3. KAAPELIN RAKENNE-ELEMENTIT
3.4 Kerratut elementit
Kerrattuja rakenne-elementtejä ovat kaapelien kerratut johtimet, pari- ja nelikierteet, kerratut ali- ja päälohkot sekä kaikki monijohdinkaapelien kaapelisydämet. Kerratut elementit valmistetaan kiertämällä elementtejä toistensa kanssa nippuihin. Kertauselementit ovat aineettomia rakenne- elementtejä, koska niihin ei liity materiaalin kulutusta vaan ne muokkaavat kaapelin edellisiä elementtejä.
Kaikille kerratuille elementeille määritetään kertausnousun pituus L ja kertauksesta johtuva pitenemäkerroin fk. Kertausnousulla tarkoitetaan sitä kaapelin suuntaista lineaarista matkaa, jossa kerrattu elementti on kiertynyt kokonaisen kierroksen ja se tulee uudestaan kaapeliin nähden samaan asemaan. Kertausnousun pituus on tärkein rakenneparametri kertausproses- sia mitoitettaessa ja se määritellään jokaisen kerratun elementin jokaiselle
kerrokselle. Kertausnousun pituus lasketaan yhtälön 3.7 mukaan. Nousu- kerroin k on kokemusperäinen kerroin, joka riippuu kertaustavasta ja kerratta
vien elementtien lukumäärästä ja halkaisijasta. Seuraavissa erilaisia kerrattuja elementtejä käsittelevissä kappaleissa esitellään tyypillisiä kertoimen lukuarvoja eri elementtityypeille. Kuvassa 3.8 on havainnollistettu kertaus- nousun pituutta L.
L = k x D ( 3.7)
..
-V---L = kertausnousun pituus
D = kerratun elementin halkaisija
KUVA 3.8 Kerratun elementin kertausnousun pituus L.
Kaapeliin ei kertauksessa lisätä materiaalia, mutta kertauksen jälkeistä massaa laskettaessa on huomioitava kertauksesta aiheutuva elementtien piteneminen. Pitenemäkertoimen laskeminen on esitetty yhtälössä 3.8. Mikäli kertauksessa on useampia kerroksia, pitää pitenemäkerroin laskea kullekin kerrokselle erikseen.
sin(arctan ^ ) sin(arctan k-- ^ ) sin(arctan—)
7T X D 71 x D n
L = kertausnousun pituus
k = nousukerroin (johtimille: 12-25)
D = kerratun elementin ulkohalkaisija kertauksen jälkeen fk = pitenemäkerroin
Kaapelisydämen massa kertauksen jälkeen lasketaan yhtälön 3.9 mukaan.
m = n x me x I x fk ( 3.9) m = massa kertauksen jälkeen
n = yhteen kerrattujen elementtien lukumäärä me = yksittäisen elementin pituusmassa I = kerratun elementin pituus
fk = pitenemäkerroin 3.4.1 Kerratut johtimet
Kaapelissa johdin toimii virran kulkutienä. Johtimet voivat olla rakenteeltaan yksisäikeisiä tai kerrattuja. Tavallisesti telekaapelijohtimissa sekä pienissä asennus- ja voimakaapelijohtimissa on ainoastaan yksi säie. Johtimen poikki
pinta-alan kasvaessa ja haluttaessa johtimiin lisää taipuisuutta, valmistetaan johtimet kertaamalla useista johdinlangoista. Johdinkertauksessa suoran johti
men sydämen ympärille kierretään lankoja. Sydän itse voi olla joko yksi- säikeinen tai valmiiksi kerrattu johdin. Johtimet ovat tavallisesti pyöreitä, mutta kaapelin ulkohalkaisijan pienentämiseksi ja johtimen päälle tulevien mate
riaalien säästämiseksi voidaan monijohdinkaapelien johtimista tehdä myös sektorin muotoisia. Johtimen halkaisijan pienentämiseksi voidaan johtimet myös tiivistää yhdessä tai useammassa valmistusvaiheessa valssaamalla./15/
Tavallisimmin käytetty johdinstandardi on IEC 228, jossa johtimet on jaettu luokkiin käyttötarkoituksen ja ominaisuuksien perusteella. Standardi määrää kerratuille johtimille nimellispoikkipinta-alan, maksimiresistanssin ja lankojen minimilukumäärän eri poikkipinta-aloille johtimen muodon ja käytettävän johdinmateriaalin mukaan. Johtimen poikkipinnalla ei tarkoiteta sen geomet
rista vaan nimellistä poikkipintaa, joka määräytyy johtimen tasavirtaresis- tanssin maksimiarvon mukaan. Kerrattujen johtimien minimilankalukumäärät, resistanssit ja niiden määrittäminen on esitetty liitteessä 1. /16/, /17/
Tiivistämättömät johtimet valmistetaan samankokoisista langoista kerroksittain.
Jokaiseen kerrokseen tulee niin monta lankaa, kuin siihen geometrian mukaan
mahtuu. Päällekkäisiin kerroksiin mahtuu 1+6+12+18+24+30 lankaa niin, että johtimen sydämenä on yksi lanka, jonka päälle mahtuu 6 samankokoista lankaa, joiden päälle mahtuu 12 lankaa ja niin edelleen. Kuvassa 3.9 on esimerkki tivistämättömän, kerratun johtimen kerrosrakenteesta.
KUVA 3.9 Kerrattu johdin 1+6+12+18 lankaa.
Tiivistämättömien johtimien halkaisija voidaan laskea yhtälön 3.10 mukaan, kun tiedetään lankojen halkaisijat ja kerrosten lukumäärä.
D = (2 x i -1) x d (3.10)
D = johtimen ulkohalkaisija d = johdinlangan halkaisija i = kerrosten lukumäärä
Mikäli johtimia ei kerrata kerroksittain, mutta kerrattavat langat ovat pyöreitä ja niillä on johtimessa tietty paikka, voidaan halkaisija laskea johtimen geomet
rian avulla. Eri lankakalukumäärille on liitteessä 2 esitetty geometriaan perus
tuvia halkaisijakertoimia. Joskus johtimia kerrataan myös nipuiksi, jolloin johdinlangoilla ei ole tiettyä paikkaa johtimessa, eikä johdin välttämättä ole symmetrinen. Tällöin halkaisijan arvioimiseksi voidaan käyttää aikaisemmin valmistetuista kaapeleista mitattuja kokemusperäisiä kertoimia. Ohuista säi
keistä valmistetuille johtimille määrätään standardeissa myös yksittäisten säikeiden halkaisijat. Lankojen lukumäärä määräytyy tällöin standardin resis- tanssivaatimusten mukaan. /16/
Johtimien valmistaminen tiivistämällä monimutkaistaa laskentaa, koska johdin- langat venyvät ja muuttavat muotoaan tiivistyksen aikana. Tiivistys voidaan
tehdä yhdessä tai useammassa vaiheessa, minkä tahansa kerroksen jälkeen.
Tiivistetyn johtimen halkaisija voidaan laske yhtälön 3.11 mukaan, kun tiede
tään tiivistyskerroin ft, joka riippuu tiivistystavasta ja -työkaluista. Tiivistys- kertoimella tarkoitetaan suhdelukua, joka kuvaa johdinmateriaalin osuutta johtimen geometrisesta poikkipinta-alasta. Tiivistämättömän johtimen kerroin on noin 0.6 - 0.65, tiivistetyn johtimen kerroin on välillä 0.88-0.95 ja yksi
lankaisen johtimen kerroin on yksi. /15/
(3.11) D = tiivistetyn johtimen ulkohalkaisija
A = johtimen nimellispoikkipinta-ala f, = tiivistyskerroin
Nousukertoimen avulla lasketaan kertausnousujen pituudet eri kaapeliker- roksille. Johdinten nousukerroin on noin 15, mikäli johtimessa on alle 37 lankaa ja noin 12, jos lankoja on tätä enemmän. Ohuista säikeistä valmistet
tujen johdinten nousukerroin vaihtelee 20 ja 30 välillä.
3.4.2 Kerratut parit ja nelikierteet
Telekaapeleissa eristetyt johtimet kerrataan yhteen tavallisesti ensin pareiksi tai nelikierteiksi ja sitten edelleen lohkoiksi. Parien ja nelikierteiden kertaus- nousuille asetetaan standardeissa yleensä maksimi- ja minimiarvot, joiden väliltä kertausnousujen pituudet pitää valita. Valmiille kaapeleille asetetaan vaatimuksia parien väliselle läpikuulumiselle, johon voidaan vaikuttaa kertaus- nousujen pituuksia säätelemällä. Läpikuuluvuutta voidaan vähentää valitse
malla valmiissa kaapelissa vierekkäin sijaitsevien parien kertausnousut niin, että ne eroavat toisistaan vähintään 10 %. Kaapelin jokainen pari on siis voitava erottaa toisistaan, mikä on otettava huomioon jo pareja suunnitel
taessa. /18/
3.4.3 Kerratut aiilohkot
Telekaapelien parit tai nelikierteet kerrataan ali- ja päälohkoiksi. Aiilohkot muodostuvat kahdesta tai useammasta elementistä, joita voivat olla parit tai nelikierteet. Tavalliset alilohkojen koot eri standardien mukaan ovat 5-,7-,8, 10-,12-,13-,20- tai 25-paria. Kuvassa 3.10 on esimerkki alilohkosta. Lohkot muodostuvat elastisista elementeistä, minkä takia lohkojen halkaisijan laske
misessa täytyy käyttää kokemusperäistä täytekerrointa q. Täytekerroin kuvaa lohkon tiiveyttä ja on johtimen tiivistyskertoimen ft kaltainen kerroin. Jos täytekerrointa ei tunneta, se voidaan laskea mitatun lohkon halkaisijan perusteella yhtälön 3.12 mukaan. /12/
d = eristetyn langan halkaisija D = lohkon ulkohalkaisija n = lankojen lukumäärä q = täytekerroin
Kaapelia mallinnettaessa pitää lohkon halkaisija määrittää ennen lohkon valmistamista, jolloin täytekertoimelle annetaan kokemusperäinen arvo. Kun täytekerroin tunnetaan, voidaan lohkon halkaisija laskea yhtälön 3.13 mukaan.
(3.13) d = eristetyn langan halkaisija
D = lohkon ulkohalkaisija n = lankojen lukumäärä q = täytekerroin
KUVA 3.10 Lohkorakenne 12 johdinta, rakenne 3+9.
Tiivistyskertoimen arvoja erikokoisille lohkoille on esitetty taulukossa 3.1.
TAULUKKO 3.1 Täytekertoimen arvoja.
Lohkon pariluku Täytekerroin
< 13 0.51
<25 0.54
<50 0.58
<100 0.60
3.4.4 Kaapelisydämet
Telekaapeleissa alilohkot kerrataan isommiksi päälohkoiksi ja edelleen kaapelisydämiksi. Päälohkot ovat tavallisesti 50- tai 100-parisia, mutta joissain standardeissa päälohkojen parilukumääriin lasketaan mukaan myös varaparit, jolloin lohkojen pariluku kasvaa. Kaapelisydämiä voidaan kerrata myös suoraan alilohkoista. Kaapelisydämessä voi olla useita päällekkäisiä kerroksia.
Kerrattavat lohkot eivät ole yleensä kovin tiukkoja, jolloin ne muuttavat kerrattaessa muotoaan kuvan 3.11 osoittamalla tavalla. Koska lohkojen muoto muuttuu, täytyy yhteen kerratun kaapelisydämen halkaisija määritellä kerrat
tavien lohkojen poikkipinta-alojen avulla. Yhtälöissä 3.14 ja 3.15 on esitetty halkaisijan laskeminen lohkoista kerratuille kaapelisydämille. /12/
KUVA 3.11 Kaapelisydän yhteenkerratuista lohkoista, rakenne 2+6.
A, = lohkon poikkipinta-ala
Au = kerratun sydämen poikkipinta-ala D = kerratun kaapelisydämen halkaisija
(3.14)
(3.15)
Kertausnousuille asetetaan standardeissa maksimi- ja minimiarvot, joiden väliltä kaapelisuunnittelija valitsee nousunpituuden. Lohkojen kertausnousujen pituudet vaikuttavat kaapelin tiukkuuteen, sähköisiin ominaisuuksiin ja tuotantoprosessin valintaan. Aivan samoin kuin johdinten kertaus, myös lohkojen yhteenkertaus tehdään kerroksittain vuorotellen molempiin suuntiin.
/19/
Mikäli yhteenkerrattavat elementit ovat pyöreitä ja säilyttävät muotonsa kertauksessa, voidaan kerratun elementin ulkohalkaisija laskea elementtien geometrian perusteella. Kuvassa 3.12 on esimerkki yhteenkerratun kolmi- johdinkaapelin poikkileikkauksesta, jonka ulkohalkaisija voidaan laskea yhtälön 3.16 mukaan. Liitteessä 2 on esitetty halkaisijan laskemiseksi tarvit
tavat kertoimet, mikäli elementtien lukumäärä on suurempi kuin kolme.
D
KUVA 3.12 Yhteenkerratun kolmijohdinkaapelin sydän.
(3.16) vV3 2)
D = kaapelisydämen halkaisija d = kerrattavan elementin halkaisija