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交聯聚乙烯絕緣控制和儀表電纜概說
點擊次數：1736 更新時間：2008-03-06
關鍵 控制 儀表電纜
摘要 本文簡述了交聯聚乙烯絕緣控制和儀表電纜的一般參數和規格，并提供了部分規格波阻抗計算參考值。此外還介紹了耐火型控制和儀表電纜的結構特點。
上海電纜研究所 顧問 張兆煥
一、引言
現代工程建設使用交聯聚乙烯絕緣控制和儀表電纜已是普遍的要求，由于這類電纜的交聯工藝可有多種方法選擇，對于中、小型電線電纜廠發展生產較為有利。本文簡述了這類電纜的一般參數和規格，并提供了部分規格波阻抗計算參考值。此外還介紹了耐火型控制和儀表電纜的結構特點。回顧六十年代，當時大型工程建設的自動化控制系統，都采用了傳統聚氯乙烯絕緣控制電纜和信號電纜，當時電纜的主要功能是連接繼電器、斷路器、指針式儀表和信號燈等。現代化工程建設的全面自動化和高精度控制，老一代的控制電纜和信號電纜無法滿足這些要求。新一代電纜應能滿足模擬和數字傳輸要求，所以要絕緣材料和電纜結構需有改進。另外有許多場合下電纜成束敷設，成束的電纜當然包含電力電纜，電力電纜較高的運行溫度影響到周圍電纜，即使傳輸弱電信號，電纜也應具有較高的工作溫度。還有些化工企業對耐環境腐蝕也提出一定要求。針對以上因素，交聯聚乙烯可認為是一種優選的絕緣材料，它在機械強度、電氣參數、耐熱等級和防腐能力等方面均有一定優的越性，當前很多電線電纜廠掌握了交聯聚乙烯生產技術和具備了生產條件，所以大量發展工程用交聯聚乙烯絕緣控制和儀表電纜時機已經成熟。當然這類電纜在使用上與數字通信用的對絞或星絞多芯對稱電纜常稱5號纜仍有差別，如在傳輸距離、傳播速度、工作電容、信號衰減以及導體結構等方面要求有所不同，電纜制造精度不如5號電纜嚴格。原GB 9330-88塑料絕緣控制電纜標準已不能適應上述產品要求。這類產品雖有不少工廠成批生產，但產品名稱不一致，各企業標準差異也較大，一時難以統一。IEC 189聚氯乙烯絕緣聚氯乙烯護套低頻電纜和電線是可參考的標準，但聚氯乙烯電性差，耐熱性也不及交聯聚乙烯，該標準未規定額定電壓等級含義是限用于弱電系統。IEC 92-375是船用儀表和通信電纜標準，在交流或直流60 V及以下工作，但在故障情況下也能在交流或直流250 V及以下正常工作。而這一標準的導體規格小，絕緣厚度較薄，而且不規定單元屏蔽，所以也不可等效采用。本文取用了數字傳輸控制和儀表電纜名稱以下簡稱數控電纜，是否恰當也需要討論。總之為發展這類產品，制訂新的標準是一項緊迫而重要的工作。
二、絕緣交聯方法的任選性
我國交聯電纜的發展是從電力電纜起步，以后又大量發展架空絕緣電纜，國內一開始懸鏈生產線就占有優勢。而數控電纜導體截面2.5 mm2及以下，絕緣厚度大多數在0.8 mm及以下，大型懸鏈線根本不能制造，好在其他交聯方法均可適應，并都能得到滿意的質量水平，這對中小型電線電纜廠提供了發展機會。在當前市場劇烈競爭的情況下，仍然有不少企業打算擠入這個領域。以下對于四種交聯方法作一簡單評述。
1．采用二步法硅烷交聯料工藝，幾乎不需增加投資就能做出優良的產品。采用一步法硅烷交聯料，擠塑工藝有一些難度，設備上加以改進，如改變螺桿參數或增加長徑比。如果材料廠能供應小規格一步法料，則也可解決問題。一步法的材料成本比二步法低10 以上。
2．具備電子輻照裝備的工廠，采用輻照交聯是很方便的工藝，國內現有的電子輻照設備幾乎均可滿足工藝要求，目前可輻照交聯料的供應渠道十分通暢，價格也不比硅烷交聯貴多少，輻照交聯線速度可達到每分鐘幾百米，成品質量水平很好，生產成本并不高。
3．具備高壓鍋爐的工廠，可建立水平連續硫化設備，設備投資屬一般水平，用過氧化物可交聯聚乙烯料蒸汽連續硫化工藝生產成本較低，甚至電纜廠可自行混料。
4．紫外線交聯工藝雖然國內為數很少，實際上也能解決問題，只需在擠塑機后安裝紫外燈照射交聯裝置，投資不大，目前材料價格較貴，但從其配方分析，當使用量很大時，價格必然會降低到一般水平，但生產線速度相對較低。
以上四種生產工藝各工廠可因地制宜地上馬投產。
三、用戶對數控電纜的一般要求
數控電纜在很多方面可以借鑒現行產品標準的規定，但又不可以照搬。用戶在訂貨時經常提出一些有關結構、規格、參數等問題，有關問題歸納如下：
⒈ 關于電壓等級：由于數控電纜與單純的電力電纜和通信電纜不同，既不是強電輸送，也不是信息傳播，它的電壓等級與配電系統有密切關系。通常分二級：600/1000 V級用于和配電直接有關系統；300/500 V級用于和配電間接有關系統；對于純屬儀表和通信使用的電纜，雖電壓在60 V以下，但事故情況下仍要求在250 V正常工作，因此就不必另設電壓等級。電纜線芯數，可參考IEC 189選定或按用戶要求選定，通常48對；37個3線組；24個4線組已足夠使用，這是容易做到的事。
⒉ 導體規格和結構：大多數企業標準的導體規格為0.75～2.5 mm2 ，此范圍的上、下限偏大，實用范圍可取0.35～1.5 mm2 。導體結構對于固定敷設可分單線和絞線二類，絞線應采用正規絞制，通常為7根到19根銅線絞制，原則上應鍍錫。少數場合需用半移動或移動式電纜，則采用更軟的束線結構。
⒊ 絕緣厚度0.5～0.8 mm 。其公差可與常規電纜一致。導體尺寸和絕緣厚度會影響電纜的工作電容和波阻抗等特性參數。對某些特殊參數要求的電纜還需要專項計算。
⒋ 單元的絞合是指線芯的對絞、三線組絞和四線組絞。大多數數控電纜有單元屏蔽，線芯絞合節距不需要特殊考慮。沒有單元屏蔽的電纜，相鄰對或組的絞合節距應不相等，以考慮對或組間的干擾。
⒌ 單元屏蔽應當是完善的，考慮到鍍錫銅線成本過高，通常采用鋁-聚酯復合帶或銅-聚酯復合帶繞包，特別需要注意的是引接線的允許zui小截面及其在整根長度中的連續性。沒有引接線的保證，屏蔽效應就成為未知數。對于移動式電纜的屏蔽應采用銅線纏繞結構。
⒍ 單元的絞合即成纜與普通電纜一致，不需細述。
⒎ 總屏蔽大多采用鍍錫銅線編織，但是更好的屏蔽層結構是銅帶搭蓋縱包再軋紋，其屏蔽密度超過100 。
⒏ 外護套通常為聚氯乙烯，特殊要求則用低煙低鹵聚烯烴或低煙無鹵聚烯烴等，至于內護套也是隨用戶要求而設計。
⒐ 其他特征參數（僅為參考數據）
工作電容: 1000 Hz 二芯間不大于120 nF/km
電容不平衡: 1000 Hz 二芯間不大于1000 pF/250 m
電感與電阻比: 1000 Hz 不大于 25 μH/Ω
⒑ 對稱電纜波阻抗計算參考值
表1 1000 Hz 時XLPE絕緣波阻抗計算
截面mm2 導體結構X/d 導體直徑d mm 絕緣厚度T mm 導體中心距S mm 回路電阻2R W/km 回路電容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 時XLPE絕緣波阻抗計算
截面mm2 導體結構X/d 導體直徑d mm 絕緣厚度T mm 導體中心距S mm 回路電感L mH/km 回路電容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
四、耐火控制和儀表電纜的結構特點
提到耐火電纜顯然是礦物絕緣（通常為氧化鎂）電纜zui為可靠，但這種工藝只能制造一般控制電纜，超過19芯也有困難。作為耐火電纜理應通過 IEC 331耐火燃燒試驗，采用云母帶繞包絕緣、外擠可交聯聚乙烯絕緣，這是zui常用的結構設計，不過對于單元屏蔽層結構有改進的余地。當前有些工廠在云母帶外用聚氯乙烯絕緣，燃燒時酸氣透入云母帶層間，致使絕緣電阻嚴重下降，乃至不能通過耐電壓試驗。八十年代初期日本就驗證這種性質的問題, 當時由于交聯聚乙烯還沒有很成熟，日本采用了普通聚乙烯絕緣。對于沒有總屏蔽和單元屏蔽的電纜，聚氯乙烯改成聚乙烯后，問題也就得到解決。然而包有鋁/聚酯復合帶總屏蔽或單元屏蔽的電纜問題依舊存在，原因是鋁的熔點高，在其熔化之前，它成為一道有害氣體向外釋放的屏障，微量略帶酸性的氣體透入云母帶層間，使絕緣電阻嚴重下降。日本采用鉛塑復合帶替代鋁塑復合帶，結果情況大有改善。鉛的熔點低，熔化后不構成屏障，有害氣體容易向外發散，減緩向內滲透。
五、結束語
數控電纜的應用范圍很廣，如鋼鐵、有色金屬、石油化工、大型火力發電、水力發電、核電站等等。今后新品種將會不斷地開發，并且光纖介入也是必然趨勢。當前大家zui關心的是制訂統一專業標準問題。
摘要 本文簡述了交聯聚乙烯絕緣控制和儀表電纜的一般參數和規格，并提供了部分規格波阻抗計算參考值。此外還介紹了耐火型控制和儀表電纜的結構特點。
上海電纜研究所 顧問 張兆煥
一、引言
現代工程建設使用交聯聚乙烯絕緣控制和儀表電纜已是普遍的要求，由于這類電纜的交聯工藝可有多種方法選擇，對于中、小型電線電纜廠發展生產較為有利。本文簡述了這類電纜的一般參數和規格，并提供了部分規格波阻抗計算參考值。此外還介紹了耐火型控制和儀表電纜的結構特點。回顧六十年代，當時大型工程建設的自動化控制系統，都采用了傳統聚氯乙烯絕緣控制電纜和信號電纜，當時電纜的主要功能是連接繼電器、斷路器、指針式儀表和信號燈等。現代化工程建設的全面自動化和高精度控制，老一代的控制電纜和信號電纜無法滿足這些要求。新一代電纜應能滿足模擬和數字傳輸要求，所以要絕緣材料和電纜結構需有改進。另外有許多場合下電纜成束敷設，成束的電纜當然包含電力電纜，電力電纜較高的運行溫度影響到周圍電纜，即使傳輸弱電信號，電纜也應具有較高的工作溫度。還有些化工企業對耐環境腐蝕也提出一定要求。針對以上因素，交聯聚乙烯可認為是一種優選的絕緣材料，它在機械強度、電氣參數、耐熱等級和防腐能力等方面均有一定優的越性，當前很多電線電纜廠掌握了交聯聚乙烯生產技術和具備了生產條件，所以大量發展工程用交聯聚乙烯絕緣控制和儀表電纜時機已經成熟。當然這類電纜在使用上與數字通信用的對絞或星絞多芯對稱電纜常稱5號纜仍有差別，如在傳輸距離、傳播速度、工作電容、信號衰減以及導體結構等方面要求有所不同，電纜制造精度不如5號電纜嚴格。原GB 9330-88塑料絕緣控制電纜標準已不能適應上述產品要求。這類產品雖有不少工廠成批生產，但產品名稱不一致，各企業標準差異也較大，一時難以統一。IEC 189聚氯乙烯絕緣聚氯乙烯護套低頻電纜和電線是可參考的標準，但聚氯乙烯電性差，耐熱性也不及交聯聚乙烯，該標準未規定額定電壓等級含義是限用于弱電系統。IEC 92-375是船用儀表和通信電纜標準，在交流或直流60 V及以下工作，但在故障情況下也能在交流或直流250 V及以下正常工作。而這一標準的導體規格小，絕緣厚度較薄，而且不規定單元屏蔽，所以也不可等效采用。本文取用了數字傳輸控制和儀表電纜名稱以下簡稱數控電纜，是否恰當也需要討論。總之為發展這類產品，制訂新的標準是一項緊迫而重要的工作。
二、絕緣交聯方法的任選性
我國交聯電纜的發展是從電力電纜起步，以后又大量發展架空絕緣電纜，國內一開始懸鏈生產線就占有優勢。而數控電纜導體截面2.5 mm2及以下，絕緣厚度大多數在0.8 mm及以下，大型懸鏈線根本不能制造，好在其他交聯方法均可適應，并都能得到滿意的質量水平，這對中小型電線電纜廠提供了發展機會。在當前市場劇烈競爭的情況下，仍然有不少企業打算擠入這個領域。以下對于四種交聯方法作一簡單評述。
1．采用二步法硅烷交聯料工藝，幾乎不需增加投資就能做出優良的產品。采用一步法硅烷交聯料，擠塑工藝有一些難度，設備上加以改進，如改變螺桿參數或增加長徑比。如果材料廠能供應小規格一步法料，則也可解決問題。一步法的材料成本比二步法低10 以上。
2．具備電子輻照裝備的工廠，采用輻照交聯是很方便的工藝，國內現有的電子輻照設備幾乎均可滿足工藝要求，目前可輻照交聯料的供應渠道十分通暢，價格也不比硅烷交聯貴多少，輻照交聯線速度可達到每分鐘幾百米，成品質量水平很好，生產成本并不高。
3．具備高壓鍋爐的工廠，可建立水平連續硫化設備，設備投資屬一般水平，用過氧化物可交聯聚乙烯料蒸汽連續硫化工藝生產成本較低，甚至電纜廠可自行混料。
4．紫外線交聯工藝雖然國內為數很少，實際上也能解決問題，只需在擠塑機后安裝紫外燈照射交聯裝置，投資不大，目前材料價格較貴，但從其配方分析，當使用量很大時，價格必然會降低到一般水平，但生產線速度相對較低。
以上四種生產工藝各工廠可因地制宜地上馬投產。
三、用戶對數控電纜的一般要求
數控電纜在很多方面可以借鑒現行產品標準的規定，但又不可以照搬。用戶在訂貨時經常提出一些有關結構、規格、參數等問題，有關問題歸納如下：
⒈ 關于電壓等級：由于數控電纜與單純的電力電纜和通信電纜不同，既不是強電輸送，也不是信息傳播，它的電壓等級與配電系統有密切關系。通常分二級：600/1000 V級用于和配電直接有關系統；300/500 V級用于和配電間接有關系統；對于純屬儀表和通信使用的電纜，雖電壓在60 V以下，但事故情況下仍要求在250 V正常工作，因此就不必另設電壓等級。電纜線芯數，可參考IEC 189選定或按用戶要求選定，通常48對；37個3線組；24個4線組已足夠使用，這是容易做到的事。
⒉ 導體規格和結構：大多數企業標準的導體規格為0.75～2.5 mm2 ，此范圍的上、下限偏大，實用范圍可取0.35～1.5 mm2 。導體結構對于固定敷設可分單線和絞線二類，絞線應采用正規絞制，通常為7根到19根銅線絞制，原則上應鍍錫。少數場合需用半移動或移動式電纜，則采用更軟的束線結構。
⒊ 絕緣厚度0.5～0.8 mm 。其公差可與常規電纜一致。導體尺寸和絕緣厚度會影響電纜的工作電容和波阻抗等特性參數。對某些特殊參數要求的電纜還需要專項計算。
⒋ 單元的絞合是指線芯的對絞、三線組絞和四線組絞。大多數數控電纜有單元屏蔽，線芯絞合節距不需要特殊考慮。沒有單元屏蔽的電纜，相鄰對或組的絞合節距應不相等，以考慮對或組間的干擾。
⒌ 單元屏蔽應當是完善的，考慮到鍍錫銅線成本過高，通常采用鋁-聚酯復合帶或銅-聚酯復合帶繞包，特別需要注意的是引接線的允許zui小截面及其在整根長度中的連續性。沒有引接線的保證，屏蔽效應就成為未知數。對于移動式電纜的屏蔽應采用銅線纏繞結構。
⒍ 單元的絞合即成纜與普通電纜一致，不需細述。
⒎ 總屏蔽大多采用鍍錫銅線編織，但是更好的屏蔽層結構是銅帶搭蓋縱包再軋紋，其屏蔽密度超過100 。
⒏ 外護套通常為聚氯乙烯，特殊要求則用低煙低鹵聚烯烴或低煙無鹵聚烯烴等，至于內護套也是隨用戶要求而設計。
⒐ 其他特征參數（僅為參考數據）
工作電容: 1000 Hz 二芯間不大于120 nF/km
電容不平衡: 1000 Hz 二芯間不大于1000 pF/250 m
電感與電阻比: 1000 Hz 不大于 25 μH/Ω
⒑ 對稱電纜波阻抗計算參考值
表1 1000 Hz 時XLPE絕緣波阻抗計算
截面mm2 導體結構X/d 導體直徑d mm 絕緣厚度T mm 導體中心距S mm 回路電阻2R W/km 回路電容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 時XLPE絕緣波阻抗計算
截面mm2 導體結構X/d 導體直徑d mm 絕緣厚度T mm 導體中心距S mm 回路電感L mH/km 回路電容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
四、耐火控制和儀表電纜的結構特點
提到耐火電纜顯然是礦物絕緣（通常為氧化鎂）電纜zui為可靠，但這種工藝只能制造一般控制電纜，超過19芯也有困難。作為耐火電纜理應通過 IEC 331耐火燃燒試驗，采用云母帶繞包絕緣、外擠可交聯聚乙烯絕緣，這是zui常用的結構設計，不過對于單元屏蔽層結構有改進的余地。當前有些工廠在云母帶外用聚氯乙烯絕緣，燃燒時酸氣透入云母帶層間，致使絕緣電阻嚴重下降，乃至不能通過耐電壓試驗。八十年代初期日本就驗證這種性質的問題, 當時由于交聯聚乙烯還沒有很成熟，日本采用了普通聚乙烯絕緣。對于沒有總屏蔽和單元屏蔽的電纜，聚氯乙烯改成聚乙烯后，問題也就得到解決。然而包有鋁/聚酯復合帶總屏蔽或單元屏蔽的電纜問題依舊存在，原因是鋁的熔點高，在其熔化之前，它成為一道有害氣體向外釋放的屏障，微量略帶酸性的氣體透入云母帶層間，使絕緣電阻嚴重下降。日本采用鉛塑復合帶替代鋁塑復合帶，結果情況大有改善。鉛的熔點低，熔化后不構成屏障，有害氣體容易向外發散，減緩向內滲透。
五、結束語
數控電纜的應用范圍很廣，如鋼鐵、有色金屬、石油化工、大型火力發電、水力發電、核電站等等。今后新品種將會不斷地開發，并且光纖介入也是必然趨勢。當前大家zui關心的是制訂統一專業標準問題。
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