Vodič (elektrotechnický výrobek)

Vodič je v elektrotechnice název výrobku na základě elektricky vodivého materiálu, který slouží k přenosu elektrického proudu a napětí.

Jádra vodičů se vyrábějí z elektricky vodivých materiálů, převážně kovů.

Bude-li vodič sloužit k přenosu silové a signální (sdělovací) elektřiny, je vhodné použít materiál s dobrou vodivostí:

• měď se využívá nejčastěji. Může být holá nebo pokovená (cínem, stříbrem atd.). Její výhodou je kromě vodivosti také vysoká pevnost a houževnatost, se kterou vodič velmi dobře odolává ohybům;
• hliník se používá v menší míře, a to převážně pro energetické aplikace. Oproti mědi má nižší vodivost, ale je mnohem lehčí a je tak vhodný třeba pro závěsná vedení; jeho mechanické vlastnosti jsou mnohem horší než mědi: při opakovaném ohnutí se láme, pod tlakem se vymačkává (teče); podobně se chová při větším proudu; to může vést k uvolnění z mechanických svorek, jiskření a vzniku požáru
• bronz a mosaz – pro potřeby pevnějších jader s vysokou vodivostí, dříve např. pro telefonní vedení;
• poměděná ocel – pro potřeby pevnějších a levnějších jader bez vysokých nároků na vodivost (včetně levných anténních koaxiálů);
• pocínovaná ocel je využívána na přívodní vodiče pro rozbušky, slangově zvané "palníky";
• uhlíková nit je nekovové jádro, vhodné k přenosu vysokonapěťových výbojů v zapalovacích kabelech u motorů, protože podstatně snižuje elektromagnetické rušení do okolí motoru;
• konstantan, slitiny niklu atd. – pro topné a vyhřívací vodiče;
• ocel pro speciální aplikace, například železniční zabezpečovací systémy
• atd.

Na základě mezinárodní technické normalizace, vzešlé z IEC již v době mezi světovými válkami, se pro vodiče a kabely používají tzv. jmenovité průřezy. Výrobci nejsou povinni vyrábět vodič tak, aby jeho geometrický průřez byl číselně roven jmenovité hodnotě, ale musí splnit jiné požadavky – příslušné předmětové normy (např. ČSN EN 60228) stanoví pro každý jmenovitý průřez nejvyšší povolený odpor a nejvyšší možný průměr jádra, resp. použitých drátků. Není-li tedy skladba jádra stanovena přísněji, záleží jeho složení na vůli výrobce tak, aby splnil tento předpis. Velkou roli v tom totiž hraje například čistota kovu jádra.

Laicky známé jsou průřezy silových vodičů 0,5 – 0,75 – 1 – 1,5 – 2,5 – 4 – 6 – 10 mm², v signální technice se používají i malé průřezy 0,14 – 0,22 – 0,35 – 0,5 – 0,75 – 0,85, v energetice naopak velké průřezy 10 – 16 – 25 – 35 – 50 – 70 – 95 – 120 – 150 – 185 a 240 mm². Mimo to jsou normalizované i jiné průřezy, které se používají zřídka – například 0,6,- 2- nebo 8 mm².

• American Wire Gauge zkráceně AWG je způsob značení průměru vodičů, používaný především v USA. Označení neudává přímo rozměr v délkových jednotkách, ale odvozuje ho od základního rozměru podle počtu průchodů výsledného vodiče tažícím zařízením při výrobě. Protože tento systém je v USA stále používán, existují převodní tabulky, ze kterých lze vyčíst průměr (průřez) vodiče popsaného některým stupněm AWG. Tabulka je například na

http://www.kabelyvodice.cz/technicka-podpora/tech_awg-prurezy.php

• plné jádro – takové jádro má podobu jednoho kulatého drátu. ČSN EN 60228 taková jádra řadí do třídy 1, zvykově se také tato jádra označují zkratkou RE – ta je převzata z němčiny a znamená rund, eindrähtig. Anglicky se tato jádra označují round single wire. Obvykle se toto jádro používá např. pro silové úložné kabely menších průřezů, pro sdělovací rozvody atd.

• lanované jádro – vznikne tím, že se dohromady složí šest až sedm drátků, případně devatenáct, a stočí se do pravidelné šroubovice. ČSN EN 60228 je řadí do třídy 2, pro vodiče v automobilovém průmyslu se užívá název pravidelné lanko neboli skladba typu A, a to podle německé normy LV 112. Obvykle se používá pro vyšší průřezy silových kabelů. Obecně se vodiče s těmito jádry nazývají licna (z něm. e Litze).

• ohebné jádro – vznikne obdobně jako lanované, ale počet drátků není přesně dán a může být libovolný (tak, aby vodič splňoval požadavky maximálního elektrického odporu pro daný průřez). Podle ČSN EN 60228 jsou to jádra třídy 5, neoficiální název je sypané lanko, u autovodičů se používá název skladba typu B. Obvykle se používají např. pro pohyblivé silové přívody. Pro lanovaná a ohebná jádra se společně používá i zvyková německá zkratka RM – rund, mehrdrähtig.

• vysoce ohebné jádro – podle ČSN EN 60228 jádra třídy 6. Neoficiální název je kartáčové lanko a používají se pro vodiče, u kterých je požadována zvlášť vysoká ohebnost (např. audiokabely nebo k pohyblivým částem strojů). Německá zkratka RF – rund, feindrähtig.

• sektorové jádro – jádro nekulatého tvaru, zpravidla má profil kruhové výseče tak, aby při použití v kabelu do sebe jednotlivé žíly dobře zapadly a snížil se tak výsledný průměr kabelu. Tato jádra jsou specialitou pro energetické kabely vysokých průřezů (zhruba od 35mm2 a výše). Mohou být buď z přelisovaného jednodrátu (německá zkratka SE – sektor, eindrähtig), nebo mohou být složena z více drátů (německá zkratka SM – sektor, mehrdrähtig).

• komprimovaná jádra – vzniknou tak, že se složené (lanované nebo ohebné) jádro finalizuje protažením skrz užší profil a tím se slisuje, čímž dojde ke zpevnění jádra a zmenšení průměru bez snížení vodivosti.

• další tvary – tyč, pásek, kolejnice atd.

Při průchodu elektrického proudu vznikají ve vodiči ztráty.Tyto ztráty navíc u běžných vodičů rostou s teplotou. Ztráty mohou při nesprávném dimenzování vést k přehřívání izolace a k jejímu zrychlenému stárnutí, v extrémním případě může dojít i k poškození kabelu "shořením" izolace. Při určování průřezu vodičů by měly být zohledněny následující faktory:

• maximální procházející proud (bývá určený jistícím prvkem)
• způsob uložení vodiče (lepší chlazení znamená možnost vyššího zatížení)
• teplota okolí
• souběžné uložení více kabelů (sousední kabely zhoršují chlazení a generují teplo)
• izolace vodiče (tepelná vodivost a tepelná odolnost)
• vliv prostředí z požárního hlediska
• povolený úbytek napětí na vodiči
• vliv skin efektu

Běžné domácí elektrické instalace používají pro proud 10 A měděné kabely s průřezem 1,5 mm² (světelný rozvod), pro zásuvkové rozvody s maximálním zatížením 16 A se používají měděné kabely s průřezem 2,5 mm². V průmyslových rozvodech záleží na typu použitých kabelů a způsobu uložení^[1][2].

Tyto vodiče se používají tam, kde za běžných podmínek (včetně tzv. podmínek jedné poruchy) nehrozí nežádoucí chování vodiče (bezprostřední ohrožení života a zdraví, zkrat apod.) nebo tam, kde je naopak žádoucí, aby vodivé jádro bylo přístupné přímo. Může jít například o:

• Holý měděný drát kruhového průřezu – užívá se k výrobě spojek uvnitř rozvaděčů
• Měděné tyče obdélníkového nebo obecně nekruhového průřezu – na přípojnice uvnitř rozvoden, rozvaděčů, jako součást přípojnicových rozvodů, kterými se napájejí stroje v průmyslových provozech
• Měděné pletivo – pás spletený z tenkých měděných drátků, používá se k propojení kovových dveří nebo oddělitelných krytů různých strojů a rozvaděčů
• Trolejový drát – drát s rybinovou upevňovací drážkou, slouží jako vrchní napájecí vedení na elektrifikovaných drahách (tramvaje, trolejbusy, elektrifikované železnice, starší typy mostových jeřábů)
• Lana pro vzdušná vedení VN a VVN, jádro je tvořeno pevným ocelovým lanem, opleteným hliníkovými vodiči
• Hromosvodní drát – ocelový, žárově pozinkovaný drát průměru 8 až 10 mm používaný na svody systémů ochrany před atmosférickým přepětím
• Zemnící páska – ocelová, žárově pozinkovaná páska k uložení do základů budov a k propojení jednotlivých svodů bleskosvodu
• Odporová vlákna ze slitin železa – pro žhavicí spirály žárovek, zářivek a elektronek
• Odporové dráty (pásky) také ze slitin železa – pro topné elementy v zařízeních pro elektrické topení (akumulační kamna, vzduchové clony), případně jako brzdové odpory ve vozidlech elektrické trakce
• Ostatní holé, neizolované vodiče
  • Kolejnice na elektrifikovaných železnicích, v metru a tramvajových tratích. Ocelové kolejnice tvoří jeden přívodní vodič, druhým přívodním vodičem je trolej, jako vrchní napájecí vedení
  • Vodiče vytvořené jako součást motivu plošného spoje

Pokud je to potřeba, bývá vlastní vodivý materiál obalen izolační vrstvou, jejímž účelem je zabránit zkratům, v agresivním prostředí prodloužit životnost vodiče, a zejména pak u vyšších napětí (nad 50 V~ a 60 V=) zabránit ohrožení osob.

Na jádro takového vodiče se v tzv. extruderu nanáší za vysoké teploty (podle druhu materiálu zhruba od 130 po 420 °C) roztavený plast – nejčastěji měkčené PVC (běžné nebo bezhalogenové), pro kabely s vyšší teplotní odolností polyetylen (obyčejný nebo radiačně zesítěný), pro energetické kabely HFFR, EVA (etylenvinylacetát), polyamid, FEP, teflon atd. Specialitou pro vodiče s vysokou tepelnou odolností je izolace ze silikonového kaučuku, která se nanáší obdobně jako ostatní plasty, ale děje se tak za běžné pokojové teploty a teprve poté se izolace na vodiči vypaluje v horkovzdušném tunelu.

Vodiče pro vinutí elektrických strojů točivých i transformátorů jsou obaleny tkanicí ze skelných vláken prosycených pryskyřicí. Izolační materiál je příbuzný materiálu, který se používá pro výrobu plošných spojů. Jde vesměs o vodiče větších průřezů obdélníkového tvaru.

Tyto vodiče se nazývají smaltované a používají se například pro vinutí elektromotorů a alternátorů – velmi dobře odolávají vysokým teplotám a mechanickému namáhání.

• Lakované vodiče s tepelně odolným lakem – pro vinutí pracující za vyšších teplot (typicky v teplotních třídách H nebo C). Pro připojení konců vinutí z těchto vodičů je nutné izolaci mechanicky odstranit
• Pájitelné (samopájitelné) vodiče – lak je stabilní při provozní teplotě, ale při zahřátí páječkou se rozteče a odkryje povrch vodiče. Při zapojování konců vinutí z tohoto typu vodiče není nutné mechanické odstranění izolace.
• Spékatelné vodiče – mimo vrstvu, která funguje jako závitová izolace je vodič opatřen další vrstvou, kterou lze po navinutí tepelně vytvrdit, spéct. Tím se zlepší izolační vlastnosti výsledného vinutí a zvýší mechanická tuhost vinutí. Tato úprava může nahradit v řadě případů vakuotlakovou impregnaci vinutí.

Tato izolace může být nanesena opředením nebo opletením.

Izolace vodičů je různobarevná. Na základě přijaté ČSN IEC 757 jsou od roku 1996 definovány tyto základní barvy (v závorce používaná zkratka):

• černá (č) – black (BK)
• hnědá (h) – brown (BN)
• rudá (r) – red (RD); český název "červená" barva se v kabelařině zásadně nepoužívá, aby nedošlo k záměně s pojmem "černá".
• oranžová (or) – orange (OG)
• žlutá (žl) – yellow (YE)
• zelená (z) – green (GN)
• modrá (m) – blue (BU)
• fialová (f) – violett (VT)
• šedá (š) – grey (GY)
• bílá (b) – anglicky white (WH)
• růžová (ru) – pink (PK)
• zlatá (zla) – golden (GD)
• tyrkysová (t) – turquoise (TQ)
• stříbrná (stř) – silver (SR)

Kabelářská výroba pak přidala ještě další barvy, na které IEC v původním dokumentu z roku 1983 nepomyslel:

• světle hnědá (sh) – tan (TA)
• světle modrá (sm) – light blue (LB)
• bezbarvá transparentní (tt) – transparent (TT).

Barvy pak lze vzájemně kombinovat – jedna barva se použije jako základní (75 – 85 % povrchu) a druhá jako přístřiková (15 – 25 % povrchu). Toho využívají zejména výrobci automobilů – vzhledem ke stále rostoucímu množství elektrických obvodů v autech rostou i nároky na rozlišitelnost obvodů a tak se dnes setkáváme již s několika stovkami typů kombinací.

Ovšem v silových rozvodech je jediná přípustná barevná kombinace povolena pro žlutou a zelenou barvu, jejichž vzájemný poměr musí být mezi 30 a 70 % a které se smí použít výhradně jako ochranný vodič.

Pro vinutí elektrických strojů točivých i netočivých je běžné udávat nejvyšší přípustnou teplotu písmenným kódem, takzvanou teplotní třídou (třídou teplotní odolnosti). Teplota se určuje měřením odporu vinutí.

Pokud není vodič již finálním výrobkem, lze s ním provádět další operace.

Je-li mechanicky spojeno více vodičů dohromady do šroubovice, zpravidla již nemluvíme o vodičích, nýbrž o tzv. žilách svazku. Pokud jsou pouze stočeny do páru a jsou takto uváděny na trh, jedná se o twist. Pokud však jde jen o výrobní polotovar, říkáme mu duše.

Samostatnou kapitolou jsou potom nízkofrekvenční sdělovací kabely podle ČSN IEC 189, kde se nejprve stočí žíly do páru, případně do čtyřky, a pak se z nich vytváří duše mající i několik desítek žil.

Vodič lze oplášťovat, a to i několikanásobně. Opláštěním duše z žil s plnými jádry vznikne kabel, opláštěním duše s žílami z ohebných (lankových) vodičů vznikne šňůra, zpravidla o kruhovém profilu.

Je ale možné opláštit i žíly paralelní, tedy nestáčené do šroubovice. Vznikne tak plochý kabel (vhodný např. pod omítku), resp. plochá šňůra (např. k televizoru nebo do výtahu).

Pokud je to žádoucí z elektrotechnických důvodů, např. kvůli elektromagnetickému odrušení, lze vodič takzvaně odstínit tím, že se okolo něj vytvoří dutinka z vodivého materiálu – nejčastěji opět z holé nebo pokovené mědi. Dutinku lze vytvořit:

• opletením (drátky jsou okolo vodiče naváděny střídavým směrem a vytvoří mřížku);
• opředením (drátky jsou okolo vodiče navíjeny rovnoběžně a vytvoří šroubovici);
• olisováním (přiložením vodivé hliníkové nebo cínové fólie).

Stínit lze jednotlivé vodiče, twisty, duše i celý kabel.

• Elektrický vodič
• Elektroinstalace
• Kabel

• Štěpán Berka; Elektrotechnická schémata a zapojení 1; BEN - technická literatura, Praha 2008, ISBN 978-80-7300-229-9, str. 190-191 (Značení vodičů)
• Štěpán Berka; Elektrotechnická schémata a zapojení 2; BEN - technická literatura, Praha 2010, ISBN 978-80-7300-254-1, str. 227 (Proudová zatížitelnost kabelů a vodičů) a str. 228 (Barevné značení žil silových kabelů a vodičů)
• Gregor Häberle; Elektrotechnické tabulky pro školu i praxi; EUROPA – SOBOTÁLES 2006; ISBN 80-86706-16-8
• GARLÍK, Bohumír. Technická zařízení budov/Elektrická instalace v budovách. 1. vyd. Praha: ČVUT v Praze, 2017. 414 s. ISBN 978-80-01-06342-2. 

• ČSN 33 0165:92 (+ změny) – Elektrotechnické předpisy. Značení vodičů barvami nebo číslicemi. Prováděcí ustanovení
• ČSN 33 0166 ed.2:02 – Označování žil kabelů a ohebných šňůr
• ČSN 33 2000 (soubor) – Elektrické instalace nízkého napětí
• ČSN 34 7410 (soubor) – Kabely a vodiče izolované PVC pro jmenovité napětí do 450/750 V
• ČSN EN 60228:06 – Jádra izolovaných kabelů
• ČSN IEC 304:96 – Normalizované barvy izolace nízkofrekvenčních kabelů a vodičů
• ČSN IEC 757:96 – Elektrotechnické předpisy. Kód pro označování barev

• Obrázky, zvuky či videa k tématu vodič na Wikimedia Commons
• Barevné značení žil kabelů
• Katalog společnosti nkt cables Archivováno 23. 10. 2010 na Wayback Machine. – informace na stranách 9, 10 a 11