绝缘资料 _化工资料-线缆产品的结构与材料总论

绝缘资料 _化工资料-线缆产品的结构与材料总论

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　　一、线缆产品的结构与材料总论

　　一　线缆产品的结构组成　电线电缆产品绝大多数是截面　（横断面）　形状完全相同　（忽略因制造而产生的误差）　、　呈长条状的产品，这是由于在系统或设备中是作为构成线路或线圈而使用的特征所决定的。　所以研究分析线缆产品的结构组成，只需从其截面来观察分析。　电线电缆产品的结构元件，总体上可分为导线、绝缘层、屏蔽和护层这四个主要结　构组成部分以及填充元件和承拉元件等。　根据产品的使用要求和应用场合，　有的产品结构极　为简单，只有导线一个结构件，如架空裸导线、接触网导线、铜铝汇流排（母线）等；这些　产品的对外电气绝缘是依靠安装敷设时用绝缘子和空间距离（即利用空气绝缘）来确保的。　１，　导线　导线是产品进行电流或或电磁波信息传输功能的最基本的必不可少的主　要构件。导线是导电线芯的简称，用铜、铝等导电性能优良的有色金属制成。近三十多年来　迅速发展起来的光通信网络用的光缆，则以光导纤维作为导线。　２，　绝缘层　是包覆在导线外围四周起着电气绝缘作用的构件。即能确保传输的电　流或电磁波、光波只沿着导线行进而不流向外面，导体上具有的电位（即对周围物体形成的　电位差、即电压）能被隔绝，即既要保证导线的正常传输功能，又要确保外界物体和人身的　安全。导线与绝缘层是构成线缆产品（裸电线类除外）必须具备的两个基本构件。　３，护层　当电线电缆产品安装运行在各种不同的环境中时，必须具有对产品整体　特别是对绝缘层起保护作用的构件，这就是护层。　因为要求绝缘材料具有优良的各种电绝缘性能，则必须要求材料的纯度极高、杂质　含量极微；往往无法兼顾其对外界的保护能力，所以对于外界（即安装、使用场合和使用中　的）各种机械力的承受或抵抗力、耐大气环境、耐化学药品或油类、对生物侵害的防止，以　及减少火灾的危害等都必须由各种护层结构来承担。　许多专用于良好外部环境（如清洁、干燥、无机械外力作用的室内）中的线缆产品，　或者绝缘层材料本身具有一定的机械强度、耐气候性的产品，就可以没有护层这一构件。　４，　屏蔽是一种将电缆产品中的电磁场与外界的电磁场进行隔离的构件；　由的线缆产　品在其内部不同线对　（或线组）之间也需要相互隔离。可以说屏蔽层是一种“电磁隔离屏”　。　多年来，行业中习惯于把屏蔽层作为护层结构的一部分，作者认为应该单独作为一　个构件。　其原因是除了屏蔽层的功能是电磁隔离——即线缆产品中传递的信息不外泻、　不对　外界仪器仪表或别的线路产生干扰；外界的各种电磁波也不会通过电磁耦合进入线缆产品　中，这些功能要求与传统的护层功能不同。还因为屏蔽层不光设置于产品的外部，还置于每　一线对或多对数电缆的分组之间。近十几年来，随着信息传递系统用电线电缆的快速发展，　以及大气中存在的电磁波干扰源越来越多，　促使有屏蔽结构的品种成倍增长，　大家对屏蔽层　作为线缆产品中的一个基本构件的认识，已趋于认同。　５，填充结构　很多电线电缆产品是多芯的，如低压电力电缆多数是四芯、五芯电　缆（适用于三相系统），市内电话电缆更是有　８００　对、１２００　对、２４００　对至　３６００　对。将这些　绝缘线芯或线对成缆（或分组多次成缆）后，一是外形不圆整，二是绝缘线芯间留有很大空　隙（见图　１），因此必须在成缆时加入填充结构，填充结构是为了使成缆外径相对圆整以利　于包带、挤护套，也为了使电缆结构稳定、内部结石，在使用中（制造和敷设中拉伸、压缩　和弯曲时）受力均匀而不损坏电缆的内部结构。

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　　２－４　芯低压电力电缆成缆时的间隙示意图　因此，填充结构虽是辅助结构，但也是必要的，其材料选用及形状设计上也有详细　的规定。　６，　抗拉元件　传统的电线电缆产品是利用护层的铠甲层承受外界拉力或自重引起的　拉力的。典型的结构是钢带铠装和钢丝铠装（如海底电缆要用ф８ｍｍ　的粗钢丝，绞合成铠装　层）。但光纤光缆为了保护光纤不受细小的拉力，以免光纤有细微的变形而影响传输性能，　就在光缆结构中设置了一次、　二次被覆和专用的抗拉受力元件。　此外如手机耳机线采用细铜　丝或薄铜带绕在合成纤维丝上外挤绝缘层的结构，这合成纤维丝就是抗拉元件。总之，在近　年来开发的特种细小、柔软型，同时要求多次弯、扭曲使用的产品中，抗拉元件起着

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主要的　作用。　二、电线电缆用材料综述　１，　从某种意义上讲，电线电缆制造行业是一个材料精加工和组装的行业。一是材　料用量巨大，线缆产品中的材料费用要占制造总成本的　６０－９０％；二是所用材料的类别、品　种非常多，性能要求特别高，如导体用铜，要求铜的纯度要在　９９．９５％以上，有的产品要采　用无氧高纯铜；　三是材料的选用会对制造工艺、　产品的性能以及使用寿命起到决定性的影响．　同时，线缆制造企业的效益也与材料的选用、加工和生产管理中能否科学地节省材料密切相　关．　因此，在设计电线电缆产品时必须与材料的选用同时进行，一般采取选用几种材料，通过工　艺和与性能筛选试验后确定。　２，　线缆产品用材料按其使用部位与功能、可分为导电材料、绝缘材料、护层材料、　屏蔽材料、填充材料等。但其中有些材料是几个结构件通用的，如屏蔽用的铜丝、铜带同样　是导体用电工铜。尤其是热塑性材料，如聚氯乙稀、聚乙烯等只要改变部分配方成份就可用　在绝缘或护套上。　３，　线缆产品制造中所用材料涉及的门类非常广泛，品种规格（牌号）特别多，表　１　是列出了主要材料类别的汇总表。　表　１　电线电缆常用材料汇总表　种类　有色金属　常用材料　电工用铜、电　工用铝、铝铜　合金、铝合金　铅　锡、银、镍　用于产品中何种构件　导体　屏蔽　护层　护层　导体镀层　备注　①行业中年用铜量　５０　万吨以上，　用　铝量　２０　万吨以上。主要用于导体。　②铜线在护层中用于船用电缆等橡　套软电缆编织铠装，高压单芯电力　电缆作加强层　③铅、　铝热挤内护套用于油纸电缆、　充油电缆。皱纹铝护套用于高压交　联电缆。　黑色金属　钢带、钢丝、　护层、导体中的承拉　不锈钢箔　部分、电缆外带有承　重的吊线　②在钢芯铝绞线、铜铝电车线铝包　钢丝等导体中作承拉构件，也起导　①用于力缆、通信电缆、控缆的外　护层装铠等

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　　电作用　③自承式电缆中用钢绞线吊住电缆　热塑性材料，　可交联料　聚氯乙稀、氯　乙稀、可交联　聚乙烯、聚丙　烯、氟塑料　绝缘、内护套、外护　层中铠装的外护套、　充填材料、空气组合　绝缘嵌片　①聚氯乙稀、聚乙烯用于绝缘或护　套，牌号，配方组成均不同，各种　多种品种　②多芯电力电缆，用聚丙烯薄膜或　塑料充填空隙　③空气组合绝缘主要用于同轴式电　缆　４，　由于线缆产品的使用功能、应用环境、使用条件千变万化，因此虽然对某一类　材料有其基本的性能要求（共性），但是各个系列、品种的产品都会有一些特殊的性能要求　（特性）。例如电力系统用的电线电缆对其绝缘层的共性要求是电绝缘性能高。如用于高压　电力电缆的，　必须强调材料能承受很高的电场强度，　具有很高的绝缘电阻、　要求介质损耗小，　且要求绝缘层中几乎没有杂质（包括气隙）。而中压电力电缆（６－３５ｋｖ）虽也有这些要求，　但在程度上可降低不少。　至于低压电线电缆只要求有一定的耐压强度和绝缘电阻，　而为了经　济、轻便，则要求绝缘层有较好的机械性和耐气候性，使其在很多情况下可以不用护层（例　如聚氯乙稀塑料绝缘电线）。　５，　由于材料对产品的性能起着非常关键的作用，也由于众多门类的材料涉及广泛　的知识领域，同一名称的材料由于基料的分子结构、分子量分布不同，混合料用的配合剂不　同，配比不同，因此有许多的牌号和配方。结果是各种牌号的材料其工艺条件有差异，制成　后的成品性能差别很大。所以线缆制造企业必须要求生产工人熟悉本工序常用材料的特性，　严格执行工艺操作规程，要求检验部门加强对进厂材料和自己配制的材料严格质量控制。

　　二、浅谈线缆产品的导线结构

　　导线的结构除了导线用材料的品种与材质外，主要指其截面的大小和组成、形状等。电线电　缆的绝大多数产品采用圆形导线结构，　因为在长条状产品中圆形截面是结构最稳定、　在相等　截面时周长最短（可以省料）的几何形状；所以圆形导线是线缆产品的基本结构。这一些有　其他形状要求的导线，本文也将适当介绍。　一，　导线的基本结构——圆形　１，　单圆线　主要的品种有铜单线、铝单线及铜铝合金线，以导线直径为结构参数，范　围从　０．０１ｍｍ　至　３．００ｍｍ。圆单线除一部分直接作产品使用外，绝大部分是将单线绞制　成多根绞线而使用的半成品。　除单一材质的圆单线外还有复合型圆单线。常用的有双金属圆单线，如铝包钢线（铝导　电率高，钢线抗拉力强）、铜包铝线（铜导电率高，铝轻）和镀层单线，如镀锡铜线，镀镍　铜线。　２，　圆绞线　电线电缆是大长度的产品，在生产、安装和使用中要经受多次的卷绕和拉　开，　较大截面的导线如果不采用将小直径的单线绞制成一定截面的绞线，　产品将无法制造和　使用。不同的使用状况和条件要求电线电缆具有不同的柔软度——即可弯曲或可扭曲

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性能。　因此对各类产品用的绞线在柔软度等方面有着不同的要求，所以在导线的标准中规定了　７　种导线结构，表　１　是标准规定的导线结构。　表　１　导线线芯（单线根数／单线直径，ｍｍ）和计算外径（ｍｍ）　由表　１　可见，　材料相同截面相等的导线可采用几种结构组成，　即单线的根数和直径不同，

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　　在相同截面时单线根数愈多（单线直径愈细），导线的柔软度愈高。　圆绞线的结构参数是导线截面积（以　ｍｍ２　表示），单线根数和单线直径（ｍｍ）、绞　合节径比等。　３，　圆绞线的派生结构　（１）紧压型圆绞线　在导线绞合过程中，采用紧压轮等方式将绞线进行紧压，使导体在截　面中占积率达到　９０％左右。一是将导线表面的凸出形状压平些，有利于中高压交联聚乙烯　电缆挤包很薄的（０．５－１ｍｍ），内半导体层（均匀电场用）时，不易刺破。二是使单线　间空隙减小。　（２）设有内空槽的圆绞线　内槽直径一般为　１４—１８ｍｍ，有二种产品需要，即充油电缆　作为油流动的油槽，　大电流电缆作为通气体或液体进行内冷却的通道　（可以增大通电容量）　。　充油电缆的导线一般采用　Ｚ　行或弓形单线绞制成环状的截面，也可将圆单线绞成螺旋管外　而成。作为内冷型强迫冷却的内孔槽则采用密封的金属管。　（３）扇形导线　是中低压　３—４　芯油纸绝缘电力电缆（１－１０ｋｖ）采用的导线结构，是为　了使纸包绝缘后绝缘线芯成为　３　根　１２０°的形状，　在成缆时绞成圆形　（四芯电缆为三根　１００　°，中性线　６０°的扇形），以大量节约外层材料。线已很少使用。　二，其他形状的导线结构　１，　扁平型线材和板材　将导体制成宽度比厚度大很多倍的扁平形状的长条状产品称为扁线　或板材。扁线主要用于漆包线、绕包线，以适应中型、大型乃至特大型电机、变压器嵌线提　高槽满率的需要。而板材除了开关柜中使用外，主要作为发电厂、变电站以及大型制造车间　中供应大电流的汇流排（又称母线）使用。特大型的（截面几千平方毫米）母线可以制成槽　形。母线属于裸导体制品，安装时必须加上绝缘子等来绝缘。　扁线和板材的结构参数是截面积、宽度、厚度以及四个角的弧度。　２，同轴电缆的导线结构　作为信息传输用的同轴电缆以“一对”为一个工作回路，其内导　线均为圆单线，而外导体必须呈同心圆的外圆似的包围在外面，内、外导体要保持同心圆必　须依靠支撑，　因此外导体的结构必然与支撑结构密切相关。　如外导体采用较硬的铜带纵包成　圆管状，并纵向轧成螺纹以利于弯曲，则支撑可采用嵌片式绝缘支撑，如支撑采用实芯或像　藕状的中孔或泡沫塑料绝缘，则外导体可采用铜丝绕包、编织等结构。通常，中同轴电缆采　用嵌片式绝缘而小同轴或微同轴电缆一般采用编织或绕包铜线的外导体结构。　３，异型导体　即横截面采用一些特殊形状的导体，一般是作为电机、开关中作为导体元件　用的，如电机中的换向器材料、开关中的闸刀刀头元件等。但接触网导线中除了采用较粗的　圆铜杆作导线外，也有制成葫芦型、双沟型等形状的产品。　４，　非金属导体　如光缆中的光纤，汽车点火线和音响耳机线等用的导电塑料导线或导电石　墨浸涂的纱芯导线等。　三，　圆绞线的绞合方式　由多根相同直径的圆单线绞合成各种截面的圆绞线通常采用下列三种绞合方式：　正规绞　合、非正规绞合（束绞）和复合绞合（复绞）。一些特殊产品的导线也有采用不同直径的单　线等结构，本文从略。　１，正规绞合　正规绞合的圆绞线有几个特征：①单线直径相同；②中心层为　１　根单线、第　一层为　６　根，以后每层增加　６　根，即　１＋６＋１２＋？？？？？？；③每一根单线的绞合方向相反，　但规定最外层必须是右向（Ｚ　向），目的是有利于两段导线相连接。所以正规绞合的导线结　构最稳定，利于弯、扭、绞合外径最小、外形圆整，切断绞线时、单线不会外弹松股。因此　被电力系统用电线电缆广泛采用，即表　１　中的Ⅰ、Ⅱ种导线结构。　２，束绞　对于要求柔软性优良的电线电缆用导线必须采用表　１　中Ⅲ—Ⅴ类导线结构。特征　是：导线根数最多（最多达　２００　根以上）、单线直径丝（最细达　０．０５ｍｍ　左右），而且　必须采用束绞和复绞的绞合结构。　束合绞合（束绞）的方法是将几十根细单线不分层通过一个小圆环束合在一起，然后朝同一　方向扭绞（类似于棉纱的并线后扭绞），通过并线模成形。束绞的导线外径不是很严格的，　外形也只能近似圆形，但由于单线间相对松动、单线细，因此更为柔软，在挤或包制绝缘时

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　　基本上能控制产品的外形为圆形。　３，复绞　对于要求产品特别柔软而导线截面又较大时则必须采用复绞，如导线截面为　１８５ｍｍ２　的矿用电缆，其导线组成为　２５６２／

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０．３。　复绞即先将几十根单线束成股线，再将多个股线按正规绞合的方式绞制成导线。有时还　要采用二次复绞，即将　７—１９　根束绞线绞成“大股”，再将“大股”作为单线绞合。　图　１　是复绞导线的截面图。

　　四，绞线的技术参数　绞线工艺中必须控制几个重要的工艺参数，实际上就是绞线结构的技术参数，在产品设　计时必须做出规定并由工艺文件执行。主要技术参数有：节径比、绞入率、绞向。　１，节径比　绞线是外层单线以螺旋形方向绞到内层外表面上去的（见图　２），如将其中任　何一根单线展开，就可看到单线的螺旋上升角α（称为绞入角）；单线沿内层导线绕一周的　长度　Ｌ；图中的π　Ｄ’表示以该层单线中心线为准的圆周长度，Ｄ’为圆周的中心直径；ｈ　是绞合时单线绕一周时沿中心线方向前进的距离，称为绞合节距。

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　　将这一层单线的绞合节距除以绞线直径的比值称为“节径比　ｍ”，是导线绞合中最主要的　工艺参数，有可比性。　理论上，计算节径比应以该层单线的中心线直径　Ｄ’为准（称为理论节距比）；但为了　实用方便，则可按该层绞线的实测外径　Ｄ　计算（称为实用节径比）。实用节径比的计算式　如下：　（ｈ、Ｄ　的单位为　ｍｍ）　节径比大，即绞入角大，反映了绞合程度小，反之则绞合程度大。节径比小的导线，绞　合较紧，结构较稳定，导线柔软、弯曲性好，但生产速度慢。因此，产品标准中，对于导线　的绞合节径比，都有一个规定的范围。　２，绞入率　在绞线的一个节距长度上，单线展开长度与绞线节距之比，称为绞入系数，以　百分率表示称为绞入率。　绞入率主要用于生产组织和材料用量计算。　３，填充系数　导线中所以单线截面之和与导线轮廓截面积之比称为填充系数η，数值总小　于　１。则（１－η）表示导线截面中的空隙比例。中心为一根的正规绞合导线，η约为　０．７５．　有些产品如交联聚乙烯电力电缆，防水密封电缆的导线。要采用深度紧压型导线，η可　提高至　０．８９－０．９２。填充系数大的导线，在水汽等透过绝缘时，因单线间气孔形成毛细孔　状态，可以阻止水汽等向两侧扩展，阻止外来损害的延伸。导线紧压后，单线特别是最外层　的单线变形较严重，但导线表面圆形程度更好。紧压导线与未紧压相比时显得稍硬。　４，绞向　单线绞合时只有两种绞合方向，即左绞方向（ｓ　向）和右绞方向（ｚ　向）。正规　绞合结构中规定相邻两层单线必须采用不同的绞向；即第一层为左向，则第二层为右向，交　换绞向的目的是为了结构稳定，断开导线时不会发生散开。

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