm tăng độ bền cơ học, phần nào làm giảm độ đàn hồi, tức là khả năng uốn cong của vỏ chì.
• Phụ gia Tellurium với lượng khoảng 0,05% cho kết quả tốt. Cái gọi là chì pha thêm đồng với lượng khoảng 0,05%, cũng đã trở nên phổ biến.
• Ngoài hợp kim kép, còn có hợp kim bậc ba của chì với cadmium, thiếc (0,15%), antimon và các kim loại khác.

Tóm lại nếu sử dụng cáp bọc chì thì sự có mặt của chất phụ gia trong chì sẽ làm tăng tính chất cơ học, đặc biệt là giới hạn đàn hồi của vỏ bọc. Đối với cáp phải chịu áp suất từbên trong, việc sử dụng chì hợp kim hoặc hợp kim kép (hoặc nhiều hơn 2 hợp kim) là điều bắt buộc.

1.2. Đôi lời về nhôm

Nhôm cũng có thể được sử dụng để làm vỏ bọc hoặc vỏ bảo vệ cho cáp, đặc tính cơ học của chúng tốt hơn so với chì và hợp kim chì. Độ bền của vỏ nhôm cao hơn độ bền của chì ít nhất 2 – 3 lần. Nhiệt độ kết tinh lại của nhôm cũng như khả năng chống rung của nó cao hơn đáng kể so với chì.

Trọng lượng riêng của nhôm là 2.7 và của chì là 11.4, do đó, bằng cách thay thế vỏ chì bằng nhôm, có thể giảm đáng kể trọng lượng của cáp và tăng độ bền cơ học của vỏ, điều này sẽ giúp trong một số trường hợp có thể bỏ việc bọc thép bằng giáp băng thép (DSTA).

Nhược điểm chính của nhôm là thiếu khả năng chống ăn mòn . Quá trình phủ lớp vỏ bọc vào cáp rất phức tạp do nhiệt độ nóng chảy cao của nhôm (657°C) và áp suất tăng lên trong quá trình ép, đạt áp suất gấp 3 lần khi ép đùn chì.

Vỏ bọc bằng nhôm có thể được bọc vào dây cáp không chỉ bằng phương pháp ép đùn mà còn bằng phương pháp nguội, trong đó dây và cáp được kéo vào các ống nhôm được chế tạo sẵn bằng cách ép đùn, sau đó bọc chúng bằng cách kéo hoặc cuộn.

Phương pháp hàn nguội vỏ nhôm đang trở nên phổ biến, bao gồm thực tế là các cạnh của băng nhôm áp dọc theo cáp được truyền giữa các con lăn, nhờ đó tạo ra áp suất riêng cao trên nhôm, đủ để hàn nguội.

1.3. Đôi lời về nhựa

Nhựa hiện đang được sử dụng rất thành công trong việc sản xuất vỏ bảo vệ và vỏ bọc ngoài cho dây cáp thay vì chì như ngày xưa. Trong trường hợp cần tăng độ linh hoạt của cáp, vỏ bọc làm bằng cao su lưu hóa và nhựa là phù hợp nhất. Phổ biến nhất trong sản xuất cáp là vỏ bọc ống làm bằng cao su lưu hóa trên cao su tự nhiên hoặc tổng hợp và vật liệu nhựa nhiệt dẻo, chẳng hạn như PVC và PE.

Độ bền cơ học của lớp vỏ này khá cao (độ bền kéo dao động từ 1.0 – 2.0 kg/mm2, độ giãn dài từ 100 – 300%).

Nhược điểm chính là độ thấm ẩm (thẩm thấu), được hiểu là khả năng thẩm thấu hơi nước của vật liệu dưới tác động của chênh lệch áp suất ở 2 mặt của lớp này. Cao su lưu hóa trên cao su tự nhiên có thể hoạt động lâu dài trong khoảng nhiệt độ từ -60 – +65°C. Đối với hầu hết các loại nhựa, các giới hạn này hẹp hơn nhiều, đặc biệt đối với nhiệt độ dưới 0°C.

Một loại vật liệu mới giống cao su là polyme organosilicon, là những chất có tính phân tử cao, có cấu trúc dựa trên các nguyên tử silicon kết hợp với các nguyên tử cacbon.

Nhìn chung vỏ bọc làm bằng vật liệu nhiệt dẻo so với vỏ chì của cáp có thể làm giảm đáng kể trọng lượng của cáp và tăng khả năng chống ăn mòn của vỏ và độ bền cơ học.

2. Về vật liệu lớp vỏ bảo vệ bên trong

Lớp vỏ bọc ngoài không cung cấp đủ khả năng bảo vệ khỏi các tác động cơ học, chẳng hạn như tác động ngẫu nhiên lên cáp trong quá trình lắp đặt, nhất là lực kéo và lực uốn. Vì thế đối với cáp lắp đặt dưới sông và biển, cần phải bảo vệ vỏ bọc khỏi lực kéo, vì nếu không có sự bảo vệ này thì lớp vỏ bọc sẽ dễ bị rách hoặc hư hỏng theo thời gian. Lớp này được gọi là lớp vỏ bảo vệ hoặc lớp bọc giáp.

Có hai loại giáp chính: dạng dải băng (Taped) và sợi (Wired).

2.1. Dải băng

Áo giáp dạng dải băng (Double Tape) bao gồm 2 dải băng xếp chồng lên nhau sao cho khoảng trống giữa các vòng của băng này được che bởi các vòng của băng kia. Khoảng cách giữa các mép của các vòng của một băng bằng khoảng 1/3 chiều rộng của băng và phần chồng lên nhau của các vòng của băng này với các lượt của băng kia phải ít nhất bằng 1/4 chiều rộng của băng.

Thiết kế áo giáp cáp này cho phép bạn bảo vệ vỏ bọc khỏi các tác động cơ học không quá mạnh khác, đồng thời giữ được độ linh hoạt cần thiết cho việc lắp đặt cáp. Nhược điểm của giáp dạng dải băng là khả năng dịch chuyển 2 vòng băng khi cáp bị kéo dọc theo mặt đất trong quá trình lắp đặt. Lớp giáp như vậy được sử dụng chủ yếu để bọc thép cho cáp ngầm dưới đất thay vì ngầm dưới nước.

Băng thép được sử dụng trong ngành cáp phải có độ bền kéo từ 30 – 42 kg/mm², vì băng có độ bền kéo cao có độ đàn hồi cao và không vừa khít với cáp trong quá trình bọc thép. Độ giãn dài khi đứt yêu cầu 20 – 36%.

Để bọc cáp điện, băng thép được sử dụng với độ dày 0.3, 0.5 và 0.8 mm còn chiều rộng 15, 20, 25, 30, 35, 45 và 60 mm tùy thuộc vào đường kính cáp. Băng phải được phân theo hình tròn có đường kính khoảng 500 – 700 mm.

2.2. Dạng sợi

Áo giáp dạng sợi được sử dụng hiện nay chủ yếu là dạng tròn hoặc dẹt (compact). Để bảo vệ chống ăn mòn, dây dùng làm áo giáp phải được phủ một lớp kẽm, hướng xoắn thường ngược lại với hướng xoắn chung của lõi cáp.

Nhiều nhà sản xuất kết hợp cả giáp sợi vào giáp dải băng, lớp giáp bằng sợi không chỉ nhằm mục đích bảo vệ cơ học mà còn dùng để buộc chặt, tức là nó giúp băng giáp cố định và giữ các dây giáp trong lớp không bị dịch chuyển.phải được bọc thép bằng băng sơn phủ sơn bóng.

III. Nên lựa chọn vật liệu nào làm vỏ bảo vệ và vỏ bọc ngoài?

Như SUNWON đã chia sẻ ở đầu bài viết, vệc lựa chọn vật liệu làm vỏ bảo vệ và vỏ bọc ngoài của cáp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như loại và mục đích của cáp, điều kiện lắp đặt và vận hành, các yêu cầu về độ tin cậy, an toàn và hiệu quả. Trong trường hợp này, cần phải tính đến không chỉ các đặc tính của từng vật liệu mà còn cả sự tương tác và khả năng tương thích của chúng trong cáp, cũng như khả năng thay thế hoặc sửa chữa chúng trong trường hợp hư hỏng.

Để lựa chọn tối ưu vật liệu làm vỏ bảo vệ và vỏ bọc cáp, nên sử dụng tài liệu quy định và kỹ thuật, cũng như tham khảo ý kiến của từng nhà sản xuất và nhà cung cấp sản phẩm cáp.

Tham khảo