สายไฟและสายเคเบิล: โครงสร้าง วัสดุ และส่วนประกอบสำคัญ

โดยทั่วไปแล้ว ส่วนประกอบโครงสร้างของสายไฟและสายเคเบิลสามารถแบ่งออกเป็นสี่ส่วนหลัก ได้แก่ ตัวนำ ชั้นฉนวน ชั้นป้องกัน และปลอกหุ้ม รวมถึงส่วนประกอบเติมเต็มและส่วนประกอบรับแรงดึง เป็นต้น ตามข้อกำหนดการใช้งานและสถานการณ์การใช้งานของผลิตภัณฑ์ ผลิตภัณฑ์บางชนิดมีโครงสร้างที่เรียบง่ายมาก โดยมีส่วนประกอบโครงสร้างเพียงอย่างเดียวคือสายไฟ เช่น สายไฟเปลือยเหนือศีรษะ สายไฟแขวน สายไฟทองแดง-อะลูมิเนียม (บัสบาร์) เป็นต้น การเป็นฉนวนไฟฟ้าภายนอกของผลิตภัณฑ์เหล่านี้ทำได้โดยการใช้ฉนวนและการเว้นระยะห่างในระหว่างการติดตั้งและการวาง (กล่าวคือ โดยการใช้ฉนวนอากาศ)

ผลิตภัณฑ์สายไฟและสายเคเบิลส่วนใหญ่มีรูปทรงหน้าตัดที่เหมือนกันทุกประการ (หากไม่นับรวมข้อผิดพลาดในการผลิต) และมีลักษณะเป็นแถบยาว เนื่องจากลักษณะการใช้งานคือการนำไปประกอบเป็นวงจรหรือขดลวดในระบบหรืออุปกรณ์ต่างๆ ดังนั้น ในการศึกษาและวิเคราะห์โครงสร้างองค์ประกอบของผลิตภัณฑ์สายเคเบิล จึงจำเป็นต้องสังเกตและวิเคราะห์จากหน้าตัดของสายเคเบิลเท่านั้น

ต่อไปนี้เป็นการวิเคราะห์โดยละเอียดเกี่ยวกับโครงสร้างส่วนประกอบและวัสดุของสายเคเบิล:

1. ส่วนประกอบโครงสร้างของสายเคเบิล: ตัวนำ

สายไฟเป็นส่วนประกอบหลักที่สำคัญที่สุดและขาดไม่ได้สำหรับผลิตภัณฑ์ต่างๆ ในการทำหน้าที่ส่งกระแสไฟฟ้าหรือข้อมูลคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คำว่า "สายไฟ" (Wire) ย่อมาจาก "แกนนำไฟฟ้า" (conductive core)

ตัวนำสายเคเบิลทำจากวัสดุอะไรบ้าง? โดยทั่วไปแล้ว ตัวนำจะทำจากโลหะที่ไม่ใช่เหล็กซึ่งมีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม เช่น ทองแดงและอะลูมิเนียม สายเคเบิลใยแก้วนำแสงที่ใช้ในเครือข่ายการสื่อสารด้วยแสงซึ่งพัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงสามทศวรรษที่ผ่านมา ใช้ใยแก้วนำแสงเป็นตัวนำ

2. ส่วนประกอบโครงสร้างของสายเคเบิล: ชั้นฉนวน

ชั้นฉนวนเป็นส่วนประกอบที่หุ้มรอบนอกของสายไฟและทำหน้าที่เป็นฉนวนไฟฟ้า กล่าวคือ ช่วยให้กระแสไฟฟ้าหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นแสงที่ส่งผ่านเดินทางไปตามสายไฟเท่านั้น และไม่ไหลออกไปภายนอก ศักย์ไฟฟ้าบนตัวนำ (กล่าวคือ ความต่างศักย์ที่เกิดขึ้นกับวัตถุรอบข้าง หรือก็คือแรงดันไฟฟ้า) สามารถถูกแยกออกได้ นั่นคือ จำเป็นต่อการรับประกันทั้งการทำงานปกติของสายไฟและความปลอดภัยของวัตถุภายนอกและผู้คน สายไฟและชั้นฉนวนเป็นสองส่วนประกอบพื้นฐานที่ต้องมีเพื่อประกอบเป็นผลิตภัณฑ์สายเคเบิล (ยกเว้นสายไฟเปลือย)

วัสดุฉนวนสำหรับสายไฟและสายเคเบิลคืออะไร: ในปัจจุบัน วัสดุฉนวนสำหรับสายไฟและสายเคเบิลส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ พลาสติกและยาง วัสดุพอลิเมอร์เป็นวัสดุที่ได้รับความนิยมมากที่สุด ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์สายไฟและสายเคเบิลหลากหลายประเภทที่เหมาะสมกับการใช้งานและข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมที่แตกต่างกัน วัสดุฉนวนที่ใช้กันทั่วไปสำหรับสายไฟและสายเคเบิล ได้แก่ โพลีไวนิลคลอไรด์ (PVC)โพลีเอทิลีนแบบเชื่อมโยงข้าม (XLPE)ได้แก่ พลาสติกฟลูออโร, สารประกอบยาง, สารประกอบยางเอทิลีนโพรพิลีน และวัสดุฉนวนยางซิลิโคน

3. ส่วนประกอบโครงสร้างของสายเคเบิล: ปลอกหุ้ม

เมื่อติดตั้งและใช้งานผลิตภัณฑ์สายไฟและสายเคเบิลในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน จะต้องมีส่วนประกอบที่ปกป้องผลิตภัณฑ์ทั้งหมด โดยเฉพาะอย่างยิ่งชั้นฉนวน ซึ่งก็คือปลอกหุ้ม เนื่องจากวัสดุฉนวนต้องมีคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม จึงจำเป็นต้องใช้วัสดุที่มีความบริสุทธิ์สูงมากและมีสิ่งเจือปนต่ำมาก บ่อยครั้งที่ไม่สามารถคำนึงถึงความสามารถในการป้องกันจากโลกภายนอกได้ ดังนั้น โครงสร้างป้องกันต่างๆ จึงต้องรับผิดชอบในการต้านทานหรือทนต่อแรงทางกลต่างๆ จากภายนอก (เช่น การติดตั้ง สถานที่ใช้งาน และระหว่างการใช้งาน) ทนต่อสภาพแวดล้อมในบรรยากาศ ทนต่อสารเคมีหรือน้ำมัน ป้องกันความเสียหายทางชีวภาพ และลดอันตรายจากไฟไหม้ หน้าที่หลักของปลอกหุ้มสายเคเบิลคือการกันน้ำ การหน่วงไฟ การทนไฟ และการป้องกันการกัดกร่อน ผลิตภัณฑ์สายเคเบิลจำนวนมากที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับสภาพแวดล้อมภายนอกที่ดี (เช่น สภาพแวดล้อมที่สะอาด แห้ง และในร่ม ปราศจากแรงทางกลจากภายนอก) หรือผลิตภัณฑ์ที่มีวัสดุฉนวนที่มีความแข็งแรงทางกลและทนต่อสภาพอากาศในระดับหนึ่งอยู่แล้ว อาจไม่จำเป็นต้องมีส่วนประกอบของชั้นป้องกัน

วัสดุหุ้มสายเคเบิลมีกี่ประเภท? วัสดุหุ้มสายเคเบิลหลักๆ ได้แก่ ยาง พลาสติก สารเคลือบ ซิลิโคน และผลิตภัณฑ์เส้นใยต่างๆ เป็นต้น คุณสมบัติของชั้นป้องกันที่เป็นยางและพลาสติกคือมีความนุ่มและเบา และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในสายเคเบิลสำหรับอุปกรณ์เคลื่อนที่ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากวัสดุทั้งยางและพลาสติกมีการซึมผ่านของน้ำในระดับหนึ่ง จึงสามารถใช้งานได้เฉพาะเมื่อใช้ร่วมกับวัสดุโพลีเมอร์ที่มีความต้านทานความชื้นสูงเป็นฉนวนสายเคเบิลเท่านั้น แล้วผู้ใช้บางคนอาจถามว่าทำไมจึงใช้พลาสติกเป็นชั้นป้องกันในตลาด? เมื่อเปรียบเทียบกับคุณสมบัติของปลอกพลาสติกแล้ว ปลอกยางมีความยืดหยุ่นและความอ่อนตัวสูงกว่า ทนต่อการเสื่อมสภาพได้ดีกว่า แต่กระบวนการผลิตค่อนข้างซับซ้อนกว่า ปลอกพลาสติกมีคุณสมบัติทางกลและความต้านทานต่อน้ำที่ดีกว่า มีทรัพยากรมากมาย ราคาถูก และง่ายต่อการแปรรูป ดังนั้นจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในตลาด ผู้ร่วมอุตสาหกรรมควรทราบว่ายังมีปลอกโลหะอีกประเภทหนึ่ง ปลอกโลหะไม่เพียงแต่มีฟังก์ชันการป้องกันทางกลเท่านั้น แต่ยังมีฟังก์ชันการป้องกันคลื่นรบกวนดังที่กล่าวไว้ด้านล่างด้วย นอกจากนี้ วัสดุเหล่านี้ยังมีคุณสมบัติอื่นๆ เช่น ความต้านทานการกัดกร่อน ความแข็งแรงต่อแรงอัดและแรงดึง และความต้านทานต่อน้ำ ซึ่งสามารถป้องกันความชื้นและสารอันตรายอื่นๆ ไม่ให้เข้าไปภายในฉนวนของสายเคเบิลได้ ดังนั้นจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นปลอกหุ้มสำหรับสายไฟที่มีฉนวนกระดาษชุบน้ำมันซึ่งมีความต้านทานต่อความชื้นต่ำ

4. ส่วนประกอบโครงสร้างของสายเคเบิล: ชั้นฉนวน

ชั้นป้องกันเป็นส่วนประกอบสำคัญในผลิตภัณฑ์สายเคเบิลสำหรับการแยกสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ไม่เพียงแต่จะป้องกันสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าภายในไม่ให้รั่วไหลออกมาและรบกวนอุปกรณ์ภายนอก มิเตอร์ หรือสายอื่นๆ เท่านั้น แต่ยังช่วยป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกไม่ให้เข้าสู่ระบบสายเคเบิลผ่านการเหนี่ยวนำอีกด้วย ในเชิงโครงสร้าง ชั้นป้องกันไม่ได้ติดตั้งอยู่ด้านนอกของสายเคเบิลเท่านั้น แต่ยังอยู่ระหว่างคู่หรือกลุ่มของสายไฟในสายเคเบิลหลายแกน ทำให้เกิด "ฉากกั้นแยกสนามแม่เหล็กไฟฟ้า" หลายระดับ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับสายเคเบิลสื่อสารความถี่สูงและการป้องกันการรบกวน วัสดุป้องกันจึงได้พัฒนาจากกระดาษเคลือบโลหะและเทปกระดาษเซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิมไปสู่วัสดุคอมโพสิตขั้นสูงมากขึ้น เช่นเทปไมลาร์ฟอยล์อลูมิเนียมโครงสร้างการป้องกันทั่วไปประกอบด้วยชั้นป้องกันภายในที่ทำจากโพลิเมอร์นำไฟฟ้าหรือเทปกึ่งตัวนำ รวมถึงชั้นป้องกันภายนอก เช่น การพันเทปทองแดงตามแนวยาวและการถักตาข่ายทองแดง โดยชั้นถักส่วนใหญ่ใช้ทองแดงชุบดีบุกเพื่อเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน สำหรับการใช้งานพิเศษ เช่น สายเคเบิลความถี่แปรผันที่ใช้การป้องกันแบบผสมระหว่างเทปทองแดงและลวดทองแดง สายเคเบิลข้อมูลที่ใช้การพันฟอยล์อลูมิเนียมตามแนวยาวและการออกแบบที่ลื่นไหล และสายเคเบิลทางการแพทย์ที่ต้องการชั้นถักทองแดงชุบเงินที่มีความครอบคลุมสูง ด้วยการมาถึงของยุค 5G โครงสร้างการป้องกันแบบไฮบริดของเทปผสมอลูมิเนียม-พลาสติกและการถักลวดทองแดงชุบดีบุกได้กลายเป็นโซลูชันหลักสำหรับสายเคเบิลความถี่สูง การปฏิบัติในอุตสาหกรรมแสดงให้เห็นว่าชั้นป้องกันได้พัฒนาจากโครงสร้างเสริมไปเป็นส่วนประกอบหลักที่เป็นอิสระของสายเคเบิล การเลือกใช้วัสดุจำเป็นต้องพิจารณาคุณลักษณะด้านความถี่ ประสิทธิภาพการดัดงอ และปัจจัยด้านต้นทุนอย่างรอบด้าน เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของสถานการณ์การใช้งานต่างๆ

5. องค์ประกอบของโครงสร้างสายเคเบิล: โครงสร้างแบบเติมเต็ม

ผลิตภัณฑ์สายไฟและสายเคเบิลจำนวนมากเป็นแบบหลายแกน ตัวอย่างเช่น สายไฟแรงดันต่ำส่วนใหญ่เป็นสายสี่แกนหรือห้าแกน (เหมาะสำหรับระบบสามเฟส) และสายโทรศัพท์ในเมืองมีตั้งแต่ 800 คู่ 1200 คู่ 2400 คู่ ไปจนถึง 3600 คู่ หลังจากที่นำแกนหรือคู่สายไฟหุ้มฉนวนเหล่านี้มาต่อเป็นสายเคเบิล (หรือต่อเป็นกลุ่มหลายๆ ครั้ง) จะมีปัญหาอยู่สองประการ คือ หนึ่ง รูปทรงไม่เป็นทรงกลม และสอง มีช่องว่างขนาดใหญ่ระหว่างแกนสายไฟหุ้มฉนวน ดังนั้นจึงต้องเพิ่มโครงสร้างเติมเต็มในระหว่างการต่อสายเคเบิล โครงสร้างเติมเต็มนี้จะทำให้เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของสายเคเบิลค่อนข้างกลม ซึ่งเอื้อต่อการห่อหุ้มและการบีบอัดของปลอกหุ้ม และยังทำให้โครงสร้างสายเคเบิลมีความเสถียรและภายในแข็งแรง ในระหว่างการใช้งาน (เมื่อยืด บีบ และดัดงอในระหว่างการผลิตและการวาง) แรงจะกระจายอย่างสม่ำเสมอโดยไม่ทำให้โครงสร้างภายในของสายเคเบิลเสียหาย ดังนั้น แม้ว่าโครงสร้างการเติมจะเป็นโครงสร้างเสริม แต่ก็มีความจำเป็นเช่นกัน และมีข้อกำหนดโดยละเอียดเกี่ยวกับการเลือกวัสดุและการออกแบบรูปทรง

วัสดุสำหรับอุดช่องว่างในสายเคเบิล: โดยทั่วไป วัสดุที่ใช้อุดช่องว่างในสายเคเบิล ได้แก่ เทปโพลีโพรพีลีน เชือก PP แบบไม่ทอ เชือกป่าน หรือวัสดุราคาไม่แพงที่ทำจากยางรีไซเคิล วัสดุที่จะใช้เป็นวัสดุอุดช่องว่างในสายเคเบิลได้นั้น ต้องมีคุณสมบัติที่ไม่ก่อให้เกิดผลเสียต่อแกนสายเคเบิลหุ้มฉนวน ไม่ดูดความชื้น ไม่หดตัว และไม่กัดกร่อน

6. ส่วนประกอบโครงสร้างของสายเคเบิล: ชิ้นส่วนรับแรงดึง

ผลิตภัณฑ์สายไฟและสายเคเบิลแบบดั้งเดิมอาศัยชั้นเกราะของปลอกหุ้มเพื่อต้านทานแรงดึงภายนอกหรือแรงดึงที่เกิดจากน้ำหนักของตัวมันเอง โครงสร้างทั่วไปคือการหุ้มด้วยเทปเหล็กและการหุ้มด้วยลวดเหล็ก (ตัวอย่างเช่น สำหรับสายเคเบิลใต้น้ำ จะใช้ลวดเหล็กหนาที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 มม. และบิดเป็นชั้นเกราะ) อย่างไรก็ตาม เพื่อป้องกันใยแก้วนำแสงจากแรงดึงเล็กน้อยและป้องกันการเสียรูปเล็กน้อยของเส้นใยที่อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพการส่งสัญญาณ โครงสร้างของสายเคเบิลใยแก้วนำแสงจึงติดตั้งปลอกหุ้มหลักและรอง รวมถึงส่วนประกอบรับแรงดึงโดยเฉพาะ นอกจากนี้ หากสายหูฟังของโทรศัพท์มือถือใช้โครงสร้างที่พันลวดทองแดงเส้นเล็กหรือเทปทองแดงบางๆ รอบเส้นใยสังเคราะห์และมีชั้นฉนวนหุ้มอยู่ด้านนอก เส้นใยสังเคราะห์นี้ก็คือส่วนประกอบรับแรงดึง สรุปได้ว่า ในผลิตภัณฑ์ขนาดเล็กและยืดหยุ่นพิเศษที่พัฒนาขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ซึ่งต้องการการดัดงอและการบิดหลายครั้ง ส่วนประกอบรับแรงดึงจึงมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง

วัสดุใดบ้างที่ใช้สำหรับส่วนประกอบรับแรงดึงของสายเคเบิล: แถบเหล็ก ลวดเหล็ก และแผ่นฟอยล์สแตนเลส