สายไฟและสายเคเบิล: โครงสร้าง วัสดุ และส่วนประกอบหลัก

ส่วนประกอบโครงสร้างของผลิตภัณฑ์สายไฟและสายเคเบิลสามารถแบ่งออกได้เป็น 4 ส่วนหลักๆ ได้แก่ ตัวนำ ชั้นฉนวน ชั้นป้องกันและปลอกหุ้ม ตลอดจนองค์ประกอบการเติมและองค์ประกอบแรงดึง เป็นต้น ตามความต้องการใช้งานและสถานการณ์การใช้งานของผลิตภัณฑ์ ผลิตภัณฑ์บางชนิดมีโครงสร้างที่เรียบง่ายมาก โดยมีส่วนประกอบโครงสร้างเพียงส่วนเดียวคือสายไฟ เช่น สายเปลือยเหนือศีรษะ สายไฟฟ้าเหนือศีรษะ บัสบาร์ทองแดง-อะลูมิเนียม (บัสบาร์) เป็นต้น ฉนวนไฟฟ้าภายนอกของผลิตภัณฑ์เหล่านี้ได้รับการรับรองโดยการใช้ฉนวนและระยะห่างเชิงพื้นที่ระหว่างการติดตั้งและการวาง (นั่นคือ โดยการใช้ฉนวนกันความร้อน)

ผลิตภัณฑ์สายไฟและสายเคเบิลส่วนใหญ่มีรูปร่างหน้าตัดเหมือนกันทุกประการ (โดยไม่คำนึงถึงข้อผิดพลาดในการผลิต) และมีลักษณะเป็นแถบยาว ซึ่งกำหนดโดยคุณสมบัติที่ใช้สร้างวงจรหรือขดลวดในระบบหรืออุปกรณ์ ดังนั้น เมื่อศึกษาและวิเคราะห์องค์ประกอบโครงสร้างของผลิตภัณฑ์สายเคเบิล จำเป็นต้องสังเกตและวิเคราะห์จากหน้าตัดเท่านั้น

ต่อไปนี้เป็นการวิเคราะห์โดยละเอียดเกี่ยวกับองค์ประกอบโครงสร้างสายเคเบิลและวัสดุของสายเคเบิล:

1. ส่วนประกอบโครงสร้างสายเคเบิล: ตัวนำ

สายไฟเป็นส่วนประกอบหลักพื้นฐานและจำเป็นที่สุดสำหรับผลิตภัณฑ์ต่างๆ ที่ทำหน้าที่ส่งข้อมูลกระแสหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คำว่า "Wire" ย่อมาจาก Conductive Core (แกนนำไฟฟ้า)

ตัวนำสายเคเบิลประกอบด้วยวัสดุอะไรบ้าง? โดยทั่วไปวัสดุตัวนำมักทำจากโลหะที่ไม่ใช่เหล็กซึ่งมีคุณสมบัตินำไฟฟ้าได้ดี เช่น ทองแดงและอะลูมิเนียม สายเคเบิลออปติกที่ใช้ในเครือข่ายการสื่อสารด้วยแสงซึ่งพัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงสามทศวรรษที่ผ่านมา ใช้เส้นใยแก้วนำแสงเป็นตัวนำ

2. ส่วนประกอบโครงสร้างสายเคเบิล: ชั้นฉนวน

ชั้นฉนวนเป็นส่วนประกอบที่หุ้มรอบนอกของสายไฟและทำหน้าที่เป็นฉนวนไฟฟ้า กล่าวคือ ชั้นนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่ากระแสไฟฟ้าที่ส่งผ่านหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นแสง จะเคลื่อนที่ไปตามสายไฟเท่านั้นและไม่ไหลออกด้านนอก ศักย์ไฟฟ้าบนตัวนำ (ซึ่งก็คือความต่างศักย์ที่เกิดขึ้นกับวัตถุโดยรอบ หรือก็คือแรงดันไฟฟ้า) สามารถถูกแยกออกได้ กล่าวคือ จำเป็นต่อทั้งการทำงานของสายไฟตามปกติและความปลอดภัยของวัตถุภายนอกและบุคคล สายไฟและชั้นฉนวนเป็นส่วนประกอบพื้นฐานสองอย่างที่ต้องมีเพื่อประกอบเป็นผลิตภัณฑ์สายเคเบิล (ยกเว้นสายไฟเปล่า)

วัสดุฉนวนสายเคเบิลคืออะไร: ในปัจจุบัน สายไฟและสายเคเบิลมีการจำแนกประเภทหลักๆ อยู่สองประเภท ได้แก่ พลาสติกและยาง วัสดุโพลีเมอร์เป็นวัสดุหลัก ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์สายไฟและสายเคเบิลหลากหลายประเภทที่เหมาะกับการใช้งานและข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมที่แตกต่างกัน วัสดุฉนวนทั่วไปสำหรับสายไฟและสายเคเบิล ได้แก่ โพลีไวนิลคลอไรด์ (PVC)โพลีเอทิลีนเชื่อมขวาง (XLPE), ฟลูออโรพลาสติก, สารประกอบยาง, สารประกอบยางเอทิลีนโพรพิลีน และวัสดุฉนวนยางซิลิโคน

3. ส่วนประกอบโครงสร้างสายเคเบิล: ปลอกหุ้ม

เมื่อติดตั้งและใช้งานผลิตภัณฑ์สายไฟและสายเคเบิลในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน จำเป็นต้องมีส่วนประกอบที่ปกป้องผลิตภัณฑ์ทั้งหมด โดยเฉพาะอย่างยิ่งชั้นฉนวน ซึ่งก็คือปลอกหุ้ม เนื่องจากวัสดุฉนวนจำเป็นต้องมีคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมทุกชนิด จึงจำเป็นต้องมีความบริสุทธิ์สูงเป็นพิเศษและมีปริมาณสิ่งเจือปนต่ำมาก บ่อยครั้งที่ไม่สามารถพิจารณาถึงความสามารถในการป้องกันจากภายนอกได้ ดังนั้น โครงสร้างป้องกันต่างๆ จึงต้องมีหน้าที่ในการทนทานหรือต้านทานแรงทางกลต่างๆ จากภายนอก (เช่น การติดตั้ง สถานที่ใช้งาน และระหว่างการใช้งาน) ความทนทานต่อสภาพแวดล้อมในชั้นบรรยากาศ ความทนทานต่อสารเคมีหรือน้ำมัน การป้องกันความเสียหายทางชีวภาพ และการลดอันตรายจากไฟไหม้ หน้าที่หลักของปลอกหุ้มสายเคเบิล ได้แก่ การกันน้ำ การหน่วงไฟ การทนไฟ และการป้องกันการกัดกร่อน ผลิตภัณฑ์สายเคเบิลหลายชนิดที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับสภาพแวดล้อมภายนอกที่ดี (เช่น สภาพแวดล้อมที่สะอาด แห้ง และภายในอาคารที่ปราศจากแรงทางกลจากภายนอก) หรือผลิตภัณฑ์ที่ใช้วัสดุฉนวนที่มีความแข็งแรงเชิงกลและทนต่อสภาพอากาศในระดับหนึ่ง ไม่จำเป็นต้องมีส่วนประกอบของชั้นป้องกัน

วัสดุหุ้มสายเคเบิลมีกี่ประเภท? วัสดุหลักที่ใช้หุ้มสายเคเบิล ได้แก่ ยาง พลาสติก สารเคลือบ ซิลิโคน และผลิตภัณฑ์เส้นใยต่างๆ เป็นต้น คุณสมบัติของชั้นป้องกันยางและพลาสติกคือความนุ่มและเบา และนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในสายเคเบิลเคลื่อนที่ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากทั้งยางและพลาสติกมีคุณสมบัติการซึมผ่านของน้ำในระดับหนึ่ง จึงสามารถใช้ได้เฉพาะเมื่อใช้วัสดุโพลิเมอร์สูงที่มีความต้านทานความชื้นสูงเป็นฉนวนสายเคเบิลเท่านั้น ผู้ใช้บางคนอาจสงสัยว่าทำไมพลาสติกจึงถูกนำมาใช้เป็นชั้นป้องกันในท้องตลาด? เมื่อเทียบกับคุณสมบัติของปลอกหุ้มพลาสติกแล้ว ปลอกหุ้มยางมีความยืดหยุ่นและความยืดหยุ่นสูงกว่า ทนทานต่อการเสื่อมสภาพมากกว่า แต่กระบวนการผลิตค่อนข้างซับซ้อนกว่า ปลอกหุ้มพลาสติกมีคุณสมบัติเชิงกลและกันน้ำที่ดีกว่า มีทรัพยากรอุดมสมบูรณ์ ราคาถูก และง่ายต่อการแปรรูป จึงนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในท้องตลาด ผู้ประกอบการในอุตสาหกรรมเดียวกันควรทราบว่ายังมีปลอกหุ้มโลหะอีกประเภทหนึ่ง ปลอกหุ้มโลหะไม่เพียงแต่มีฟังก์ชันการป้องกันเชิงกลเท่านั้น แต่ยังมีหน้าที่ป้องกันดังที่กล่าวไว้ด้านล่างอีกด้วย ฉนวนไฟฟ้าชนิดนี้ยังมีคุณสมบัติอื่นๆ เช่น ทนทานต่อการกัดกร่อน ทนแรงอัดและแรงดึง และทนน้ำ ซึ่งสามารถป้องกันความชื้นและสารอันตรายอื่นๆ ไม่ให้เข้าไปภายในฉนวนของสายเคเบิลได้ ดังนั้นจึงนิยมนำมาใช้เป็นปลอกหุ้มสายไฟที่หุ้มด้วยกระดาษชุบน้ำมันซึ่งมีความทนทานต่อความชื้นต่ำ

4. องค์ประกอบโครงสร้างสายเคเบิล: ชั้นป้องกัน

ชั้นป้องกันเป็นองค์ประกอบสำคัญในผลิตภัณฑ์สายเคเบิลสำหรับการแยกสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ไม่เพียงแต่สามารถป้องกันสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าภายในไม่ให้รั่วไหลและรบกวนอุปกรณ์ภายนอก มิเตอร์ หรือสายอื่นๆ เท่านั้น แต่ยังป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากภายนอกไม่ให้เข้าสู่ระบบสายเคเบิลผ่านการเชื่อมต่อ ในทางโครงสร้าง ชั้นป้องกันไม่เพียงแต่ตั้งอยู่ด้านนอกของสายเคเบิลเท่านั้น แต่ยังอยู่ระหว่างคู่สายหรือกลุ่มสายในสายเคเบิลหลายแกน ทำให้เกิดเป็น “แผ่นกั้นแยกแม่เหล็กไฟฟ้า” หลายระดับ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยความต้องการสายเคเบิลสื่อสารความถี่สูงและคุณสมบัติป้องกันการรบกวนที่เพิ่มขึ้น วัสดุป้องกันจึงได้พัฒนาจากกระดาษเคลือบโลหะแบบดั้งเดิมและเทปกระดาษเซมิคอนดักเตอร์ ไปสู่วัสดุคอมโพสิตขั้นสูง เช่นเทปไมลาร์ฟอยล์อลูมิเนียมเทปไมลาร์ฟอยล์ทองแดง และเทปทองแดง โครงสร้างการป้องกันทั่วไปประกอบด้วยชั้นป้องกันด้านในที่ทำจากพอลิเมอร์นำไฟฟ้าหรือเทปเซมิคอนดักเตอร์ รวมถึงชั้นป้องกันด้านนอก เช่น เทปทองแดงพันตามยาวและตาข่ายทองแดงถัก ในบรรดาชั้นเหล่านี้ ชั้นถักส่วนใหญ่ใช้ทองแดงชุบดีบุกเพื่อเพิ่มความทนทานต่อการกัดกร่อน สำหรับการใช้งานพิเศษ เช่น สายเคเบิลความถี่แปรผันที่ใช้เทปทองแดงและลวดทองแดงหุ้มคอมโพสิต สายข้อมูลที่ใช้อลูมิเนียมฟอยล์พันตามยาวและการออกแบบที่เพรียวบาง และสายเคเบิลทางการแพทย์ที่ต้องการชั้นทองแดงถักชุบเงินที่มีพื้นที่ครอบคลุมสูง ด้วยการมาถึงของยุค 5G โครงสร้างการป้องกันแบบไฮบริดของเทปคอมโพสิตอลูมิเนียม-พลาสติกและการทอลวดทองแดงชุบดีบุกได้กลายเป็นโซลูชันหลักสำหรับสายเคเบิลความถี่สูง แนวปฏิบัติทางอุตสาหกรรมแสดงให้เห็นว่าชั้นป้องกันได้พัฒนาจากโครงสร้างเสริมมาเป็นส่วนประกอบแกนกลางอิสระของสายเคเบิล การเลือกใช้วัสดุจะต้องพิจารณาคุณลักษณะความถี่ ประสิทธิภาพการดัด และปัจจัยด้านต้นทุนอย่างครอบคลุม เพื่อตอบสนองข้อกำหนดด้านความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกัน

5. ส่วนประกอบโครงสร้างสายเคเบิล: โครงสร้างแบบเติม

ผลิตภัณฑ์สายไฟและสายเคเบิลหลายชนิดเป็นแบบหลายแกน ตัวอย่างเช่น สายไฟฟ้าแรงดันต่ำส่วนใหญ่เป็นแบบสี่แกนหรือห้าแกน (เหมาะสำหรับระบบสามเฟส) และสายโทรศัพท์ในเมืองมีให้เลือกตั้งแต่ 800 คู่, 1200 คู่, 2400 คู่ ถึง 3600 คู่ หลังจากต่อสายแกนหรือคู่สายที่หุ้มฉนวนเหล่านี้ (หรือต่อสายเป็นกลุ่มหลายครั้ง) จะมีปัญหาสองประการ ประการแรกคือรูปร่างไม่กลม และประการที่สองคือมีช่องว่างขนาดใหญ่ระหว่างแกนสายที่หุ้มฉนวน ดังนั้น จึงต้องเพิ่มโครงสร้างเติมระหว่างการเดินสาย โครงสร้างเติมนี้จะทำให้เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของสายเคเบิลค่อนข้างกลม ซึ่งเอื้อต่อการพันและรีดปลอกหุ้ม รวมถึงทำให้โครงสร้างสายเคเบิลมีความมั่นคงและภายในแข็งแรง ในระหว่างการใช้งาน (เมื่อยืด อัด และดัดในระหว่างการผลิตและการวาง) แรงจะกระทำอย่างสม่ำเสมอโดยไม่ทำลายโครงสร้างภายในของสายเคเบิล ดังนั้นแม้ว่าโครงสร้างการบรรจุจะเป็นโครงสร้างเสริม แต่ก็มีความจำเป็นเช่นกัน และยังมีกฎระเบียบโดยละเอียดเกี่ยวกับการเลือกใช้วัสดุและการออกแบบรูปทรงอีกด้วย

วัสดุอุดสายเคเบิล: โดยทั่วไปวัสดุอุดสายเคเบิลประกอบด้วยเทปโพลีโพรพิลีน เชือก PP แบบไม่ทอ เชือกป่าน หรือวัสดุที่ทำจากยางรีไซเคิลซึ่งมีราคาไม่แพงนัก วัสดุอุดสายเคเบิลจะต้องมีคุณสมบัติไม่ก่อให้เกิดผลเสียต่อแกนสายเคเบิลที่หุ้มฉนวน ไม่ดูดความชื้น ไม่หดตัวง่าย และไม่กัดกร่อน

6. องค์ประกอบโครงสร้างสายเคเบิล: องค์ประกอบแรงดึง

ผลิตภัณฑ์สายไฟและสายเคเบิลแบบดั้งเดิมอาศัยชั้นเกราะของปลอกหุ้มเพื่อทนต่อแรงดึงจากภายนอกหรือแรงดึงที่เกิดจากน้ำหนักของตัวมันเอง โครงสร้างทั่วไป ได้แก่ เกราะหุ้มด้วยเทปเหล็กและเกราะหุ้มด้วยลวดเหล็ก (ตัวอย่างเช่น สำหรับสายเคเบิลใต้น้ำ จะใช้ลวดเหล็กหนาที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 มม. แล้วบิดเป็นชั้นเกราะ) อย่างไรก็ตาม เพื่อป้องกันเส้นใยนำแสงจากแรงดึงเล็กน้อยและป้องกันการเสียรูปเล็กน้อยของเส้นใยที่อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพในการส่งสัญญาณ โครงสร้างสายเคเบิลใยแก้วนำแสงจึงประกอบด้วยแผ่นหุ้มหลักและแผ่นหุ้มรอง รวมถึงส่วนประกอบแรงดึงเฉพาะ นอกจากนี้ หากสายหูฟังของโทรศัพท์มือถือใช้โครงสร้างที่พันลวดทองแดงเส้นเล็กหรือเทปทองแดงเส้นบางรอบเส้นใยสังเคราะห์และมีชั้นฉนวนหุ้มอยู่ด้านนอก เส้นใยสังเคราะห์นี้จะเป็นองค์ประกอบแรงดึง สรุปได้ว่า ในผลิตภัณฑ์พิเศษขนาดเล็กและยืดหยุ่นที่พัฒนาขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ซึ่งต้องอาศัยการดัดและบิดหลายครั้ง องค์ประกอบแรงดึงมีบทบาทสำคัญ

วัสดุใดบ้างที่รวมอยู่ในส่วนประกอบแรงดึงของสายเคเบิล: แผ่นเหล็ก ลวดเหล็ก และแผ่นฟอยล์สแตนเลส