כבל חשמלי

התכונה החשובה ביותר של כבל חשמלי, ושממנה נגזר תפקידו, הוא המתח החשמלי בין מוליכי הכבל לבין עצמם (במקרה של כבל רב גידים) או בין המוליכים לסביבתם (במקרה של כבל חד גידי). מתח זה נע בין וולטים בודדים לבין מאות אלפי וולטים. מתח העבודה של הכבל מתאפשר בזכות החומר המבודד בו עטופים המוליכים. היות שהגודל של כבלים קטן יחסית והמוליכים קרובים זה לזה או לשפת הכבל, הרי שבמקרה של כבלים למתח של מאות אלפי וולטים מדובר בחומר מבודד שמסוגל לעמוד במפלי מתח עצומים של מאות אלפי וולטים לסנטימטר: מתח הפריצה של אוויר, הנחשב כמבודד מצוין, הוא כ-30 קילוולט לסנטימטר בלחץ של 1 בר, מכאן שחומר הבידוד של כבל בן מאות קילוולטים צריך להיות מבודד פי 5 עד פי 20 יותר מאוויר.
בנוסף לתפקיד הבידוד במניעת פריצה חשמלית, הבידוד מהווה גם הגנה מכנית על המוליך. חשיבותה של הגנה זו רבה בכבלי מתח גבוה, שם הבידוד מונע עיוות של המוליך ויצירת שדות חשמליים מוגברים מקומית שעלולים לגרום לפריצה. עוד צריך החומר המבודד לפזר טוב את החום הנוצר כתוצאה ממעבר הזרם בכבל, ולא להיהרס כתוצאה מטמפרטורת הסביבה בה מותקן הכבל.

לבידוד של כבל מספר תכונות הכרחיות על מנת למלא את תפקידו:

• מוליכות נמוכה
• עמידות בחום
• יכולת פיזור חום
• חוזק מכני
• גמישות
  

רק חומר אשר כל התכונות הללו קיימות בו במידה מספקת יכול לשמש לבידוד כבלים. למשל, חומרים קרמיים הם מבודדים מעולים אך אינם גמישים ולכן אינם משמשים בכבלים. המגבלות של כל אחת מהתכונות הללו בחומר המבודד ישפיעו על הביצועים של הכבל.

החומרים הנפוצים ביותר כיום לבידוד כבלים הם פוליאתילן ופוליאתילן מצולב (XLPE), פוליוויניל כלוריד (PVC) וגומי EPR (אנ'). חומרי בידוד נוספים הנמצאים בשימוש הם נייר רווי שמן ותחמוצת המגנזיום.

בבסיס, כבלי חשמל בנויים ממוליך אחד או יותר, העטופים בחומר מבודד. המבנה של כבל יכול להיות פשוט ביותר או מורכב מאוד, בהתאם לתפקיד הכבל.
כל מוליך בכבל נקרא "גיד". על פי רוב עשויים הגידים מתיילי נחושת או אלומיניום. התיילים מהם עשויים הגידים יכולים להיות בקטרים שונים, אך מטעמים של גמישות הקוטר המרבי של תיילים אלה אינו עולה על 3 מילימטר. בכבלים בהם נדרשים גידים גדולים יותר מתבצע הדבר על ידי מספר תיילים שזורים. לעומת זאת, כאשר נדרשת גמישות גבוהה יותר של הכבל, מבוצעים הגידים על ידי שזירה של תיילים בעלי קוטר קטן במיוחד.
המוליכים, כאמור, נעטפים בחומר מבודד. כבלים בהם יותר מגיד אחד נעטפים כל הגידים המבודדים במעטפת נוספת, מבודדת אף היא, המחזיקה את כל הגידים המבודדים צמודים זה לזה. זהו המבנה בסיסי של כבלי חשמל. מבנים נפוצים נוספים הם:

• זוג שזור - הגידים שזורים זה סביב זה, לעיתים אף ללא מעטפת מבודדת חיצונית נוספת.
• כבל קואקסיאלי - גיד אחד עוטף את הגיד השני.
  

מעבר למבנים בסיסיים אלו קיימות וריאציות רבות על המבנה של כבלים. ביניהן ניתן למצוא:

• סידור גידים רדיאלי או שטוח.
• מעטפת חיצונית עשויה מקלעת טקסטיל.
• גידים בעלי מבנה גזרתי (כלומר אינם עגולים).
• כבלים משוריינים, הכוללים מעטפת הגנה מפלדה.

הזרם החשמלי שיכול להיות מועבר בכבל מוגבל על ידי יכולת פיזור החום שלו. כל זרם שזורם בכבל מעלה את הטמפרטורה שלו, עלייה זו תלויה בצפיפות הזרם.
עליית הטמפרטורה של הכבל מעל סף מסוים פוגעת בחומר הבידוד, לכן, לכל כבל קיים "זרם עבודה" - זרם שיכול לזרום בו לאורך זמן ללא חשש שעליית הטמפרטורה תפגע בבידוד. לדוגמה, בידוד PVC יכול לעמוד בטמפרטורות של עד 70 מעלות צלזיוס, ואילו בידוד XLPE בטמפרטורה של עד 90 מעלות צלזיוס.
עם זאת, יכולים כבלים להעביר זרמים גדולים בהרבה מזרם העבודה הנקוב שלהם (זרם יתר), וזאת כל עוד הטמפרטורה של הכבל אינה עולה על זו המסכנת את הבידוד. המשמעות היא כי גודל זרם היתר העובר בכבל היא יחסית למשך הזמן בו זורם זרם זה - ככל שזרם היתר גבוה יותר, פרק הזמן בו הוא יכול לזרום מבלי לפגוע בבידוד קצר יותר.
מבחינה מעשית יכולים לעבור בכבל זרמים גבוהים בהרבה גם מזרמי היתר - בדרך כלל זרמים כאלה הם תוצאה של קצר חשמלי. זרמים כאלה עלולים לחמם את החומרים מהם עשויים המוליכים עד לשינוי פיזיקלי במבנה הכבל והמוליכים. כבל שעבר בו זרם יתר שלא הופסק תוך הזמן הנדרש, אינו ראוי יותר לשימוש.
מגבלת זרם העבודה בכבלים היא מגבלה מאוד מהותית. מגבלה זו קובעת את שטח החתך של גידי הכבל, כך שצפיפות הזרם לא תגרום להתחממות מעל המותר. מכאן שככל שהזרם אותו הכבל נדרש להעביר יהיה גדול יותר, כן יגדל שטח החתך של הגידים. עם זאת, מגבלה זו אינה נכונה בכל האמור בהספק החשמלי אותו יכול להעביר הכבל, שכן ההספק תלוי גם במתח של הכבל.

המבנה של כבל, גידים ארוכים המופרדים זה מזה באמצעות חיץ דיאלקטרי ובמצב של הפרש פוטנציאלים, מהווה למעשה קבל. לכל כבל יש קיבול הניתן לחישוב, ונתון ביחידות של פאראד ליחידת אורך (בדרך כלל קילומטר). בכבלים קיים קיבול בין הגידים לבין עצמם אך גם בין הגידים לנקודת הניוטרל של המערכת (בדרך כלל האדמה). קיבוליות בכבלים יכולה להגיע לערכים של 0.25 מיקרופאראד לקילומטר.

במשטר של זרם ישר קבל מהווה נתק, כך שלאחר טעינה מלאה של הכבל, אין לקיבוליות משמעות והשפעה במצב המתמשך. עם זאת, מיתוג של המעגל החשמלי אותו מזין הכבל משאיר את הכבל במצב "טעון". כבלים בעלי קיבוליות גבוהה מסוגלים לאגור בתוכם מטען משמעותי אשר פריקה לא מבוקרת שלו עלולה להיות קטלנית.

בזרם חילופין הקיבוליות של הכבל באה לידי ביטוי במעגל החשמלי. במצב זה יעבור דרכו זרם קיבולי קבוע על פי הנוסחה ${\displaystyle \ Ic={Uph}\cdot {2\Pi }\cdot {f}\cdot {C}}$ , כאשר:

${\displaystyle \ Ic}$  הוא הזרם הקיבולי בין מוליך המופע לאדמה.

${\displaystyle \ {Uph}}$  הוא המתח הפאזי (בין המוליך לאדמה).

${\displaystyle \ {f}}$  הוא התדר של המעגל.

${\displaystyle \ {C}}$  הוא הקיבול הכולל של הכבל.

במערכת תלת פאזית תקינה מתקיימים כל הזמן זרמים בין הפאזות לבין האדמה. סכום הזרמים הוא תמיד אפס. הזרם הקיבולי במערכת תלת פאזית מתקיים כל עוד המערכת מצויה תחת מתח, גם כאשר לא זורם בה כל זרם אחר.