电线电缆的结构与材料

电线电缆的结构与材料第一节概述一.电线电缆的产品结构组成电线电缆的结构，总体上可分为导体、绝缘层、屏蔽、和护层这四个结构组成部分、或称为结构元件、构件。导体是产品发挥其使用功能的主体构件，是传输电力或传递信息的，即在导体上要通过电流或传电磁波。光缆则以传输光波的光导纤维作为导体。绝缘层是在导体外层起着电绝缘作用的构件。即保证传输的电流或电磁波只沿着导体行进而不流向外面、导体上具有的电位（对周围物体形成的电位差，即电压）能被隔离。因此绝缘（层）是保证导体正常传输功能，又确保外界物体和人身安全的重要构件。导体与绝缘是构成线缆产品须具备的两个基本构件。至于仅有导体而没有绝缘的品种（如钢芯铝绞线、接触网导线），事实上它必须依靠加上外部绝缘（对地距离、空间间距和绝缘子）组合后才成为架空电线。这些品种的名称也略有区别，即称为架空“导体”，接触网“导”线等。护层是对产品整体特别是对绝缘起保护作用的构件。由于绝缘材料要求优良的电绝缘性能，所用材料纯度很高、杂质含量极微，往往无法兼顾其对外界的保护能力；因此对于外界（即安装、使用场合）各种机械力承受或抵抗，耐大气环境、耐化学药品，对生物或有害防止，以及减少火宅危害等都必须由各种护层结构来承担。所以，护层是电线电缆能在各种外部环境条件下长期正常工作的保证性构件。如果电线电缆使用良好的外部环境下，或者它的绝缘层材料也具有一定的机械经轼、耐气候性，则就可以没有护层。屏蔽是一种将线缆产品中电磁场与外界的电磁场进行隔离的构件；有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“电磁隔离萍”。多年来，行业中习惯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泄、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之外；还因为屏蔽层不光设置于产品外部，还置每一线对或多对数电缆的分组之间。近几十年来，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；大家对将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。二.电线电缆用材料综述从某种意义上讲，电线电缆制造业是一个材料精加工和组装的行业。一是材料用量巨大，线缆产品的制造成本中，材料的成本要占60～90％；二是所用材料的类别与品种非常多；三是材料的选用对产品的结构，制造工艺性能和使用寿命能起决定性的作用；因此在产品结构设计时必须与材料的选用同时进行。同时，电线电缆制造企业的效益也与材料的选用，生产、管理中科学地节省材料紧密相关。1.从所用材料的使用部位及功能来分，电线电缆材料可分为导电材料、绝缘材料、护层材料和屏蔽材料四大类，此外还有一些辅助材料，如矿用电缆中的垫芯材料，电力电缆中填充间隙用的材料，以及工艺过程中用的消耗材料如漆包线漆中的溶剂等。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）；但是每一大类、小类、系列以及品种的线缆产品都会有一些特殊的性能要求（特性）。例如电力系统用电线电缆对其绝缘层的总体要求是电绝缘性能好；但是用于高压电力电缆，必须强调材料能承受很高的电场强度和具有高绝缘电阻、要求tgδ很小；且要求材料中几乎没有杂质（包括气隙）；而中压电力电缆虽也有这些要求，但在程度上则可降低些；低压电线电缆则只要一定的耐电强度和绝缘电阻，而为了经济、轻便；则要求绝缘层有较好的机械性能和耐气候性（如塑料绝缘电线），使其在很多情况下可以不用护层。2.线缆产品制造中所用的材料涉及材料的类别非常广泛、品种规格（牌号）特别多，表3－1是所用材料类别的汇总表。表3－1电线电缆常用材料的各类汇总种类常用材料用于产品中何种构件备注有色金属电工用铜电工用铝铝铜合金、铝合金导体屏蔽护层○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制铠装，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。锡、银、镍导体镀层黑色金属钢带钢丝不锈钢箔护层导体中的承拉部分电缆外带有承重的吊线○1用于力缆、通信电缆、控缆的外护层铠装等。○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，可交联料聚氯乙烯聚乙烯可交联聚乙烯聚丙烯氟塑料绝缘内护套外护层中的铠装的外护套填充材料空气组合绝缘的嵌片○1聚氯乙烯，聚乙烯用于绝缘或护套，牌号，配方组成均不同，各有多种品种○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橡皮（橡胶）天然胶，天然－丁苯混合胶氯丁胶，氯化聚乙烯胶氯磺化聚乙烯胶乙丙胶硅橡胶绝缘护套填芯○1橡胶加入各种配合剂并经混炼、硫化后称为橡皮，必须有制造厂自己配制○2天然胶、天然丁苯胶、硅橡胶以不同配方用于绝缘或护套；乙丙胶只用于绝缘；氯丁胶主要用于护套，但可用于低压电线作绝缘；其余只用于护套。纸和塑料薄膜、云母带纸绝缘用于油纸电力电缆，充油电缆、纸包线隔离包带在移动橡皮绝缘电缆中作导体外隔离带聚酯薄膜聚酯亚胺薄膜绝缘用于绕包线隔离包带在移动橡套电缆中作导体外隔离带云母带绝缘护层作耐火带用，如用于绝缘内层兼有绝缘作用绝缘油，绝缘漆粘性油，不滴流混合油，高压电缆绝缘油与绝缘纸形成组合绝缘混合油，在制造车间自己配方，熬煮处理漆包线漆如聚酯、缩醛、聚氨绝缘为漆包线漆膜。制造厂可自己配制脂、环氧、聚酰亚胺等浸渍漆，硅有机、聚酰亚胺、醇酸树脂与纤维绕包组成复合绝缘石英与纤维材料石英－制成光纤光导体光缆用玻璃纤维聚酯纤维绝缘护层○1供绕包线作绝缘用○2橡皮绝缘电线作编织护层配合剂等辅助材料碳酸钙、炭黑、石墨等有几百种、溶剂、色母料等供橡胶配方作硫化剂、填充料、着色剂增塑剂等品种繁多，下面有专门介绍3.由于材料对产品的性能起着非常关键的作用，也由于材料不光涉及的知识领域广泛、品种繁多；而且，同一名称的材料由于其基料的分子结构不同分子量不同；分子量不同；混合料所用的配合剂不同，配比不同，因此，有许多牌子和配方号。结果是各种牌号的材料工艺要求不同，制成后的成品性能差异很大。所以要求生产工人必须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原料和自己配制的材料严格进行质量控制。这是线缆制造厂对生产工人的一项严格要求。第二节导体结构与材料一.电线电缆的导体结构(一)导体结构类型导体的结构包括形状，截面大小、组成、材质等，主要取决于产品的功能与应用要求。表3－2是导体结构类型的汇总表。必须指出，圆形导体是线缆产品最基本点结构，绝大多数哦品种，特别是电力系统用电线电缆大都采用各种圆形导体结构，因此将在下一小节中重点介绍。表3－2电线电缆的导体结构类型结构类型品种例备注圆形圆单线铜、铝及其合金圆单线双金属圆单线（如铝包钢线）镀层圆铜线（如镀锡）单线除了直接作为小截面电线的导体外，大部分作为绞合线芯的半成品圆绞线铜及其合金圆绞线铝及其合金圆绞线铜、铝绞线大多供各种产品作导体用，少部分作为裸导体线直接作产品用钢芯铝绞线或钢芯铝合金绞线双金属绞线或组合绞线架空导线大部分用钢芯铝绞线正在发展铝合金绞线和双金属绞线紧压型绞线紧压型铜或铝绞线交联电力电缆及架空绝缘电缆用中空圆绞线内层有Z型单绞线构成中空，或绞在螺旋管上充油电缆用，中空为绝缘油通道扇形芯（单根或绞线）三芯电缆：导体为1200扇形；四芯电缆：1000（主线芯）和600中性线）扇形粘性油和不滴流油纸电缆中采用。小截面的塑料绝缘3～4芯电力电缆也可采用单根实芯扇形铝芯线扁平型中、小截面铜、铝扁线漆包线、绕包线用大截面铜、铝排母线（汇流排）用细小截面压扁铜皮线特别饶软的电线用，铜皮线缆在中心纤维绳上构成导线，如电话耳机线同轴电缆外导体和波导管铜带纵包成管状构成铜丝编织在绝缘表面同轴电缆的线对，内导体在中心，外导体在绝缘外面。铜波导管电台、电视台大功率、高频发射用射频电缆异型双沟型铜接触线，葫芦型钢铝接触线电气化铁道，城市工矿和电车、地铁用非金属导体光导纤维传输光波用导电石墨浸涂纱芯导线导电塑料导线汽车点火线，音响耳机线等用(二)圆绞线结构1.绞线结构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圈绕和拉开；截面较大的导线如果不采用较小直径的的单线绞制而成，则线缆产品将无法生产和使用。不同的使用状况和条件要求电线电缆又不同的柔软度，即可弯曲或扭曲性能。为了保证弯曲时，较硬的导线产生的应力不损伤较软的绝缘，设计了多种以柔软度不同为特征的导线结构。表3－3是标准规定的7种导线结构，从表中可见：同一导线截面时，单线的根数和直径是最重要的结构参数；即单线直径愈细（根数必然愈多），导线自身的柔软度愈好（对同一种导线材料）。表3－3中所列的7种导线结构类型中，铜线和铝线的第Ⅰ种结构用得最多，主要用于电力电缆和供配电用的绝缘布线（B系列），裸铜、铝绞线等产品。铜线第Ⅱ种结构用于要定期更换敷设场合的产品，如橡皮电力电缆铜线第Ⅲ～Ⅳ二种结构多用于通用橡皮电缆、橡皮橡套软线、安装线等。铜线第Ⅴ种结构用电焊机电缆、矿用电缆，以及要求特别柔软的各种电器、仪表连接线等。2.导线绞合方式多根导线组合成电线电缆的导线时必须经过绞合，绞合的方式有正规绞、非正规绞合（束绞）和复合绞合三种。(1)正规绞合正规绞合采用直径相等的单线，按同心式排列，分几层绞成；每一层单线根数是固定的。即在中心层为1根单线时，第m曾对单线根数为6（m－1）即中心层为1根的导线第1层为6根、第2层为12根，以此类推；即中心到外，依次为1＋6＋12＋18＋24……。导线中的单线总根数为：n=1＋3m（m+1），m为层数。表3－3导电线芯（单线根数/单线直径，mm）和计算外径单线标称截面mm2铜导电线芯结构铝导电线结构第Ⅰ种固定敷设的电线电缆用第Ⅱ种固定敷设时要求柔软的电线电缆用第Ⅲ种移动电线电缆用第Ⅳ种频繁移动的电线电缆用第Ⅴ种特别柔软的电线电缆用第Ⅰ种固定敷设的电线电缆用第Ⅱ种特别柔软的电线电缆用结构外径结构外径结构外径结构外径结构外径结构外径结构外径0.07/0.050.11250.031/0.200.207/0.070.210.061/0.300.37/0.100.3015/0.070.330.121/0.400.407/0.150.4530/0.070.450.201/0.500.507/0.200.6012/0.150.6256/0.070.610.301/0.600.607/0.230.6916/0.150.7177/0.070.870.401/0.700.707/0.260.7823/0.150.9049/0.100.840.501/0.800.807/0.300.9016/0.200.9428/0.151.0163/0.101.000.751/0.970.977/0.371.1119/0.231.1542/0.151.2691/0.101.301.001/1.131.137/0.431.2919/0.261.3032/0.201.4156/0.151.311/1.131.131.501/1.371.377/0.521.5619/0.321.6048/0.201.7184/0.151.871/1.371.372.001/1.601.607/0.601.8049/0.232.0764/0.202.10112/0.152.121/1.601.602.501/1.761.7619/0.412.0549/0.262.3477/0.202.49133/0.152.251/1.761.764.001/2.242.2419/0.522.6049/0.322.8877/0.263.24126/0.203.001/2.242.246.001/2.732.7319/0.643.2049/0.393.5177/0.323.99189/0.203.691