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          線纜產品中的屏蔽、填芯與抗拉元件

          在前面幾篇基礎知識講座中已經論述,在近2000種線纜產品中,導線是必不可少的結構元件而絕緣層是保護導線傳遞信息或傳輸電力的另一結構元件(裸導線類產品是在安裝時才設置外部絕緣器件的)。為了保證產品能在各種外部環境中長期安全運行,大多數的產品還必須配置各種結構組成的保護層。除此之外,不少產品還應該根據產品結構的需要,分別配置有屏蔽結構、填充芯結構或抗拉結構元件,以保證產品能達到其設計的功能要求或保證其在使用中自身的機械防護性能。本文將分別介紹。

          必須指出,這三種結構元件雖然不是全部產品品種需要,而且似乎與導線的傳輸性和絕緣層的絕緣性能無直接關系,但是絕不應把它們看作是不重要的元件,對于設計應具有這三種結構元件的產品來說,它們也是必須的主要結構元件,且這些品種的產品多數是十分主要的產品。

          一、屏蔽結構與材料

          在線纜產品中所采用的屏蔽層,實際上有兩種完全不同的概念。一類是傳輸高頻電磁波(如數據傳輸用的電話線纜、電子線纜、射頻線纜等)或微弱電流(如信號、計測、控制用電纜)的產品,為了阻攔外界電磁波的干擾,或者防止線纜產品中的高頻對外界產生干擾,以及各線對之間相互干擾或防止外界竊聽產品中傳輸的信息,因此而設置了各種屏蔽結構。此類結構可稱為電磁屏蔽。

          另一類是在中高電壓下傳輸大電流的電力電纜、礦用電纜、機車車輛電纜等,為了均衡導線表面的絕緣外表面的電場而設置的結構,可稱為電場屏蔽。嚴格來說,電場屏蔽層沒有“屏蔽”的作用,僅是設置在導線表面或絕緣外表面的電場均衡層(等電位面),以保證導線與絕緣間的空隙中,或絕緣外表面與外包的結構件中的空隙中不會發生局部放電。實際上,電場均衡層雖然也是必須的,有嚴格的技術要求,但其結構比較單一。

          (一)電磁屏蔽的結構與材料

          1,電磁屏蔽層對于來自外部的干擾電磁波起著三方面的作用。即吸收能量(渦流損耗)、反射能量(電磁波在屏蔽層的界面反射)和抵消能量(電磁波在屏蔽層上產生反向電磁場,能抵消部分干擾電磁波)的作用,從而起著減弱干擾電磁波的作用。屏蔽層的效果與干擾電磁波的頻率有關,頻率愈高屏蔽效果愈好。對直接處于高壓架空導線下距離較小(電場距離已滿足)而需要屏蔽層的線纜產品,因受到工頻電流產生的低頻強電磁場干擾,屏蔽結構最為復雜。

          2,屏蔽結構舉例

          (1)銅帶屏蔽將軟銅帶搭蓋式繞包在成纜芯線外,銅帶厚度取決于成纜前直徑和電纜自重。

          (2)銅絲編織即將軟的細銅絲(也可鍍錫)編織在絕緣線芯、線對或成纜芯外,編織密度(覆蓋率)在50-90%之間。編織屏蔽結構穩定、成品彎曲性好、省料。缺點是編織速度太慢,影響了它的應用范圍。

          (3)金屬復合薄膜搭蓋繞包或縱向搭蓋于成纜芯外,此種結構覆蓋率大(可達100%),屏蔽效果好。如室內通信電纜廣泛應用。

          (4)綜合屏蔽結構即采用不同形式的屏蔽結構應用。如用銅帶繞包加一襯墊帶后在包一層薄的軟鋼帶,銅帶是非磁性材料而鋼帶為磁性材料,兩者組合能屏蔽多種電磁波(如高頻、低頻、強磁性電磁波等)。另一種是包在鋁箔后縱向放置1-4根細銅絲,銅絲的作用是增加屏蔽的傳導作用,此種輕型結構常用于要求柔軟的電線電纜。

          (5)分屏加總屏結構即將一根、一組或每個線對單獨用鋁箔或銅絲編織屏蔽,多線芯組成纜后再加總屏蔽的結構,適用于要求線對或分組線芯之間互相屏蔽又對外界有總屏蔽要求的電線電纜。

          (6)為適應通信系統傳輸PCM脈碼調制信號的需要,可將電話電纜中的所有線對,用金屬涂塑帶分隔為兩組,起到內屏蔽的作用,稱為隔離式屏蔽。

          (7)其他由于使用要求的發展,屏蔽結構還在發展中。例如用細銅絲(直徑小于0.1mm)或扁平銅絲密繞的屏蔽,用于屏蔽要求高的柔軟電線(如音響、話筒線)。對于薄絕緣型的細直徑電線可采用在絕緣表面鍍銅的方式等。

          3,電磁屏蔽用材料

          應采用高導電率的軟質銅、鋁、軟質鋼等制成的帶材、絲、箔以及涂塑復合材料。對要求抗強磁性干擾的產品,應采用高導磁材料,如軟的低碳鋼帶(單獨使用或與軟銅帶重疊使用)——見上文之第(4)種綜合屏蔽結構。

          (二)電場屏蔽的結構與材料

          1,中壓(一般指相電壓在1.8kv及以上)電力電纜等產品,導線表面的電場強度很高,但絞合導線表面總會有局部的凸起和凹陷,這就會引起局部的氣隙擊穿(游離放電),為此在導線表面應包上一薄層半導電材料來均勻電場,即從一個外表面光滑、等直徑的等電位面將內部的間隙抱住,外表面與絕緣內層緊密接觸。同樣,緊貼絕緣表面包上一薄層半導電層形成了一個外等電位面,便于和外面搭蓋繞包的銅帶接觸并形成同一個電位(零電位)。銅帶層兼作電場屏蔽和一旦發生短路時通過回流電流用。

          2,半導電層可以采用帶材繞包,但近年來都采用與絕緣相同的基料加入導電材料的擠包結構,使電場均衡的效果更好。同時尺寸小,可以用三個機組串聯在一條生產線上,依次連續擠出。半導電材料的體積電阻應盡量小,應在102-104Ω·cm范圍內。外半導電層要易于剝離,便于制作電纜接頭。金屬屏蔽層可采用銅帶(厚度0.1-0.12mm)搭蓋繞包1-2層,或用銅絲繞包構成。

          3,圖1為直流高壓(110kv-220kv)X-射線機用電纜截面圖,圖2為屏蔽監視型采煤機用橡套軟電纜的截面圖。這是兩種特殊的、兼有電磁屏蔽和電場屏蔽要求的品種。圖1中的1,5為電場屏蔽層,6為電磁屏蔽層,圖2中的4為內屏蔽,7為外屏蔽,兼有電磁屏蔽與電場均衡的作用(因礦用電纜只有1140伏)。

          二、填充結構與材料

          1,多芯電纜成纜時,在各絕緣線芯間必然會有很大的空隙,特別是電力、礦用、船用電纜等傳輸電力用的絕緣外徑較大的電纜。為了使成纜外徑相對圓整以利于包帶,擠護套,也為了保證產品在制造、使用中結構穩定,內部結識,必須在空隙中填充結構元件。

          2, 電力電纜的填充常用二種方法,一是纖維帶并合填充,填充量按計算出的間隙面積配置;二是用預制成帶兩個凹圓弧的扇形發泡塑料條填充。

          線纜產品中的屏蔽、填芯與抗拉元件

          3,多芯移動式像套電纜成纜后的填充,一般只填中心部位,外側的幾個間隙一般是擠橡套時直接嵌入。其原因是橡套電纜成纜后一般不加包帶,也不會采用硬的鎧裝層,而橡皮比塑料要柔軟有彈性。中心填充可采用橡皮條,麻繩或合成纖維條。但礦用電纜因要承受很大積壓或沖擊力,對中心填充的要求很高,必須預制馬鞍型的填芯,而且必須用含膠量很高的橡皮。圖3是礦用電纜的成纜結構與填芯形狀圖,絕緣線芯周圍的空隙由護套橡皮擠出填充密實。

          4,填充材料有:黃麻、棉紗、橡皮條、塑料條和聚丙烯撕裂薄膜條等。主要要求是用非吸濕材料,對絕緣材料無影響(指不起化學反應),價廉等。目前電力電纜主要用于聚丙烯撕裂薄膜條和泡沫交聯聚乙烯預制條,橡套電纜用黃麻或橡皮條。

          三、抗拉元件

          1,抗拉元件這一結構件的名稱是隨著光纜產品品種的大量應用而正式出現的,作者認為線纜產品的結構元件中應該正式列入“抗拉元件”這一結構件,與屏蔽結構、填充元件并列。事實上,線纜產品在制造、安裝敷設以及使用過程中,肯定會承受到不同類型和不同程度的機械力,諸如縱向拉力、徑向拉力、以及彎曲、伸展時內應力,還有側壓力、扭曲力等等。對于固定敷設在室內的小、中型產品,以及移動使用的像套、塑料護套電纜,一般在材料選用,絕緣厚度以及護套的強度、柔軟度方面已充分考慮(包括填充結構),因此通常不必專門設置抗拉結構件。

          2,對于固定敷設在地下(直埋)、電纜溝、隧道、豎井以及敷設在水中(如過江電纜、海底電纜)的電力通信、控制電纜,因其可能受到較嚴重的外力,因此在外護層中設置了鎧裝層。在鎧裝結構中,鋼絲鎧裝結構主要是承受拉力的,同時兼具抗徑向壓力的,如垂直敷設在礦井中(豎井中)以及斜井中,懸浮于水中(即使在水底、實際上也是懸浮狀態),必須由鋼絲來承受電纜的自重以及敷設過程中很大的拉力,以保護導線和絕緣及內護套等基本上不受到拉力而發生延伸。因此,產品標準中規定了單鋼絲鎧裝,雙鋼絲鎧裝以適應可能承受的不同拉力或自重,而且每根被絞合的鎧裝鋼絲直徑也隨鎧裝前電纜的外徑而增大。目前,最粗的單根鋼絲直徑達8mm(主要用于海底電纜)。

          但是由于鋼絲鎧裝作為外護層結構中的一部分,因此并不把它們稱為“抗拉結構件”。同時,使用量極大的鋼芯鋁絞線中的鋼芯,也是為了承受懸掛自重而產生的拉力(在兩個電桿中,架空線因自重而中間成弧形下垂,產生側拉力)。因此,同一導線截面的產品,有3-4種截面的鋼絞線規格以適應不同電桿間距的敷設要求,這是典型的抗拉結構件,但過去的習慣,因沒有“抗拉元件”的分類名稱,所有也沒有命名。

          3,光纜這一類產品出現后,因光纖很細,又絕對不能因受拉力而變形(伸長、變細、甚至斷裂),所以在結構中必須設置抗拉結構來保證產品的性能與使用壽命,使“抗拉元件”在所有的光纜產品中成為必不可少的結構元件。圖4是幾種常用的光纜產品結構的截面圖。

          4 , 實際上,一些特多細小的電線中,為了保證產品在使用中不被拉斷,在產品結構中也設置了各種抗拉元件。例如常用的電纜耳機線(俗稱“軟繩”),就是將四根導線壓成薄條帶間隔平繞在一根纖維繩上,再擠包軟塑絕緣和護套;又如小型攜帶式電器(如手機、小型收錄機)用的耳機線,則采用導電石墨浸涂在一根纖維芯上制成,使其非常柔軟、細小而又有一定的強度。這些產品中的纖維繩芯就是“抗拉元件”。

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