วิธีเลือกสาย CCA สำหรับสายไฟและตัวนำกระแส

สาย CCA คืออะไร? องค์ประกอบ, สมรรถนะไฟฟ้า และข้อแลกเปลี่ยนที่สำคัญ

โครงสร้างทองแดงหุ้มอลูมิเนียม: ความหนาของชั้น, ความสมบูรณ์ของการยึดติด, และการนำไฟฟ้าตามมาตรฐาน IACS (60–70% ของทองแดงบริสุทธิ์)

สายไฟอะลูมิเนียมหุ้มทองแดง หรือ CCA นั้นโดยพื้นฐานแล้วมีแกนกลางเป็นอะลูมิเนียมหุ้มด้วยทองแดงบางๆ ซึ่งคิดเป็นประมาณ 10 ถึง 15 เปอร์เซ็นต์ของพื้นที่หน้าตัดทั้งหมด แนวคิดเบื้องหลังการผสมผสานนี้เรียบง่ายมาก คือการพยายามนำข้อดีของทั้งสองอย่างมารวมกัน คือ อะลูมิเนียมที่มีน้ำหนักเบาและราคาไม่แพง พร้อมกับคุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่ดีของทองแดงที่พื้นผิว แต่ก็มีข้อเสียอยู่ หากการยึดติดระหว่างโลหะเหล่านี้ไม่แข็งแรงพอ อาจเกิดช่องว่างเล็กๆ ขึ้นที่รอยต่อ ช่องว่างเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะเกิดออกซิเดชันเมื่อเวลาผ่านไป และสามารถเพิ่มความต้านทานไฟฟ้าได้มากถึง 55% เมื่อเทียบกับสายทองแดงทั่วไป เมื่อพิจารณาจากประสิทธิภาพที่แท้จริงแล้ว CCA มักจะมีการนำไฟฟ้าประมาณ 60 ถึง 70% ของมาตรฐานทองแดงอบอ่อนสากล (International Annealed Copper Standard) เนื่องจากอะลูมิเนียมนำไฟฟ้าได้ไม่ดีเท่าทองแดงตลอดทั้งปริมาตร เนื่องจากค่าการนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่านี้ วิศวกรจึงต้องใช้สายไฟที่หนากว่าเมื่อทำงานกับ CCA เพื่อรองรับกระแสไฟฟ้าในปริมาณเท่ากับทองแดง ข้อกำหนดนี้ทำให้ข้อดีด้านน้ำหนักและต้นทุนวัสดุที่ทำให้ CCA น่าสนใจในตอนแรกนั้นหายไปเกือบหมด

ข้อจำกัดด้านความร้อน: การให้ความร้อนแบบต้านทาน, การลดอัตราการนำไฟฟ้า, และผลกระทบต่อความสามารถในการรับภาระอย่างต่อเนื่อง

ความต้านทานที่เพิ่มขึ้นของตัวนำ CCA ส่งผลให้เกิดความร้อนจากผลจูลมากขึ้นเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน เมื่่อุณหภูมิโดยรอบอยู่ที่ประมาณ 30 องศาเซลเซียส รหัสไฟฟ้าแห่งชาติกำหนดว่าต้องลดความจุกระแสของตัวนำเหล่านี้ประมาณร้อยละ 15 ถึง 20 เมื่ียบกับสายทองแดงที่มีขนาดเท่ากัน การปรับเช่นนี้ช่วยป้องกันฉนวนและจุดต่อต่างๆ จากความร้อนที่เกินขีดจำกัดความปลอดภัย สำหรับวงจรสาขาทั่วทั่วสาม หมายว่ามีความจุโหลดต่อเนื่องที่สามารถใช้จริงเหลืออยู่ประมาณหนึ่งในสี่ถึงหนึ่งในสามน้อยกว่าปกติ หากระบบทำงานต่อเนื่องที่เกินร้อยละ 70 ของค่าสูงสุดที่กำหนด อัลลูมิเนียมมีแนวโน้มที่จะนิ่มขึ้นผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการอบอ่อน (annealing) การอ่อนดังกล่าวส่งผลต่อความแข็งแรงของแกนตัวนำ และอาจทำให้จุดต่อต่างๆ เสียหาย ปัญหานี้จะยิ่งเลวร้ายขึ้นในพื้นที่แคบที่ความร้อนไม่สามารถระบายออกอย่างเหมาะสม เมื่อวัสดุต่างๆ เสื่อมสภาพเป็นเดือนและปี จุดร้อนอันตรายจะเกิดขึ้นทั่วทั้งติดตั้ง ซึ่งในท้ายทายส่งผลกระทบต่อทั้งมาตรฐานความปลอดภัยและความเชื่อมพึงของระบบไฟฟ้า

จุดที่สาย CCA ไม่เพียงพอสำหรับการใช้งานด้านพลังงาน

การติดตั้ง POE: การตกของแรงดันไฟฟ้า, การควบคุมอุณหภูมิเสียหลัก, และความไม่สอดคล้องกับมาตรฐานการจ่ายพลังงาน IEEE 802.3bt Class 5/6

สาย CCA ไม่ทํางานได้ดีกับระบบ Power over Ethernet (PoE) ในปัจจุบัน โดยเฉพาะระบบที่ใช้มาตรฐาน IEEE 802.3bt สําหรับ Class 5 และ 6 ที่สามารถส่งมอบพลังงานได้ถึง 90 วัตต์ ปัญหาคือระดับความต้านทานที่สูงกว่าที่เราต้องการ 55 ถึง 60 เปอร์เซ็นต์ นี่ทําให้แรงดันไฟฟ้าลดลงอย่างรุนแรงตามความยาวของสายเคเบิลปกติ ทําให้ไม่สามารถรักษาความคงที่ 48-57 โวลต์ DC ที่จําเป็นที่อุปกรณ์ในปลายอีกด้าน สิ่งที่เกิดขึ้นต่อมาก็แย่มากเหมือนกัน ความต้านทานที่เพิ่มขึ้น สร้างความร้อน ซึ่งทําให้สถานการณ์แย่ลง เพราะสายไฟที่ร้อนขึ้น จะต้านทานมากขึ้น สร้างวงจรอันตรายนี้ ที่อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นอย่างอันตราย เรื่องเหล่านี้ขัดกับกฎความปลอดภัย NEC มาตรา 800 และมาตรฐาน IEEE อุปกรณ์อาจหยุดทํางานไปหมด ข้อมูลสําคัญอาจถูกทําลาย หรือในกรณีที่แย่ที่สุด ส่วนประกอบอาจได้รับความเสียหายอย่างถาวร เมื่อมันไม่ได้รับพลังงานที่เพียงพอ

การเดินสายระยะยาวและวงจรกระแสสูง: เกินเกณฑ์การตกของแรงดันตาม NEC 3% และข้อกำหนดการลดค่าความสามารถในการนำกระแสตามมาตรา 310.15(B)(1)

สายเคเบิลที่มีความยาวเกิน 50 เมตร มักทำให้ CCA เกินขีดจำกัดการตกของแรงดันไฟฟ้า 3% ตามมาตรฐาน NEC สำหรับวงจรสาขา สิ่งนี้ก่อให้เกิดปัญหา เช่น การทำงานของอุปกรณ์ที่ไม่มีประสิทธิภาพ ความล้มเหลวก่อนกำหนดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อความร้อน และปัญหาด้านประสิทธิภาพต่างๆ เมื่อมีกระแสไฟฟ้ามากกว่า 10 แอมป์ CCA จะต้องลดความสามารถในการนำกระแสลงอย่างมากตาม NEC 310.15(B)(1) เหตุผลคือ อลูมิเนียมทนต่อความร้อนได้ไม่ดีเท่าทองแดง โดยจุดหลอมเหลวของอลูมิเนียมอยู่ที่ประมาณ 660 องศาเซลเซียส เมื่อเทียบกับทองแดงที่สูงถึง 1085 องศาเซลเซียส การพยายามแก้ไขปัญหานี้โดยการใช้ตัวนำขนาดใหญ่ขึ้นนั้น ก็เท่ากับการทำลายข้อได้เปรียบด้านต้นทุนที่ควรจะได้จากการใช้ CCA ตั้งแต่แรกอยู่ดี ข้อมูลจากงานติดตั้งจริงยังชี้ให้เห็นอีกเรื่องหนึ่งด้วย นั่นคือ การติดตั้งที่ใช้ CCA มักมีเหตุการณ์ความเครียดจากความร้อนมากกว่าสายทองแดงธรรมดาประมาณ 40% และเมื่อเหตุการณ์ความเครียดนี้เกิดขึ้นภายในท่อร้อยสายที่แคบ มันจะสร้างความเสี่ยงด้านอัคคีภัยที่ไม่มีใครต้องการ

ความเสี่ยงด้านความปลอดภัยและการไม่ปฏิบัติตามข้อกำหนดจากการใช้สาย CCA ผิดประเภท

การเกิดออกซิเดชันที่ขั้วต่อ การไหลเย็นภายใต้แรงดัน และความล้มเหลวของความน่าเชื่อถือในการต่อสายตาม NEC 110.14(A)

เมื่อแกนอลูมิเนียมภายในสาย CCA เผยออกมาที่จุดต่อ อลูมิเนียมจะเกิดออกซิเดชันอย่างรวดเร็ว สิ่งนี้จะสร้างชั้นออกซิเดที่มีความต้านทานสูง ซึ่งสามารถเพิ่อุณหภูมิท้องถิ่นขึ้นประมาณร้อยเปอร์เซ็นต์ 30 สิ่งที่เกิดต่อไปจะยิ่งแย่ขึ้นสำหรับปัญหาความน่าเชื่อของระบบ เมื่อสกรูขั้วต่อออกแรงกดอย่างต่อเนื่องเป็นเวลานาน อลูมิเนียมจะไหลเย็นออกมาจากพื้นที่สัมผัส ทำให้การต่อขั้วลอยหลวมอย่างค่อยๆ เพิ่มขึ้น สิ่งนี้ขัดกับข้อกำหนดของรหิน เช่น NEC 110.14(A) ที่ระบุว่าต้องมีข้อต่อที่มั่นคงและมีความต้านทานต่ำสำหรับติดตั้งถาวร ความร้อนที่เกิดจากกระบวนการนี้นำไปสู่การเกิดอาร์กฟอลท์ และทำลายวัสดุฉนวน ซึ่งเป็นสิ่งที่มักถูกกล่าวถึงในรายงานการสอบสวน NFPA 921 เกี่ยวกับสาเหตเพอไฟไหม้ สำหรับวงจรที่จัดการกระแสไฟฟ้ามากกว่า 20 แอมแปร์ ปัญหาที่เกี่ยวกับสาย CCA จะปรากฏขึ้นเร็วกว่าสายทองแดงธรรมดาประมาณห้าเท่า และนี่คือสิ่งที่ทำให้มันอันตราย—ความล้มเหลวเหล่านี้มักพัฒนาอย่างเงียบ ไม่มีสัญญาณชัดเจนในช่วงการตรวจสอบตามปกจนความเสียหายร้ายแรงเกิดขึ้น

กลไกการล้มเหลวที่สำคัญ ได้แก่:

• การเกิดสนิมแบบกัลวานิก ที่บริเวณต่อระหว่างทองแดงและอลูมิเนียม
• การเปลี่ยนรูปแบบคลาน (Creep deformation) ภายใต้แรงดันคงที่
• ความต้านทานสัมผัสเพิ่มขึ้น , เพิ่มขึ้นมากกว่า 25% หลังจากการเปลี่ยนอุณหภูมิซ้ำหลายครั้ง

การลดความเสี่ยงอย่างเหมาะสมจำเป็นต้องใช้สารต้านอนุมูลอิสระและขั้วต่อควบคุมแรงบิดที่ระบุไว้โดยเฉพาะสำหรับตัวนำอลูมิเนียม ซึ่งมาตรการดังกล่าวแทบไม่ถูกนำไปใช้ในทางปฏิบัติกับสาย CCA

แนวทางการเลือกใช้สาย CCA อย่างรับผิดชอบ: การเลือกให้เหมาะสมกับการใช้งาน การรับรอง และการวิเคราะห์ต้นทุนรวม

กรณีการใช้งานที่ถูกต้อง: สายควบคุม หม้อแปลงไฟฟ้า และวงจรเสริมที่ใช้พลังงานต่ำ — ไม่ใช่สายตัวนำในวงจรสาขา

สามารถใช้สาย CCA ได้อย่างรับผิดชอบในแอปพลิเคชันที่ใช้พลังงานและกระแสต่ำ โดยที่ข้อจำกัดด้านความร้อนและการตกของแรงดันมีน้อย ซึ่งรวมถึง:

• สายควบคุมสำหรับรีเลย์ เซนเซอร์ และพีแอลซีไอ/โอ
• ขดลวดรองของหม้อแปลงไฟฟ้า
• วงจรเสริมที่ทำงานต่ำกว่า 20A และโหลดต่อเนื่องไม่เกิน 30%

สาย CCA ไม่ควรใช้กับวงจรที่จ่ายไฟไปยังเต้ารับ โคมไฟ หรือภาระไฟฟ้ามาตรฐานทั่วไปในอาคาร เพราะกฎข้อบังคับด้านไฟฟ้าแห่งชาติ โดยเฉพาะมาตรา 310 ห้ามใช้ในวงจร 15 ถึง 20 แอมป์ เนื่องจากมีปัญหาจริงเกี่ยวกับอุปกรณ์ร้อนเกินไป แรงดันไฟฟ้าผันผวน และการเชื่อมต่อเสื่อมสภาพตามเวลาที่ผ่านไป เมื่อพิจารณาในกรณีที่อนุญาตให้ใช้สาย CCA วิศวกรจำเป็นต้องตรวจสอบว่าแรงดันตกไม่เกิน 3% ตลอดแนวสาย และต้องแน่ใจว่าการเชื่อมต่อทั้งหมดเป็นไปตามมาตรฐานที่ระบุไว้ใน NEC 110.14(A) ข้อกำหนดเหล่านี้ค่อนข้างเข้มงวด และยากจะปฏิบัติได้โดยไม่มีอุปกรณ์พิเศษและเทคนิคการติดตั้งที่เหมาะสม ซึ่งช่างส่วนใหญ่ไม่คุ้นเคย

การตรวจสอบการรับรอง: UL 44, UL 83 และ CSA C22.2 หมายเลข 77 — เหตุใดการขึ้นทะเบียนจึงสำคัญกว่าการติดฉลาก

การรับรองจากบุคคลที่สามเป็นสิ่งจำเป็น—ไม่ใช่ตัวเลือก—สำหรับตัวนำ CCA ทุกชนิด ควรตรวจสอบรายการที่ยังคงมีผลตามมาตรฐานที่เป็นที่ยอมรับเสมอ

การขึ้นทะเบียนในรายชื่อการรับรองออนไลน์ของ UL แสดงถึงการตรวจสอบยืนยันโดยหน่วยงานอิสระ ซึ่งต่างจากการติดฉลากโดยผู้ผลิตที่ไม่ได้รับการตรวจสอบ ในกรณีของ CCA ที่ไม่มีการขึ้นทะเบียน จะมีอัตราการล้มเหลวในการทดสอบการยึดติดตามมาตรฐาน ASTM B566 สูงกว่าผลิตภัณฑ์ที่ได้รับการรับรองถึงเจ็ดเท่า ซึ่งเพิ่มความเสี่ยงต่อการเกิดออกซิเดชันที่จุดต่อเชื่อมโดยตรง ก่อนกำหนดหรือติดตั้ง กรุณาตรวจสอบให้แน่ใจว่าหมายเลขการรับรองตรงกับรายการที่ขึ้นทะเบียนอย่างเป็นทางการและยังคงมีผลใช้งานอยู่