Veličina žice, proizvodnja bakrene žice, vrste izolacije i vodič za kućno ožičenje

Kako izmjeriti veličinu žice: AWG, mm² i što ti brojevi znače

Veličina žice je mjera površine poprečnog presjeka vodiča — količina bakra (ili aluminija) dostupna za prijenos struje. Dva sustava dominiraju: američki standard za mjerenje žice (AWG) koji se koristi u Sjevernoj Americi i metrički sustav mm² (kvadratni milimetar) koji se koristi u Europi, Australiji i većini ostatka svijeta. Razumijevanje oba ključna je za svakoga tko specificira žice u međunarodnim opskrbnim lancima ili radi s uvezenom električnom opremom.

AWG: Kako funkcionira američki sustav

AWG je kontraintuitivan sustav: što je veći mjerni broj, to je žica manja . AWG 4 je veliki vodič pogodan za strujne krugove teških uređaja; AWG 24 je fina žica unutar telefonskih kabela. Ljestvica proizlazi iz broja prolaza matrice za izvlačenje potrebnih za proizvodnju žice — više prolaza daje tanju žicu i veći broj promjera. Matematički odnos je precizan: svako povećanje od 6 AWG koraka prepolovljuje površinu poprečnog presjeka, a svako povećanje od 3 koraka smanjuje promjer za otprilike polovicu.

Za mjerenje veličine žice u AWG bez podatkovne tablice upotrijebite alat za mjerenje žice — ravnu čeličnu ploču s kalibriranim utorima — umetanjem golog vodiča u utore dok ne nađete najmanji utor kroz koji čisto ulazi. Ovo izravno daje AWG. Alternativno, izmjerite promjer golog vodiča digitalnim čeljustima i uporedite ga sa standardnom AWG tablicom: AWG 12 mjeri promjer od 2,053 mm; AWG 14 mjeri 1,628 mm; AWG 10 mjeri 2,588 mm. Nikada nemojte mjeriti promjer izolirane žice — debljina izolacije varira ovisno o vrsti i nazivnom naponu i dat će netočna očitanja.

Sustav metričkih mm²

IEC metrički sustav određuje veličinu žice stvarnom površinom poprečnog presjeka vodiča u kvadratnim milimetrima, što je izravna i intuitivna mjera trenutnog kapaciteta. Uobičajene stambene veličine su 1,5 mm² (krugovi rasvjete, ekvivalentno otprilike AWG 14), 2,5 mm² (krugovi utičnica, otprilike AWG 12), 4 mm² (krugovi štednjaka i tuševa, otprilike AWG 10) i 6 mm² (priključci napajanja i uređaji s visokim opterećenjem, otprilike AWG 8). Za izračunavanje mm² iz izmjerenog promjera: površina = π × (promjer/2)².

Ocjene struje u gornjoj tablici odražavaju NEC (National Electrical Code) vrijednosti struje za bakrene vodiče u cjevovodu pri izolaciji od 60°C i temperaturi okoline od 30°C. Žice koje su uvezane u zidove bez vodova ili koje se izvode u okruženjima s visokim ambijentalnim uvjetima moraju biti smanjene — NEC navodi faktore korekcije od samo 0,5× za vodove s više od tri vodiča za struju. Žica premale veličine ne otkazuje jednostavno odmah — ona se polako pregrijava, oštećujući izolaciju tijekom mjeseci ili godina dok ne dođe do kvara ili požara.

Kako se proizvodi bakrena žica: od katode do gotovog vodiča

Proizvodnja bakrene žice je višefazni industrijski proces koji počinje s rafiniranim bakrenim katodama — ravnim pločama od 99,99% čistog bakra proizvedenim elektrolitičkim rafiniranjem taljene rude — i završava s gotovim vodičima izvučenim na precizne promjere, žarenim na ispravnu temperaturu i namotanim na kolute za izolaciju ili izravnu prodaju. Svjetska industrija žica i kabela troši otprilike 28 milijuna metričkih tona bakra godišnje , što ga čini najvećom pojedinačnom kategorijom krajnje uporabe za metal.

Korak 1: Kontinuirano lijevanje u šipku

Bakrene katode se tope u šahtnoj peći ili indukcijskoj peći na približno 1085°C (talište bakra) i lijevaju u kontinuiranu šipku kroz proces nazvan Properzi ili CONTIROD lijevanje, razvijen sredinom 20. stoljeća posebno za industriju žice. Rastaljeni bakar izlijeva se u pokretni kalup formiran kotačem za lijevanje s utorima i čeličnom trakom, skrućujući se u kontinuiranu šipku promjera 8 mm dok izlazi iz kotača. Šipka se zatim odmah vruće valja kroz niz valjačkih postolja dok je još iznad 600°C, reducirajući je na standardnu ​​bakrenu šipku od 8 mm koja se koristi kao početni materijal za izvlačenje žice. Kontinuiranim lijevanjem dobiva se štap sa jednolika struktura zrna i minimalne inkluzije oksida — neophodno za pouzdano izvlačenje bez prekida žice.

Korak 2: Crtanje žice

Šipka od 8 mm provlači se kroz niz progresivno manjih matrica od volfram-karbida ili dijamanata na stroju za izvlačenje žice, pri čemu svaka matrica smanjuje promjer za 15-25%. Tipičan slijed izvlačenja od šipke od 8 mm do AWG 12 (2,05 mm) zahtijeva 9-11 prolaza matrice. Svaki prolaz stvrdnjava bakar — povećavajući vlačnu čvrstoću, ali smanjujući rastezljivost. Lubrikant za izvlačenje (emulzija na bazi sapuna) nanosi se kontinuirano kako bi se smanjilo trenje između žice i površine matrice, spriječilo nagrizanje i odvođenje topline nastale plastičnom deformacijom. Strojevi za izvlačenje s više matrica rade pri brzinama izlaza žice od 20-40 metara u sekundi za finu žicu, proizvodeći kilometre gotovog vodiča na sat.

Korak 3: Žarenje

Radom otvrdnuta bakrena žica je kruta i krta — neprikladna za primjene u električnom ožičenju koje zahtijevaju savijanje vodiča tijekom instalacije bez pucanja. Žarenje vraća duktilnost zagrijavanjem žice na 200–500°C i dopuštanjem deformirane zrnate strukture da rekristalizira. U industriji se koriste dvije metode. Serijsko žarenje stavlja namotanu žicu u peć s kontroliranom atmosferom na nekoliko sati — dajući vrlo ujednačene rezultate, ali zahtijeva značajno vrijeme. Kontinuirano inlinijsko žarenje prolazi izvučenu žicu kroz zonu grijanja s električnim otporom odmah nakon završne matrice za izvlačenje, rekristalizirajući bakar u nekoliko sekundi dok linija radi — dominantna metoda u proizvodnji velikih količina zbog svoje brzine i energetske učinkovitosti. Pravilno žarena bakrena žica postiže istezanje pri prekidu iznad 25% i otpornost ispod 1,724 μΩ·cm — međunarodno standardizirana vrijednost za žareni bakar (100% IACS vodljivost).

Korak 4: Umotavanje i izolacija

Jednostruki čvrsti vodiči služe za aplikacije niske fleksibilnosti (fiksno ožičenje u zidovima). Za savitljive kabele - kabele za uređaje, prijenosne alate, vodove za zavarivanje - više finih žica se zajedno uvijaju u stroju za uvijanje kako bi se formirao užetni vodič. Tipični višežilni vodič AWG 12 koristi 7 pojedinačnih žica AWG 22,5, upletenih u jedan sloj oko središnje žice. Finije uvijanje (19, 37 ili 133 žice) proizvodi sve fleksibilnije vodiče za zahtjevne primjene ciklusa savijanja. Gotov vodič zatim prolazi kroz ekstruder — grijanu bačvu s rotirajućim vijkom — gdje se termoplastični ili duroplastični izolacijski materijal topi i pod pritiskom ekstrudira preko vodiča u kontinuiranom sloju.

Vrste izolacije električnih žica: materijali, vrijednosti i odabir

Izolacija električne žice je dielektrični premaz koji sprječava izlazak struje iz vodiča, štiti od degradacije okoliša i - u mnogim primjenama - pruža mehaničku zaštitu i otpornost na plamen. Izbor izolacije izravno određuje nazivni napon žice, temperaturnu vrijednost, kemijsku otpornost i primjenjiva okruženja instalacije. Niti jedan izolacijski materijal ne ističe se po svim parametrima, zbog čega postoje deseci vrsta izolacije u industriji žice.

PVC (polivinil klorid)

PVC je najrašireniji materijal za izolaciju žica u svijetu, koji čini većinu građevinskih žica, upravljačkih kabela i izolacije kabela uređaja po volumenu. Jeftin je, lako se istiskuje, samogasiv je (stupnjevi otpornosti na plamen) i otporan je na ulja, kiseline i vlagu. Standardna PVC izolacija ocijenjena je na 60°C ili 75°C stalna radna temperatura, s dostupnim stupnjevima od 90°C. Njegova slabost je izvedba na niskim temperaturama — standardni PVC postaje krt ispod –10°C — i ispušta plin klorovodik kada izgara, koji je korozivan i otrovan. Iz tog razloga, PVC je zabranjen u nekim zgradama (prostori, tuneli, javne zgrade) gdje otrovni dim predstavlja opasnost za život. THHN i THWN građevinska žica — standardni izbor za ožičenje stambenih cjevovoda u Sjevernoj Americi — koriste PVC izolaciju s najlonskom oblogom za 90°C suho / 75°C mokro.

XLPE (umreženi polietilen)

XLPE se proizvodi kemijskim ili fizičkim umrežavanjem polietilenskih lanaca nakon ekstruzije, stvarajući trodimenzionalnu polimernu mrežu koja se ne topi. To XLPE-u daje kontinuiranu temperaturnu ocjenu od 90°C (suho) i 75°C (mokro) , s otpornim temperaturama kratkog spoja od 250°C — znatno bolje od PVC-ovog ograničenja kratkog spoja od 160°C. XLPE ima manje dielektrične gubitke od PVC-a, što ga čini standardnom izolacijom za srednjenaponske (1 kV–35 kV) i visokonaponske energetske kabele gdje bi dielektrično zagrijavanje u PVC-u bilo problematično pri radnoj frekvenciji. Građevinska žica USE-2 i RHW-2, namijenjena za podzemne i vlažne prostore, koristi XLPE izolaciju. Materijal ne ispušta korozivne plinove prilikom izgaranja, što mu daje sigurnosnu prednost u odnosu na PVC u zatvorenim instalacijama.

LSZH (nizak dim bez halogena)

LSZH izolacija koristi polimerne spojeve bez halogena — obično mješavine poliolefina s usporivačima gorenja od mineralnih punila — koji proizvode minimalan dim i nimalo halogenih kiselih plinova kada su izloženi vatri. Ovo je kritično u zatvorenim prostorima gdje je evakuacija teška: tuneli, brodovi, platforme na moru, podatkovni centri i sustavi masovnog prijevoza. Europski građevinski propisi (CPR — Construction Products Regulation) klasificiraju kabele prema učinku reakcije na vatru, a LSZH formulacije dominiraju u Cca, B2ca i višim razredima. Kompromis je mehanička žilavost — LSZH spojevi općenito su mekši i manje otporni na abraziju od PVC-a, pa je potrebno pažljivije rukovanje pri ugradnji.

Silikonska guma

Izolacija od silikonske gume pokriva ekstremne temperature koje termoplastične izolacije ne mogu doseći: kontinuirane ocjene od –60°C do 180°C , s tim da neki stupnjevi mogu izdržati 200°C u ograničenom trajanju. Silikon je fleksibilan čak i na niskim temperaturama, kemijski je inertan, otporan na UV zračenje i netoksičan pri spaljivanju. Ova svojstva čine ga standardnim za ožičenje pećnica, primjenu u industrijskim pećima, vodove za medicinsku opremu i ožičenje u zrakoplovstvu. Trošak je primarno ograničenje — žica izolirana silikonom košta 3–8x više po metru od ekvivalentne PVC žice, što je ograničava na primjene gdje je njezina toplinska izvedba istinski potrebna.

PTFE (politetrafluoretilen)

PTFE — komercijalno poznat kao teflon — pruža najveću kemijsku otpornost od bilo koje žičane izolacije, u kombinaciji s kontinuiranom temperaturnom ocjenom od 260°C i izvrsna dielektrična svojstva na visokim frekvencijama. PTFE-izolirana žica standardna je u svemirskim kabelskim snopovima (MIL-W-22759 i ekvivalent), visokofrekventnim koaksijalnim kabelima i opremi za kemijsku obradu gdje bi agresivna otapala ili kiseline uništili bilo koji drugi izolacijski materijal. Njegov izuzetno nizak koeficijent trenja i neprianjajuća površina također olakšavaju provlačenje žice izolirane PTFE-om kroz cjevovod i snopove u uske pojaseve.

Vrste električnih kabela: konstrukcija i primjena

Električni kabel razlikuje se od žice po tome što kombinira višestruke izolirane vodiče - plus često žicu za uzemljenje, materijal za punjenje, oklop i vanjski omotač - u jedan sklop dizajniran za specifično okruženje instalacije i električnu funkciju. Konstrukcija kabela nije zamjenjiva u različitim aplikacijama: korištenje pogrešne vrste kabela u određenom okruženju može dovesti do opasnosti od požara, kršenja kodeksa ili preranog kvara izolacije.

NM-B (nemetalni kabel s plaštom)

NM-B — obično zvan Romex, prema dominantnoj marki — standardni je kabel za stambeno ožičenje u suhim, unutarnjim lokacijama diljem Sjeverne Amerike. Sastoji se od dva ili tri izolirana bakrena vodiča (obično THHN) plus gole žice za uzemljenje, omotane u papirni separator i zatvorene u PVC vanjski omotač. NM-B je dostupan u 14/2, 12/2, 10/2 (dva vodiča plus uzemljenje) i 14/3, 12/3 (tri vodiča plus uzemljenje — potrebno za sklopove s trosmjernim prekidačem). Nazivna je 90°C kod vodiča ali mora se smanjiti na 60°C u praksi zbog zadržavanja topline vanjskog plašta. NM-B se ne može koristiti na mokrim mjestima, ugraditi u beton, niti se može izvoditi izložen u područjima izloženim fizičkim oštećenjima.

UF-B (podzemni napojni kabel)

UF-B kabel dizajniran je za izravno ukopavanje u tlo bez vodova — vodiči su ugrađeni u čvrstu sivu PVC smjesu umjesto da su omotani u poseban omotač, stvarajući sklop otporan na vlagu i lomljenje. Koristi se za vanjske krugove (pejzažna rasvjeta, gospodarske zgrade, vrtne utičnice), a može se koristiti i u zatvorenim prostorima na vlažnim mjestima gdje je NM-B zabranjen. Minimalna dubina ukopa pod NEC je 24 inča za izravno ukopani UF-B bez zaštite cijevi, smanjen na 12 inča kada je zaštićen cijevima.

MC kabel (kabel obložen metalom)

MC kabel obuhvaća izolirane vodiče u fleksibilnom isprepletenom aluminijskom ili pocinčanom čeličnom oklopu, pružajući mehaničku zaštitu prikladnu za izložene prolaze u komercijalnim i industrijskim zgradama, te u stambenim primjenama gdje lokalni zakoni zabranjuju NM-B (mnoge urbane jurisdikcije i višestambene zgrade). Oklop nije zamjena za vodič uzemljenja — MC kabel uključuje namjensku izoliranu žicu za uzemljenje opreme. MC kabel je odobren za korištenje u vlažnim mjestima (s navedenim priključcima), u betonu iu nekim aplikacijama za izravno ukopavanje, nudeći fleksibilnost instalacije koju NM-B ne može mjeriti.

SE i SER kabel (servisni ulaz)

Kabel za ulazni servis povezuje mjerač s glavnom električnom pločom. SE-R (servisni ulaz, okrugli) sadrži dva izolirana fazna vodiča i goli aluminijski neutralni vodič, svi obloženi pletenim ili PVC vanjskim omotačem namijenjenim za izlaganje na otvorenom. SER se koristi za napajanje od 100–400 A od mjerača do ploče i za napajanje podploče unutar iste zgrade. Nije odobren za izravni ukop bez cijevi. Za pad komunalne usluge — veza od transformatora do brojila — nadzemni triplex kabel (prethodno upleteni aluminijski vodiči s XLPE izolacijom) je standardan.

Oklopljeni i zaštićeni podatkovni kabeli

Niskonaponski podatkovni i komunikacijski kabeli — Cat6 Ethernet, koaksijalni RG-6, optičko vlakno s bakrenim traserom — električni su kabeli u regulatornom smislu, podložni NEC člancima 800 i 820. U plenumskim prostorima (iznad spuštenih stropova, u klima-uređajskim plenumima), ovi kabeli moraju koristiti CMP ocjenu (Communications Plenum) omotače s niskim dimom, svojstva slabog širenja plamena. Usponski (CMR) kabeli potrebni su za okomite prolaze između katova. Standardni kabeli s ocjenom CM dopušteni su samo u unutarnjim prostorima bez plenuma i uspona. Zamjena usponskog kabela u plenumu je uobičajena i opasna instalacijska pogreška koja ne prolazi inspekciju požara i može uzrokovati cirkuliranje otrovnog dima kroz HVAC sustave u slučaju požara.

Koja se vrsta ožičenja danas koristi u domovima?

Moderno stambeno ožičenje u Sjedinjenim Državama slijedi standardizirani sustav koji je uspostavio NEC i provodi lokalni građevinski kodeks. Materijali, vrste kabela i konfiguracije strujnih krugova u kući izgrađenoj ili ponovno ožičenoj nakon 2000. bitno se razlikuju od ožičenja prije 1970-ih, a razumijevanje trenutnog standarda pomaže vlasnicima kuća procijeniti starije ožičenje, planirati renoviranje i komunicirati s električarima.

Bakreni vodič kroz cijelu

Sva ožičenja grana u novoj stambenoj zgradi koriste bakrene vodiče. Aluminijsko ožičenje — intenzivno korišteno u domovima izgrađenim između 1965. i 1973. zbog nestašice bakra i skoka cijena — uzrokovalo je tisuće kućnih požara zbog većeg toplinskog širenja, sklonosti oksidaciji na spojevima i hladnog protoka ispod vijčanih stezaljki. Aluminij se i danas koristi za uvodne vodiče servisa i velike napojne kabele (ploče od 200 A, podploče, krugovi raspona i sušača) gdje je njegova niža cijena po amper-stopi značajna i gdje se veze izvode s navedenim spojnicama kompatibilnim s aluminijem, a ne standardnim vijčanim stezaljkama.

NM-B kabel kao ožičenje primarnog granskog kruga

Velika većina strujnih krugova u obiteljskoj kući - opća rasvjeta, utičnice, mali kućanski uređaji - ožičeni su NM-B kabelom koji je provučen kroz šupljine u zidu, preko greda i spojen na okvir. Tipičan novi dom sadrži 1000–2000 linearnih stopa NM-B kabela preko 20–40 strujnih krugova. Promjer žice slijedi struju strujnog kruga: 14 AWG na krugovima od 15 A (bijeli omotač NM-B), 12 AWG na krugovima od 20 A (žuti omotač), 10 AWG na krugovima od 30 A (narančasti omotač). Označavanje bojom jakne standard je koji su usvojili proizvođači i naširoko ga priznaju inspektori, ali ga NEC službeno ne zahtijeva.

Namjenski krugovi za visokoopterećene uređaje

NEC zahtijeva namjenske strujne krugove — sklopove koji opslužuju samo jednu utičnicu ili uređaj — za nekoliko visokoopterećenih stambenih aplikacija. Namjenski strujni krug od 20 A, 120 V potreban je za svaki mali uređaj u kuhinji (najmanje dva kruga za kuhinjske posude), hladnjaku, perilici posuđa, odlagalištu smeća i mikrovalnoj pećnici. Veliki uređaji zahtijevaju strujne krugove od 240 V: električni raspon (50 A, 8 AWG ili 6 AWG), sušilica rublja (30 A, 10 AWG), središnji AC kondenzator (obično 30–60 A ovisno o veličini jedinice), električni grijač vode (30 A, 10 AWG) i EV punjači (50 A, 6 AWG za 48 A razine 2). EVSE). Ovi krugovi od 240 V koriste dvopolne prekidače i vode 10/3 ili 6/3 NM-B kabel koji nosi oba vruća kraka, nultu i uzemljenje.

Zahtjevi zaštite GFCI i AFCI

Kodeks modernog stambenog ožičenja zahtijeva dvije vrste dodatne zaštite osim standardnog prekidača. GFCI (Ground Fault Circuit Interrupter) zaštita je potrebna za sve utičnice u kupaonicama, kuhinjama unutar 6 stopa od umivaonika, garažama, vanjskim lokacijama, prostorima za puzanje, nedovršenim podrumima i u blizini bazena - svim mjestima gdje je moguć istovremeni kontakt s uzemljenom površinom i vodičem pod naponom. GFCI uređaji detektiraju trenutnu neravnotežu između vrućeg i neutralnog od najmanjeg 4–6 miliampera i okida unutar 25 milisekundi, prije nego što može doći do srčane fibrilacije. AFCI (Arc Fault Circuit Interrupter) zaštita je potrebna prema izdanjima NEC-a za 2017. i 2020. za gotovo sve strujne krugove od 15 A i 20 A u dnevnim prostorima, spavaćim sobama, hodnicima i kuhinjama — otkrivanje visokofrekventnog električnog potpisa grešaka luka u oštećenom ožičenju koje standardni prekidači ne mogu osjetiti.

Prepoznavanje naslijeđenog ožičenja u starijim kućama

Kuće izgrađene prije 1940. mogu sadržavati ožičenje s gumbima i cijevima — pojedinačne vodiče izolirane tkaninom provučene kroz keramičke gumbe i cijevi, bez žice za uzemljenje. Ovo ožičenje nije samo po sebi opasno ako je neometano i neizmijenjeno, ali ne može podržavati uzemljene utičnice, nekompatibilno je s modernim uređajima koji zahtijevaju uzemljenje i poništava ga većina polica osiguranja vlasnika kuća. Kuće iz 1940-ih do 1960-ih obično imaju dvožilne strujne krugove (bez uzemljenja) s vodičima izoliranim gumom koji su često postali krti. Obje situacije zahtijevaju procjenu od strane ovlaštenog električara prije obnove ili prije dodavanja krugova. Svaki dom koji pokazuje ožičenje omotano krpom, neuzemljene utičnice s dva kontakta ili ploču s osiguračima umjesto prekidača treba procijeniti za ponovno ožičenje — ne zbog zadovoljavanja proizvoljnih standarda, već zato što degradacija izolacije u ožičenju starom 60-80 godina predstavlja istinski rizik od požara.