صنعت سیم و کابل یکی از مهم‌ترین بخش‌های موجود در شبکه انتقال و توزیع انرژی الکتریکی است. با توجه به گران بودن قیمت سیم و کابل این بخش یکی از پرهزینه‌ترین بخش‌ها چه در اجرای طرح‌ها و چه در تعمیرات و نگهداری تجهیزات به‌شمار می‌آید.
بررسی و رفع چالش‌های این بخش می‌تواند موجب صرفه‌جویی اقتصادی بسیاری در هزینه‌ها شود. فناوری نانو به عنوان رویکردی جدید می‌تواند بخشی از چالش‌های موجود در صنعت سیم و کابل را رفع کند. این فناوری می‌تواند در بخش پوشش و روکش‌های مورد استفاده برای کابل‌ها به‌کار گرفته و موجب افزایش طول عمر و همچنین مقاومت در برابر خوردگی و پوسیدگی شود. فناوری نانو می‌تواند با افزایش قدرت عایقی روکش و پوشش سیم و کابل موجب افزایش قدرت انتقالی شده، که این امر نیز صرفه‌جویی‌های اقتصادی زیادی را به همراه خواهد داشت. از دیگر کاربردهای این فناوری که بیشتر در مرحله پژوهشی است می‌توان به افزایش بازده و کاهش تلفات کابل‌ها اشاره کرد. ایمنی‌بخشی نیز با توجه به بازده اقتصادی بالا می‌تواند موضوع بسیار مناسبی برای سرمایه‌گذاری در این زمینه باشد.
تعریف کابل
همزمان با افزایش روزافزون مصرف انرژی الکتریکی، خطوط انتقال نیرو پیوسته در حال گسترش هستند، زیرا تبادل اصلی و اساسی انرژی در شبکه‌های سراسری به‌وسیله خطوط انتقال انرژی با ظرفیت بالا انجام می‌شود. بدون تردید، هادی‌ها مهم‌ترین اجزای هر شبکه انتقال انرژی به شمار رفته و مسیر جریان از طریق آنها برقرار می‌شود. تمام تمهیدات نیز در طراحی یک خط فشار قوی فقط به‌منظور انتقال مناسب و مطمئن انرژی الکتریکی از طریق هادی‌ها انجام می‌شود.
کابل در واقع هر نوع هادی است که بتواند جریان برق را از خود عبور داده و به‌وسیله موادی نسبت به محیط اطراف خود عایق شده باشد، به‌طوری‌که ولتاژ سطح عایق نسبت به زمین برابر صفر بوده و خود هادی نسبت به زمین دارای ولتاژ فازی باشد.
ساختمان کابل
کابل‌ها از سه قسمت اصلی تشکیل می‌شوند که عبارتند از: هادی، عایق و بخش حفاظت خارجی (بخش حفاظت خارجی ممکن است از چندین قسمت تشکیل‌شده باشد). قسمت اصلی کابل که همان هادی آن است، وظیفه هدایت جریان را به عهده دارد. پس از سیم یک لایه عایقی روی هادی کابل پیچیده می‌شود که هادی‌های کابل را از یکدیگر و نیز محیط اطراف جدا می‌سازد. تعداد زیادی از کابل‌ها مانند کابل‌های فشار ضعیف، مخابرات و… فقط دارای همین دو جزء هستند، ولی با افزایش ولتاژ، ساختمان کابل‌ها نیز پیچیده‌تر می‌شوند. بخش حفاظت خارجی، کابل را در مقابل صدمات مکانیکی، شیمیایی و… حفظ می‌کند.
هادی کابل:
قسمت اصلی کابل است که جریان الکتریکی را هدایت می‌کند. جنس این هادی‌ها معمولا از مس و آلومینیوم است. البته در حال حاضر به‌طور تقریبی تمامی کابل‌هایی که مورد استفاده قرار می‌گیرند، با هادی مسی هستند و این به دلیل قابلیت هدایت بیشتر، پایداری بهتر در برابر رطوبت و عوامل جوی، استحکام مکانیکی بیشتر و شکل‌پذیری بهتر مس نسبت به آلومینیوم است. هادی کابل ممکن است به‌صورت رشته‌ای، مفتولی، گرد یا مثلثی باشد.
برای جلوگیری از تخلیه جزئی بین فاصله‌های احتمالی عایق و هادی، از پوشش‌های الکترواستاتیکی استفاده می‌شود. پوششی از جنس نیمه‌هادی که روی مفتول‌های به هم تابیده کشیده می‌شود تا با یکنواخت کردن سطح هادی و میدان روی آن از تخلیه جزئی بین فواصل احتمالی عایق و هادی جلوگیری کند.
عایق کابل:
کاغذ آغشته به روغن یکی از معمول‌ترین عایق‌هایی است که در کابل‌های قدیمی‌تر استفاده می‌شود. استقامت عایقی کاغذ خشک مورداستفاده در کابل‌ها Kv/cm ۷۰ است که پس از آغشته‌سازی به روغن، این میزان به Kv/cm ۶۰۰ افزایش می‌یابد. اما روغن به‌کار رفته در کابل‌ها و سایر تجهیزات سبب آلودگی محیط‌زیست و در برخی موارد منجر به آتش‌سوزی می‌شود، به همین دلیل استفاده از عایق‌های دیگر مورد توجه قرار گرفته است. امروزه به‌طور تقریبی در همه کارخانه‌های کابلسازی از عایق‌های مصنوعی بهره‌گیری می‌شود. از عایق‌های مصنوعی مورد استفاده در کابل‌ها می‌توان به ترکیبات بر مبنای پلی‌وینیل کلراید(PVC)، ترکیبات بر مبنای ترموپلاستیک پلی‌اتیلن(PE)، ترکیبات بر مبنای اتیلین پروپیلن لاستیک یا مشابه (EPR) و ترکیبات بر مبنای پلی‌اتیلن کراس لینک (XLPE) اشاره کرد که با توجه به مشخصات متفاوت این مواد می‌توان از هرکدام برای ساخت کابل‌های با محیط کارکرد مختلف از نظر حداکثر دما، میزان تحمل عایقی و… استفاده کرد.
غلاف حفاظت خارجی
برای حفاظت کابل‌ها در مقابل رطوبت و خوردگی از غلاف‌های ترموپلاستیک مانند PVC، XLPE یا غلاف‌های آلومینیومی و سربی استفاده می‌شود. غلاف‌های PVC قابلیت تحمل درجه حرارت زیاد و حتی شعله را داشته و در مقابل تمام ترکیبات شیمیایی خاک مقاوم هستند.
– غلاف سربی:
غلاف سربی بیشتر در کابل‌های با عایق کاغذی استفاده می‌شود و کار اصلی غلاف فلزی در این حالت حفاظت کاغذ در برابر رطوبت است.
– غلاف آلومینیومی:
غلاف آلومینیومی به دلیل سبکی و مقاومت در برابر رطوبت مورداستفاده قرار می‌گیرد. ضمن اینکه به علت هدایت بالای آلومینیوم از غلاف در بعضی مواقع به‌عنوان هادی نول استفاده می‌شود.
– زره کابل:
زره، کابل را در مقابل نیروهای مکانیکی حفاظت می‌کند. کابل‌های با عایق کاغذی با غلاف سربی معمولا به‌وسیله نوارهای فولادی زره‌بندی می‌شوند. درصورتی‌که کابل‌های با عایق XLPE و دارای شبکه مسی و نیز کابل‌های فشار ضعیف با عایق PVC و XLPE با غلاف آلومینیومی در معرض تنش‌های کششی نباشند نیاز به زره ندارند. کابل‌هایی که در معرض تنش‌های مکانیکی بیشتر هستند، باید با سیم‌های فولادی گالوانیزه زره‌بندی شوند.
چالش‌های موجود در کابل‌ها
از چالش‌های موجود در کابل‌ها می‌توان به وزن بالای هادی‌ها که موجب بروز خسارت به تجهیزات و استراکچرها می‌شود، نام برد.
یکی دیگر از مهم‌ترین چالش‌ها، تلفات انرژی الکتریکی است. ۲۱/۶درصد از کل تولید انرژی در بخش‌های انتقال تا توزیع در صنعت برق ایران تلف می‌شود که عمده این تلفات در بخش سیم‌ها و کابل‌ها روی می‌دهد. یکی دیگر از چالش‌های موجود در کابل‌ها، عایق‌های مورداستفاده هستند که در اثر انرژی حرارتی ناشی از جریان مداوم بار، جریان اتصالی و… باعث خرابی و ایجاد اتصالی و آتش‌سوزی می‌شوند.
فناوری نانو در کابل‌ها:
الیاف نانولوله‌های کربنی یکی از دستاوردهای مهم نانوفناوری است. این نانولوله‌ها کاربردهای قابل توجهی در صنعت کابل و سیم پیدا کرده‌اند. الیاف نانولوله کربنی (CNT) با رسانایی الکتریکی بالا و به مراتب بهتر از مس، تاثیر چشمگیری در کاهش تلفات دارد. با فرض کردن ۵درصد بازده هدایتی جریان نانولوله به نانولوله در طول الیاف و تراکم فشرده‌سازی ۱۴ نانولوله کربنی در یک سانتی‌متر مربع، یک دسته الیاف نانولوله کربنی جریانی معادل ۱۰۰ میلیون آمپر در سانتی‌متر مربع را انتقال می‌دهد که معادل ۱۰۰ برابر ظرفیت انتقال بهترین ابررساناهای با درجه حرارت پایین است. با فناوری فعلی، تلفات خطوط انتقال قدرت حدود ۷درصد است که کاهش این تلفات به ۶درصد برابر با ذخیره انرژی سالانه ۱۰کیلووات ساعت و برابر با ذخیره ۲۴میلیون بشکهنفت است. همچنین این کاهش تلفات منجر به صرفه‌جویی قابل‌توجهی در زغال‌سنگ و گاز مصرفی و کاهش انتشار کربن در صنعت برق می‌شود. توسعه این مواد در بازارهای جهانی نیز قابل‌توجه است. به‌عنوان‌مثال، انتظار می‌رود که تقاضای جهانی برای الیاف کربنی از ۴۶ هزار تن در سال در سال ۲۰۱۱م به بیش از ۱۵۳ هزار تن در سال ۲۰۲۰م رشد کند.
در نانولوله‌های کربنی علاوه بر رسانایی الکتریکی، مقاومت مکانیکی خیلی خوبی (در حد مستحکم‌ترین نوع فولادها) نیز دارند که منجر به خواص مکانیکی مناسب این ماده نیز می‌شود.
برای بهبود خواص عایقی روکش کابل‌های الکتریکی نیز می‌توان از نانوکامپوزیت‌ها، بر پایه مواد پلیمری و نانوذرات خاک رس استفاده کرد. این مواد علاوه بر خواص مکانیکی مناسب، ویژگی‌های دیگری مانند مقاومت بالا در برابر آتش‌سوزی را برای عایق سیم به همراه دارد.
در داخل کشور فعالیت تجاری در این زمینه وجود ندارد اما با توجه به ظرفیت‌های موجود در این زمینه، می‌توان شرایط مناسبی برای رشد این حوزه طراحی و اجرا کرد.