معرفی کاربردهای فناوری نانو در صنعت سیم و کابل

 1- تعریف کابل:

به دلیل افزایش روزافزون مصرف انرژی الکتریکی، خطوط انتقال نیرو دائما در حال گسترش هستند؛ زیرا تبادل اصلی و اساسی انرژی در شبکه­های سراسری توسط خطوط انتقال انرژی با ظرفیت بالا صورت می‌گیرد. بدون تردید هادی­ها مهم‌ترین اجزاء هر شبکه انتقال انرژی محسوب شده و مسیر جریان از طریق آن­ها برقرار می­گردد. تمام تمهیدات نیز در طراحی یک خط فشار قوی صرفاً به‌منظور انتقال مناسب و مطمئن انرژی الکتریکی از طریق هادی­ها صورت می­گیرد.

هر نوع هادی كه بتواند جریان برق را از خود عبور دهد و توسط موادی نسبت به محیط اطراف خود عایق شده باشد، به‌طوری‌که ولتاژ سطح عایق نسبت به زمین برابر صفر بوده و خود هادی نسبت به زمین دارای ولتاژ فازی باشد را كابل گویند. در شکل 1 نمونه­ای از کابل­های الکتریکی نشان داده شده است.

شکل 1: کابل­های قدرت.

2- ساختمان کابل

کابل‌ها از سه قسمت اصلی تشکیل‌ شده‌اند که عبارت‌اند از: هادي، عایق و بخش حفاظت خارجی (بخش حفاظت خارجی ممکن است از چندین قسمت تشکیل‌شده باشد). قسمت اصلی کابل که همان هادي آن است، وظیفه هدایت جریان را به عهده دارد. پس از سیم یک لایه عایقی روي هادي کابل پیچیده می‌شود که هادی‌های کابل را از  یکدیگر و نیز محیط اطراف جدا می‌سازد. تعداد زیادي از کابل­ها نظیر کابل‌های فشار ضعیف، مخابرات و… فقط داراي همین دو جزء می‌باشند، ولی با افزایش ولتاژ، ساختمان کابل‌ها نیز پیچیده‌تر می‌شود. بخش حفاظت خارجی، کابل را در مقابل صدمات مکانیکی، شیمیایی و…حفظ می‌کند.

2-1- هادی کابل:

قسمت اصلی كابل است كه جریان الكتریكی را هدایت می‌کند. جنس این هادی­ها معمولاً از مس و آلومینیوم است. البته در حال حاضر تقریباً تمامی کابل‌هایی که مورداستفاده قرار می­گیرند، با هادي مسی می‌باشند و این به دلیل قابلیت هدایت بیشتر، پایداري بهتر در برابر رطوبت و عوامل جوي، استحکام مکانیکی بیشتر و شکل‌پذیری بهتر مس نسبت به آلومینیم است. هادی كابل ممكن است به‌صورت رشته­ای، مفتولی، گرد یا مثلثی باشد.

شکل 2: انواع هادی کابل

2-1-1- پوشش الکترواستاتیکی روي هادي[1]:

پوششی از جنس نیمه‌هادی که روي مفتول­هاي به هم تابیده کشیده می­شود تا با یکنواخت کردن سطح هادي و میدان روي آن از تخلیه جزئی بین فواصل احتمالی عایق و هادي جلوگیري کند.

محافظ هادی

هادی

عایق

غلاف عایق

غلاف فلزی

پوشش

شکل 3: پوشش الکترواستاتیکی روی هادی.

2-2- عایق کابل:

کاغذ آغشته به روغن یکی از معمول­ترین عایق­هایی است که در کابل­هاي قدیمی­تر مورداستفاده قرارگرفته است. استقامت عایقی کاغذ خشک مورداستفاده در کابل­ها Kv/cm 70 می­باشد که پس از آغشته سازی به روغن، این میزان به Kv/cm 600 افزایش می­یابد. روغن مورد استفاده در کابل­ها و سایر تجهیزات سبب آلودگی محیط‌زیست و در برخی موارد آتش­سوزي می­گردد، به همین دلیل سعی شده است از عایق­هاي دیگري استفاده شود. امروزه تقریباً در کلیه کارخانه‌های کابل سازی از عایق­هاي مصنوعی استفاده می­شود. از عایق‌هاي مصنوعی مورد استفاده در کابل‌ها می­توان به ترکیبات بر مبناي پلی وینیل کلراید (PVC)، ترکیبات بر مبناي ترموپلاستیک پلی‌اتیلن (PE)، ترکیبات بر مبناي اتیلین پروپیلین لاستیک یا مشابه (EPR)[2] و ترکیبات بر مبناي پلی‌اتیلن کراس لینک (XLPE)[3] اشاره نمود که با توجه به مشخصات متفاوت این مواد می‌توان از هرکدام براي ساخت کابل­هاي با محیط کارکرد مختلف از نظر حداکثر دما، میزان تحمل عایقی و… استفاده کرد.

• پلی وینیل کلراید PVC: PVC از جایگزین کردن کلر بجای هیدروژن در پیوند اتیلن به دست می‌آید و بدون اضافه کردن نرم­کننده­ها در شرایط متعارفی سخت و شکننده است و ازلحاظ حرارتی پایدار نیست. با اضافه کردن مواد نرم­کننده، نیروی بین‌مولکولی زیاد در PVC کاهش یافته و قابلیت نرمش و شکل­پذیری آن را آسان­تر می­سازد و موجب کاهش خواص الکتریکی، حرارتی و استقامت آن در برابر مواد شیمیایی خواهد بود.
• پلی‌اتیلن PE: پلی‌اتیلن دارای ساختار مولکولی کریستال خطی است. نیروی بین‌مولکولی این ماده ضعیف بوده و نقطه ذوب آن نسبتاً پایین و سختی آن نیز کم است. پلی‌اتیلن دارای خواص عایقی الکتریکی بسیار عالی است.
• پلی‌اتیلن کراس لینک شده XLPE: یکی از نقایص پلی‌اتیلن، نرم شدن و تغییر شکل آن در درجه حرارت بالا و خواص مکانیکی ضعیف آن است. برای بالا بردن نقطه ذوب و سخت­تر کردن عایق پلی‌اتیلن از پلی‌اتیلن کراس لینک استفاده می­شود که دارای خواص مکانیکی و حرارتی بهتری می­باشد.
• اتیلن پروپیلین لاستیک EPR: این ماده نیز همانند پلیمر اتیلن در یک فرآیند شیمیایی کراس لینک می­شود و نسبت به ماده XLPE انعطاف­پذیری بیشتری دارد. ماده EPR کشسان تر از XLPE است و این ویژگی برای کاربرد در شرایط سخت و دشوار یک برتری بشمار می­آید؛ ولی ازآنجاکه این ماده دارای مقاومت ویژه گرمایشی بیشتری است، در مقایسه با XLPE برای ولتاژهای بالاتر  کاربرد کمتری دارد.

2-2-1- پوشش الکترواستاتیکی عایق[4]:

پوشش الکترواستاتیک عایق، پوششی از جنس نیمه­هادي است که روي عایق هر رشته کشیده می­شود. این لایه میدان الکتریکی رشته­ها را محدود کرده و از تخلیه جزئی و نشت جریان بین رشته­ها و سایر لایه­هاي دیگر جلوگیري می­کند.

عایق

پوشش رشته

پوشش pvc  کابل

محافظ عایق

غلاف فلزی

شکل 4: پوشش الکترواستاتیکی عایق

2-3- غلاف حفاظت خارجی

براي حفاظت کابل­ها در مقابل رطوبت و خوردگی از غلاف­هاي ترموپلاستیک مانند PVC، XLPE و یا غلاف‌های آلومینیمی و سربی استفاده می­شود. غلاف­های PVC  قابلیت تحمل درجه حرارت زیاد و حتی شعله را دارا بوده و در مقابل تمام ترکیبات شیمیایی خاک مقاوم می­باشند.

شکل 5: بخش­های مختلف غلاف حفاظتی.

2-3-1- غلاف سربی:

غلاف سربی بیشتر در کابل­هاي با عایق کاغذي استفاده می­شود و کار اصلی غلاف فلزي در این حالت حفاظت کاغذ در برابر رطوبت است.

2-3-2- غلاف آلومینیمی:

غلاف آلومینیمی به خاطر سبکی و مقاومت در برابر رطوبت مورداستفاده قرار می­گیرد. ضمن اینکه به خاطر هدایت بالاي آلومینیم از غلاف در بعضی مواقع به‌عنوان هادي نول استفاده می­شود.

2-3-3- زره کابل:

زره کابل، آن را در مقابل نیروهاي مکانیکی حفاظت می­کند. کابل­هاي با عایق کاغذي با غلاف سربی معمولاً به‌وسیله نوارهاي فولادي زره بندی می­شوند. درصورتی‌که کابل­هاي با عایق XLPE و دارای شبکه مسی و نیز کابل­هاي فشار ضعیف با عایق PVC و XLPE با غلاف آلومینیمی اگر در معرض تنش­هاي کششی نباشند نیاز به زره ندارند. کابل­هایی که در معرض تنش­هاي مکانیکی بیشتر هستند، باید با سیم­هاي فولادي گالوانیز زره بندی شوند.

شکل 6: زره کابل مورداستفاده در زیر زمین.

 

4- چالش­های موجود در کابل­ها:

از چالش­های موجود در کابل­ها می­توان به وزن بالای هادی‏ها که موجب بروز خسارت به تجهیزات و استراکچرها می‏شود، نام برد. در شکل 7 دیده می­شود که وزن بالای هادی­های نصب‌شده بروی استراکچرها باعث ویرانی استراکچر شده است.

شکل 7: ویرانی استراکچر به دلیل وزن بالای کابل­ها.

همچنین یکی از مهم‌ترین چالش­های موجود در کابل­ها، تلفات انرژی الکتریکی می­باشد. 6/21% از کل تولید انرژی در بخش‏های انتقال تا توزیع در صنعت برق ایران تلف می­شود که عمده این تلفات در بخش سیم­ها و کابل­ها می­باشد. یکی دیگر از چالش­های موجود در کابل­ها، عایق­های مورداستفاده می­باشند که در اثر انرژی حرارتی ناشی از جریان مداوم بار، جریان اتصالی و … باعث خرابی و ایجاد اتصالی و آتش­سوزی می­شوند. در شکل 8 نمونه­ای از این پدیده نشان داده شده است.]5[

شکل 8: خرابی کابل به دلیل خرابی عایق آن.

5- فناوری نانو در کابل­ها:

الیاف نانولوله کربنی (CNT) با رسانایی الکتریکی بالا و به مراتب بهتر از مس، تأثیر چشمگیری در کاهش تلفات دارد. با فرض کردن 5% بازده هدایتی جریان نانولوله به نانولوله در طول الیاف و تراکم فشرده­سازی  10¹⁴نانولوله کربنی در یک سانتی­متر مربع، یک دسته الیاف نانولوله کربنی جریانی معادل 100 میلیون آمپر در سانتی­متر مربع را انتقال می­دهد که معادل 100 برابر ظرفیت انتقال بهترین ابررساناهای با درجه حرارت پایین می­باشد. با تکنولوژی فعلی، تلفات خطوط انتقال قدرت حدود 7% است که کاهش این تلفات به 6% برابر با ذخیره انرژی سالیانه 10¹⁰´4 کیلووات ساعت و برابر با ذخیره 24 میلیون بشکه نفت است. همچنین این کاهش تلفات منجر به صرفه­جویی قابل‌توجهی در زغال‌سنگ و گاز مصرفی و کاهش انتشار کربن در صنعت برق می­شود. توسعه این مواد در بازارهای جهانی نیز قابل‌توجه است. به‌عنوان‌مثال، انتظار می­رود که تقاضای جهانی برای الیاف کربنی از 46000 تن در سال در سال 2011 به بیش از 153000 تن در سال 2020 رشد کند. در شکل 9 تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی الیاف نانولوله کربنی نشان داده شده است.

شکل 9: تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی الیاف نانولوله کربنی.

 

نانو لوله­های کربنی علاوه بر رسانایی الکتریکی، مقاومت مکانیکی خیلی خوبی (در حد مستحکم­ترین نوع فولادها) نیز دارند که منجر به خواص مکانیکی مناسب این ماده نیز می­شود.

 

در شکل 10، کابل ساخته­شده از نانولوله­های کربنی و قرقره­ای از این کابل نشان داده شده است.

شکل 10: سمت راست، کابل نانو ساخته­شده از نانولوله کربن و در قسمت سمت چپ، قرقره از کابل نانو لوله کربن

برای بهبود خواص عایقی روکش کابل­های الکتریکی، نیز می­توان از نانو کامپوزیت­ها، بر پایه مواد پلیمری و نانوذرات خاک رس استفاده کرد. این مواد علاوه بر خواص مکانیکی مناسب، ویژگی­های دیگری مانند مقاومت بالا در برابر آتش سوزی را برای عایق سیم به همراه دارد.

در داخل کشور فعالیت تجاری در این زمینه وجود ندارد، اما با توجه به پتانسیل­های موجود در این زمینه، می­تواند شرایط مناسبی برای رشد این حوزه وجود داشته باشد. در ادامه برخی از شرکت­های خارجی که محصولات تجاری در زمینه کابل و تجهیزات مربوط به آن دارند، ذکر شده است.

6- شرکت­های خارجی فعال در صنعت سیم و کابل با استفاده از فناوری نانو

6-1- شرکت Süd-Chemie AG:

شرکت Süd-Chemie AG مواد شیمیایی متنوعی تولید می­کند. این شرکت دارای حدود 5000 کارمند و مقر آن در مونیخ است. در سال 2011 Süd-Chemie بخشی از Clariant شد.

توصیف فناوری:

این شرکت ترکیبات EVA/PE بدون هالوژن برای سیم و کابل ساخته که ۳ تا ۵ درصد نانوخاک رس و ۵۲ تا ۵۵ درصد تری هیدرات آلومینا یا هیدروکسید منیزیم در ساختمان آن­ها وجود دارد. این اصلاحات به ارتقای ویژگی­های مکانیکی، هموارتر‌شدن کابل و سرعت اکستروژن بالاتر انجامیده است.]6[

6-2- شرکت  :Kuraray

شرکت ژاپنی Kuraray تولیدکننده محصولات شیمیایی، الیاف، رزین­ها، مواد کارکردی و محصولات دیگر است.

توصیف فناوری:

Kuralon EC الیاف رسانای PVA است که با استفاده از نانوذرات سولفید مس تهیه می­شود و در صنعت کابل و روکش سیم و کابل مورد استفاده قرار می­گیرد. Kuralon EC که در آن تمرکز بالایی بروی برهمکنش میان گروه هیدروکسیل پلی وینیل الکل و یون­های فلزی مختلف وجود دارد، یک محصول الیافی با رسانایی بالاست که در بخش­های داخلی آن، نانوذرات سولفید مس به دقت شکل می­گیرند. ویژگی­های این محصول عبارتند از:

• Kuralon EC به­دلیل اثر نانومقیاس ذرات رسانا، رسانایی بسیار بالایی از خود نشان می­دهد؛
• این محصول دارای یک بخش خارجی است که به راحتی در اثر خمش و سایش آسیب نمی­بیند. این ویژگی به دلیل وجود مسیرهای رسانایی در بخش­های داخلی الیاف و دوام بسیار بالای آن است؛
• پیکربندی آزادی بالایی دارد و قابلیت کنترل رسانایی در آن وجود دارد [8]؛

 

 

6-3- شرکت E. I. DuPont de Nemours and Company:

شرکت DuPont برای بازارهای مختلفی همچون صنایع انرژی، ساخت و ساز، ارتباطات و حمل و نقل محصولات و خدمات متنوعی ارائه می­دهد. این شرکت با بیش از 10000 دانشمند و مهندس با مشتریانی از شرکت‌های دولتی و خصوصی همکاری می­کند. در سال 2013، حدود 1800 محصول جدید از این شرکت ثبت شده و حدود 1050 پتنت در U.S. Patent منتشر شده است. در سال 2008 درآمد این شرکت 31 میلیارد دلار بود.

توصیف فناوری:

پوشش کامپوزیتی DuPont™ Oasis که به‌عنوان یک پوشش عایق از مواد پلی آمید مورداستفاده در کابل می­باشد. فیلم Oasis با پوشش دوطرفه fluoropoymer برای سیم و کابل طراحی شده است.

ورقه­های نانوالیافی DuPont™ HMT حاوی رشته­های پلیمری پیوسته با قطر 100 نانومتر تا 1 میکرومتر بوده و می­توانند در صنعت انرژی و پوشش و کاربردهای دیگر مورداستفاده قرار گیرند. شرکت DuPont در حال کار روی پلیمرهای تقویت­شده با نانولوله­های کربنی برای بهبود ویژگی­های مکانیکی و الکتریکی ترموپلاستیک­های مهندسی شده است؛ این کامپوزیت­ها می­توانند در زمینه الکترونیک، و سایر کاربردهای مربوط به مواد پلیمری پیشرفته به کار روند. این شرکت با برخی از مراکز تحقیقاتی و شرکت­های آمریکایی روی پروژه­های مشترک کار می­کند]10[.

6-4- شرکت Nanocomp:

شرکت Nanocomp دارای بیش از یک قرن تجربه در شیمی، فیزیک، مهندسی، علم مواد، مهندسی برق و مواد شیمیایی می­باشد. این شرکت در بخش مدیریت، فروش و بازاریابی شرکت­ها و موسسات تحقیقاتی فعالیت می­کند.

توصیف فناوری:

Nanocomp به تولید کابل­هایی براساس نانولوله کربن خالص و نوارهای نانولوله کربن با محافظ بهتر و افزایش هدایت بالستیک می­پردازد. از کاربردهای دیگر آن می­توان به پوشش رسانا، الکترود باتری و مواد محافظ در برابر صاعقه نام برد ]13[.

شکل 11: کابل­هایی براساس نانولوله کربن خالص و نوارهای نانولوله کربن [13].

6-5- شرکت FURUTECH CO.,LTD.:

شرکت ژاپنی Furutech در سال 1988 در توکیو تاسیس شد. این شرکت طراح و تولیدکننده انواع مختلفی از کابل­های صوتی و تصویری، آنالوگ و دیجیتال، کابل قدرت و کابل­های کواکسیال است.

توصیف فناوری:

کابل قدرت Alpha nano-OFC با نام تجاری FP-S35N، در این نوع کابل مواد نانوساختار با قطر 8 نانومتر موجب پوشش سطح Alpha-OFC شده و هر بخش محدب یا مقعر بین سیم هادی در فرآیند تولید را پر می­کند که باعث افزایش سطح هدایت الکتریکی و کاهش امپدانس می­شود]14[.

شکل 12: کابل قدرت Alpha nano-OFC [14].

7 نتیجه گیری

صنعت سیم و کابل یکی از مهترین بخش‌های موجود در توزیع و انتقال انرژی الکتریکی می‌باشد. با توجه به گران بودن قیمت سیم و کابل این بخش یکی از پر هزینه‌ترین بخش‌ها چه در اجرا و چه در تعمیرات می‌باشد. از این رو بررسی و رفع چالش‌ها این بخش می‌تواند موجب صرفه‌جویی اقتصادی عظیمی در هزینه‌ها گردد. فناوری نانو بعنوان یک رویکرد جدید می‌تواند بخشی از چالش‌های موجود در صنعت سیم و کابل را مرتفع سازد. همانگونه که اشاره شد فناوری نانو می‌تواند در بخش پوشش و روکش‌های مورد استفاده برای کابل‌ها مورد استفاده قرار گیرد و موجب افزایش طول عمر و همچنین افزایش مقاومت در برابر خوردگی و پوسیدگی گردد. فناوری نانو می‌تواند با افزایش قدرت عایقی روکش‌ و پوشش سیم و کابل موجب افزایش قدرت انتقالی نیز گردد که این امر نیز باعث صرفه جویی اقتصادی خواهد شد. از دیگر کاربرد‌های این فناوری که بیشتر در مرحله تحقیقاتی است افزایش بازده و کاهش تلفات کابل‌ها می‌باشد. ایمنی بخشی نیز با توجه به بازده اقتصادی بالا می‌تواند مبحث بسیار مناسبی برای سرمایه‌گذاری باشد. استفاده از فناوری نانو در بخش سیم و کابل موجب ایجاد رویکردهای جدیدی برای رفع چالش‌های این صنعت گردیده که توجه به این بخش لازمه حرکت به سمت توسعه و پیشرفت می‌باشد.

منابع:

]1[کابل‌کشی در کارگاه برق تاسیسات. شرکت چاپ و نشر کتاب‌های درسی ایران

]2[شناسایی و عیب یابی کابل، امور بهره‌برداری نیرو، تالیف ساعد مسعود، سال انتشار: 1385

]3[کتاب طراحی و بهره برداری از سیستم های توزیع انرژی الکتریکی (دو جلدی)، نویسنده: مسعود علی اکبر گلکار، سال انتشار : 1388

]4[طراحی و محاسبات سیستم های توزیع انرژی الکتریکی، محمد مهدی همدانی گلشن، سال انتشار : 1391

[5] Cable-Climbing Robots for Power Transmission Lines Inspection,Mostafa Nayyerloo, XiaoQi Chen, Wenhui Wang and J Geoffrey Chase,2009

[6] www.chemie.com

[7] www.nycoa.net

[8] www.kuraray.co.jp/en

[9] www.alcoa.com

[10] www.dupont.com

[11] www.novarials.com

[12] www.microtechnano.com

[13] www.nanocomptech.com

[14] www.furutech.com

[1] – Conductor Shield

[2] Ethylene Propylene Rubber

2 Cross Linked Polyethlene

[4] – Insulation Shield

 

———————————————————————

تهیه و تنظیم:

گروه توسعه و ترویج کاربرد فناوری نانو در صنعت برق و انرژی

بخش ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================