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交联聚乙烯绝缘控制和仪表电缆概说 - 无图版
happy2003 --- 2009-03-14 19:49:35
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工程建设使用交联聚乙烯绝缘控制和仪表电缆已是普遍的要求，由于这类电缆的交联工艺可有多种方法选择，对于中、小型电线电缆厂发展生产较为有利。本文简述了这类电缆的一般参数和规格，并提供了部分规格波阻抗计算参考值。此外还介绍了耐火型控制和仪表电缆的结构特点。回顾六十年代，当时大型工程建设的自动化控制系统，都采用了传统聚氯乙烯绝缘控制电缆和信号电缆，当时电缆的主要功能是连接继电器、断路器、指针式仪表和信号灯等。现代化工程建设的全面自动化和高精度控制，老一代的控制电缆和信号电缆无法满足这些要求。新一代电缆应能满足模拟和数字传输要求，所以要绝缘材料和电缆结构需有改进。另外有许多场合下电缆成束敷设，成束的电缆当然包含电力电缆，电力电缆较高的运行温度影响到周围电缆，即使传输弱电信号，电缆也应具有较高的工作温度。还有些化工企业对耐环境腐蚀也提出一定要求。针对以上因素，交联聚乙烯可认为是一种优选的绝缘材料，它在机械强度、电气参数、耐热等级和防腐能力等方面均有一定优的越性，当前很多电线电缆厂掌握了交联聚乙烯生产技术和具备了生产条件，所以大量发展工程用交联聚乙烯绝缘控制和仪表电缆时机已经成熟。当然这类电缆在使用上与数字通信用的对绞或星绞多芯对称电缆(常称5号缆)仍有差别，如在传输距离、传播速度、工作电容、信号衰减以及导体结构等方面要求有所不同，电缆制造精度不如5号电缆严格。原GB 9330-88塑料绝缘控制电缆标准已不能适应上述产品要求。这类产品虽有不少工厂成批生产，但产品名称不一致，各企业标准差异也较大，一时难以统一。IEC 189聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套低频电缆和电线是可参考的标准，但聚氯乙烯电性差，耐热性也不及交联聚乙烯，该标准未规定额定电压等级(含义是限用于弱电系统)。IEC 92-375是船用仪表和通信电缆标准，在交流或直流60 V及以下工作，但在故障情况下也能在交流或直流250 V及以下正常工作。而这一标准的导体规格小，绝缘厚度较薄，而且不规定单元屏蔽，所以也不可等效采用。本文取用了数字传输控制和仪表电缆名称(以下简称数控电缆)，是否恰当也需要讨论。总之为发展这类产品，制订新的标准是一项紧迫而重要的工作。
happy2003 --- 2009-03-14 19:49:59
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二、绝缘交联方法的任选性
我国交联电缆的发展是从电力电缆起步，以后又大量发展架空绝缘电缆，国内一开始悬链生产线就占有绝对优势。而数控电缆导体截面2.5 mm2及以下，绝缘厚度大多数在0.8 mm及以下，大型悬链线根本不能制造，好在其他交联方法均可适应，并都能得到满意的质量水平，这对中小型电线电缆厂提供了发展机会。在当前市场剧烈竞争的情况下，仍然有不少企业打算挤入这个领域。以下对于四种交联方法作一简单评述。
我国交联电缆的发展是从电力电缆起步，以后又大量发展架空绝缘电缆，国内一开始悬链生产线就占有绝对优势。而数控电缆导体截面2.5 mm2及以下，绝缘厚度大多数在0.8 mm及以下，大型悬链线根本不能制造，好在其他交联方法均可适应，并都能得到满意的质量水平，这对中小型电线电缆厂提供了发展机会。在当前市场剧烈竞争的情况下，仍然有不少企业打算挤入这个领域。以下对于四种交联方法作一简单评述。
happy2003 --- 2009-03-14 19:50:25
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1．采用二步法硅烷交联料工艺，几乎不需增加投资就能做出优良的产品。采用一步法硅烷交联料，挤塑工艺有一些难度，最好设备上加以改进，如改变螺杆参数或增加长径比。如果材料厂能供应小规格专用一步法料，则也可解决问题。一步法的材料成本比二步法低10% 以上。
2．具备电子辐照装备的工厂，采用辐照交联是很方便的工艺，国内现有的电子辐照设备几乎均可满足工艺要求，目前可辐照交联料的供应渠道十分通畅，价格也不比硅烷交联贵多少，辐照交联线速度可达到每分钟几百米，成品质量水平很好，生产成本并不高。
3．具备高压锅炉的工厂，可建立水平连续硫化设备，设备投资属一般水平，用过氧化物可交联聚乙烯料蒸汽连续硫化工艺生产成本较低，甚至电缆厂可自行混料。
4．紫外线交联工艺虽然国内为数很少，实际上也能解决问题，只需在挤塑机后安装紫外灯照射交联装置，投资不大，目前材料价格较贵，但从其配方分析，当使用量很大时，价格必然会降低到一般水平，但生产线速度相对较低。
以上四种生产工艺各工厂可因地制宜地上马投产。
2．具备电子辐照装备的工厂，采用辐照交联是很方便的工艺，国内现有的电子辐照设备几乎均可满足工艺要求，目前可辐照交联料的供应渠道十分通畅，价格也不比硅烷交联贵多少，辐照交联线速度可达到每分钟几百米，成品质量水平很好，生产成本并不高。
3．具备高压锅炉的工厂，可建立水平连续硫化设备，设备投资属一般水平，用过氧化物可交联聚乙烯料蒸汽连续硫化工艺生产成本较低，甚至电缆厂可自行混料。
4．紫外线交联工艺虽然国内为数很少，实际上也能解决问题，只需在挤塑机后安装紫外灯照射交联装置，投资不大，目前材料价格较贵，但从其配方分析，当使用量很大时，价格必然会降低到一般水平，但生产线速度相对较低。
以上四种生产工艺各工厂可因地制宜地上马投产。
happy2003 --- 2009-03-14 19:51:01
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三、用户对数控电缆的一般要求
数控电缆在很多方面可以借鉴现行产品标准的规定，但又不可以照搬。用户在订货时经常提出一些有关结构、规格、参数等问题，有关问题归纳如下：
⒈ 关于电压等级：由于数控电缆与单纯的电力电缆和通信电缆不同，既不是强电输送，也不是信息传播，它的电压等级与配电系统有密切关系。通常分二级：600/1000 V级用于和配电直接有关系统；300/500 V级用于和配电间接有关系统；对于纯属仪表和通信使用的电缆，虽电压在60 V以下，但事故情况下仍要求在250 V正常工作，因此就不必另设电压等级。电缆线芯数，可参考IEC 189选定或按用户要求选定，通常48对；37个3线组；24个4线组已足够使用，这是容易做到的事。
⒉ 导体规格和结构：大多数企业标准的导体规格为0.75～2.5 mm2 ，此范围的上、下限偏大，实用范围可取0.35～1.5 mm2 。导体结构对于固定敷设可分单线和绞线二类，绞线应采用正规绞制，通常为7根到19根铜线绞制，原则上应镀锡。少数场合需用半移动或移动式电缆，则采用更软的束线结构。
数控电缆在很多方面可以借鉴现行产品标准的规定，但又不可以照搬。用户在订货时经常提出一些有关结构、规格、参数等问题，有关问题归纳如下：
⒈ 关于电压等级：由于数控电缆与单纯的电力电缆和通信电缆不同，既不是强电输送，也不是信息传播，它的电压等级与配电系统有密切关系。通常分二级：600/1000 V级用于和配电直接有关系统；300/500 V级用于和配电间接有关系统；对于纯属仪表和通信使用的电缆，虽电压在60 V以下，但事故情况下仍要求在250 V正常工作，因此就不必另设电压等级。电缆线芯数，可参考IEC 189选定或按用户要求选定，通常48对；37个3线组；24个4线组已足够使用，这是容易做到的事。
⒉ 导体规格和结构：大多数企业标准的导体规格为0.75～2.5 mm2 ，此范围的上、下限偏大，实用范围可取0.35～1.5 mm2 。导体结构对于固定敷设可分单线和绞线二类，绞线应采用正规绞制，通常为7根到19根铜线绞制，原则上应镀锡。少数场合需用半移动或移动式电缆，则采用更软的束线结构。
happy2003 --- 2009-03-14 19:51:53
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⒊ 绝缘厚度0.5～0.8 mm 。其公差可与常规电缆一致。导体尺寸和绝缘厚度会影响电缆的工作电容和波阻抗等特性参数。对某些特殊参数要求的电缆还需要专项计算。
⒋ 单元的绞合是指线芯的对绞、三线组绞和四线组绞。大多数数控电缆有单元屏蔽，线芯绞合节距不需要特殊考虑。没有单元屏蔽的电缆，相邻对或组的绞合节距应不相等，以考虑对或组间的干扰。
⒌ 单元屏蔽应当是完善的，考虑到镀锡铜线成本过高，通常采用铝-聚酯复合带或铜-聚酯复合带绕包，特别需要注意的是引接线的允许最小截面及其在整根长度中的连续性。没有引接线的保证，屏蔽效应就成为未知数。对于移动式电缆的屏蔽应采用铜线缠绕结构。
⒍ 单元的绞合即成缆与普通电缆一致，不需细述。
⒎ 总屏蔽大多采用镀锡铜线编织，但是更好的屏蔽层结构是铜带搭盖纵包再轧纹，其屏蔽密度超过100% 。
⒏ 外护套通常为聚氯乙烯，特殊要求则用低烟低卤聚烯烃或低烟无卤聚烯烃等，至于内护套也是随用户要求而设计。
⒋ 单元的绞合是指线芯的对绞、三线组绞和四线组绞。大多数数控电缆有单元屏蔽，线芯绞合节距不需要特殊考虑。没有单元屏蔽的电缆，相邻对或组的绞合节距应不相等，以考虑对或组间的干扰。
⒌ 单元屏蔽应当是完善的，考虑到镀锡铜线成本过高，通常采用铝-聚酯复合带或铜-聚酯复合带绕包，特别需要注意的是引接线的允许最小截面及其在整根长度中的连续性。没有引接线的保证，屏蔽效应就成为未知数。对于移动式电缆的屏蔽应采用铜线缠绕结构。
⒍ 单元的绞合即成缆与普通电缆一致，不需细述。
⒎ 总屏蔽大多采用镀锡铜线编织，但是更好的屏蔽层结构是铜带搭盖纵包再轧纹，其屏蔽密度超过100% 。
⒏ 外护套通常为聚氯乙烯，特殊要求则用低烟低卤聚烯烃或低烟无卤聚烯烃等，至于内护套也是随用户要求而设计。
happy2003 --- 2009-03-14 19:52:25
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工作电容: 1000 Hz 二芯间不大于120 nF/km
电容不平衡: 1000 Hz 二芯间不大于1000 pF/250 m
电感与电阻比: 1000 Hz 不大于 25 μH/Ω
⒑ 对称电缆波阻抗计算参考值
表1 1000 Hz 时XLPE绝缘波阻抗计算
截面mm2 导体结构X/d 导体直径d mm 绝缘厚度T mm 导体中心距S mm 回路电阻2R W/km 回路电容C mF/km 波阻抗W
0.5 7/0.30 0.90 0.6 2.10 72.4 0.055 456
0.75 7/0.37 1.11 0.6 2.31 49.0 0.060 359
1.0 7/0.47 1.29 0.6 2.49 36.2 0.064 298
1.5 7/0.52 1.56 0.7 2.96 24.2 0.070 232
2.5 7/0.68 2.04 0.7 3.44 14.4 0.075 176
表2 10 MHz 时XLPE绝缘波阻抗计算
截面mm2 导体结构X/d 导体直径d mm 绝缘厚度T mm 导体中心距S mm 回路电感L mH/km 回路电容C mF/km 波阻抗W
0.5 7/0.30 0.90 0.6 2.10 0.538 0.055 98.6
0.75 7/0.37 1.11 0.6 2.31 0.477 0.060 88.9
1.0 7/0.47 1.29 0.6 2.49 0.436 0.064 82.3
1.5 7/0.52 1.56 0.7 2.96 0.426 0.070 77.7
2.5 7/0.68 2.04 0.7 3.44 0.359 0.075 68.9
电容不平衡: 1000 Hz 二芯间不大于1000 pF/250 m
电感与电阻比: 1000 Hz 不大于 25 μH/Ω
⒑ 对称电缆波阻抗计算参考值
表1 1000 Hz 时XLPE绝缘波阻抗计算
截面mm2 导体结构X/d 导体直径d mm 绝缘厚度T mm 导体中心距S mm 回路电阻2R W/km 回路电容C mF/km 波阻抗W
0.5 7/0.30 0.90 0.6 2.10 72.4 0.055 456
0.75 7/0.37 1.11 0.6 2.31 49.0 0.060 359
1.0 7/0.47 1.29 0.6 2.49 36.2 0.064 298
1.5 7/0.52 1.56 0.7 2.96 24.2 0.070 232
2.5 7/0.68 2.04 0.7 3.44 14.4 0.075 176
表2 10 MHz 时XLPE绝缘波阻抗计算
截面mm2 导体结构X/d 导体直径d mm 绝缘厚度T mm 导体中心距S mm 回路电感L mH/km 回路电容C mF/km 波阻抗W
0.5 7/0.30 0.90 0.6 2.10 0.538 0.055 98.6
0.75 7/0.37 1.11 0.6 2.31 0.477 0.060 88.9
1.0 7/0.47 1.29 0.6 2.49 0.436 0.064 82.3
1.5 7/0.52 1.56 0.7 2.96 0.426 0.070 77.7
2.5 7/0.68 2.04 0.7 3.44 0.359 0.075 68.9
happy2003 --- 2009-03-14 19:52:49
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四、耐火控制和仪表电缆的结构特点
提到耐火电缆显然是矿物绝缘（通常为氧化镁）电缆最为可靠，但这种工艺只能制造一般控制电缆，超过19芯也有困难。作为耐火电缆理应通过 IEC 331耐火燃烧试验，采用云母带绕包绝缘、外挤可交联聚乙烯绝缘，这是最常用的结构设计，不过对于单元屏蔽层结构有改进的余地。当前有些工厂在云母带外用聚氯乙烯绝缘，燃烧时酸气透入云母带层间，致使绝缘电阻严重下降，乃至不能通过耐电压试验。八十年代初期日本就验证这种性质的问题, 当时由于交联聚乙烯还没有很成熟，日本采用了普通聚乙烯绝缘。对于没有总屏蔽和单元屏蔽的电缆，聚氯乙烯改成聚乙烯后，问题也就得到解决。然而包有铝/聚酯复合带总屏蔽或单元屏蔽的电缆问题依旧存在，原因是铝的熔点高，在其熔化之前，它成为一道有害气体向外释放的屏障，微量略带酸性的气体透入云母带层间，使绝缘电阻严重下降。日本采用铅塑复合带替代铝塑复合带，结果情况大有改善。铅的熔点低，熔化后不构成屏障，有害气体容易向外发散，减缓向内渗透。
提到耐火电缆显然是矿物绝缘（通常为氧化镁）电缆最为可靠，但这种工艺只能制造一般控制电缆，超过19芯也有困难。作为耐火电缆理应通过 IEC 331耐火燃烧试验，采用云母带绕包绝缘、外挤可交联聚乙烯绝缘，这是最常用的结构设计，不过对于单元屏蔽层结构有改进的余地。当前有些工厂在云母带外用聚氯乙烯绝缘，燃烧时酸气透入云母带层间，致使绝缘电阻严重下降，乃至不能通过耐电压试验。八十年代初期日本就验证这种性质的问题, 当时由于交联聚乙烯还没有很成熟，日本采用了普通聚乙烯绝缘。对于没有总屏蔽和单元屏蔽的电缆，聚氯乙烯改成聚乙烯后，问题也就得到解决。然而包有铝/聚酯复合带总屏蔽或单元屏蔽的电缆问题依旧存在，原因是铝的熔点高，在其熔化之前，它成为一道有害气体向外释放的屏障，微量略带酸性的气体透入云母带层间，使绝缘电阻严重下降。日本采用铅塑复合带替代铝塑复合带，结果情况大有改善。铅的熔点低，熔化后不构成屏障，有害气体容易向外发散，减缓向内渗透。
happy2003 --- 2009-03-14 19:53:08
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五、结束语
数控电缆的应用范围很广，如钢铁、有色金属、石油化工、大型火力发电、水力发电、核电站等等。今后新品种将会不断地开发，并且光纤介入也是必然趋势。当前大家最关心的是制订统一专业标准问题。 (end)
davidwdp --- 2023-03-06 10:59:57
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