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交聯(lián)聚乙烯絕緣控制和儀表電纜概說
點擊次數(shù)：1562 更新時間：2008-03-06
關(guān)鍵 控制 儀表電纜
摘要 本文簡述了交聯(lián)聚乙烯絕緣控制和儀表電纜的一般參數(shù)和規(guī)格，并提供了部分規(guī)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(jié)構(gòu)特點。
上海電纜研究所 顧問 張兆煥
一、引言
現(xiàn)代工程建設使用交聯(lián)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(lián)工藝可有多種方法選擇，對于中、小型電線電纜廠發(fā)展生產(chǎn)較為有利。本文簡述了這類電纜的一般參數(shù)和規(guī)格，并提供了部分規(guī)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(jié)構(gòu)特點?；仡櫫甏?，當時大型工程建設的自動化控制系統(tǒng)，都采用了傳統(tǒng)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?，F(xiàn)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(shù)字傳輸要求，所以要絕緣材料和電纜結(jié)構(gòu)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(yè)對耐環(huán)境腐蝕也提出一定要求。針對以上因素，交聯(lián)聚乙烯可認為是一種優(yōu)選的絕緣材料，它在機械強度、電氣參數(shù)、耐熱等級和防腐能力等方面均有一定優(yōu)的越性，當前很多電線電纜廠掌握了交聯(lián)聚乙烯生產(chǎn)技術(shù)和具備了生產(chǎn)條件，所以大量發(fā)展工程用交聯(lián)聚乙烯絕緣控制和儀表電纜時機已經(jīng)成熟。當然這類電纜在使用上與數(shù)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(jié)構(gòu)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(chǎn)品要求。這類產(chǎn)品雖有不少工廠成批生產(chǎn)，但產(chǎn)品名稱不一致，各企業(yè)標準差異也較大，一時難以統(tǒng)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(lián)聚乙烯，該標準未規(guī)定額定電壓等級含義是限用于弱電系統(tǒng)。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(guī)格小，絕緣厚度較薄，而且不規(guī)定單元屏蔽，所以也不可等效采用。本文取用了數(shù)字傳輸控制和儀表電纜名稱以下簡稱數(shù)控電纜，是否恰當也需要討論?？傊疄榘l(fā)展這類產(chǎn)品，制訂新的標準是一項緊迫而重要的工作。
二、絕緣交聯(lián)方法的任選性
我國交聯(lián)電纜的發(fā)展是從電力電纜起步，以后又大量發(fā)展架空絕緣電纜，國內(nèi)一開始懸鏈生產(chǎn)線就占有優(yōu)勢。而數(shù)控電纜導體截面2.5 mm2及以下，絕緣厚度大多數(shù)在0.8 mm及以下，大型懸鏈線根本不能制造，好在其他交聯(lián)方法均可適應，并都能得到滿意的質(zhì)量水平，這對中小型電線電纜廠提供了發(fā)展機會。在當前市場劇烈競爭的情況下，仍然有不少企業(yè)打算擠入這個領(lǐng)域。以下對于四種交聯(lián)方法作一簡單評述。
1．采用二步法硅烷交聯(lián)料工藝，幾乎不需增加投資就能做出優(yōu)良的產(chǎn)品。采用一步法硅烷交聯(lián)料，擠塑工藝有一些難度，設備上加以改進，如改變螺桿參數(shù)或增加長徑比。如果材料廠能供應小規(guī)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(lián)是很方便的工藝，國內(nèi)現(xiàn)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(lián)料的供應渠道十分通暢，價格也不比硅烷交聯(lián)貴多少，輻照交聯(lián)線速度可達到每分鐘幾百米，成品質(zhì)量水平很好，生產(chǎn)成本并不高。
3．具備高壓鍋爐的工廠，可建立水平連續(xù)硫化設備，設備投資屬一般水平，用過氧化物可交聯(lián)聚乙烯料蒸汽連續(xù)硫化工藝生產(chǎn)成本較低，甚至電纜廠可自行混料。
4．紫外線交聯(lián)工藝雖然國內(nèi)為數(shù)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(lián)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(chǎn)線速度相對較低。
以上四種生產(chǎn)工藝各工廠可因地制宜地上馬投產(chǎn)。
三、用戶對數(shù)控電纜的一般要求
數(shù)控電纜在很多方面可以借鑒現(xiàn)行產(chǎn)品標準的規(guī)定，但又不可以照搬。用戶在訂貨時經(jīng)常提出一些有關(guān)結(jié)構(gòu)、規(guī)格、參數(shù)等問題，有關(guān)問題歸納如下：
⒈ 關(guān)于電壓等級：由于數(shù)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(tǒng)有密切關(guān)系。通常分二級：600/1000 V級用于和配電直接有關(guān)系統(tǒng)；300/500 V級用于和配電間接有關(guān)系統(tǒng)；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(shù)，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(guī)格和結(jié)構(gòu)：大多數(shù)企業(yè)標準的導體規(guī)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(jié)構(gòu)對于固定敷設可分單線和絞線二類，絞線應采用正規(guī)絞制，通常為7根到19根銅線絞制，原則上應鍍錫。少數(shù)場合需用半移動或移動式電纜，則采用更軟的束線結(jié)構(gòu)。
⒊ 絕緣厚度0.5～0.8 mm 。其公差可與常規(guī)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(shù)。對某些特殊參數(shù)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(shù)數(shù)控電纜有單元屏蔽，線芯絞合節(jié)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(jié)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(xù)性。沒有引接線的保證，屏蔽效應就成為未知數(shù)。對于移動式電纜的屏蔽應采用銅線纏繞結(jié)構(gòu)。
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(jié)構(gòu)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(nèi)護套也是隨用戶要求而設計。
⒐ 其他特征參數(shù)（僅為參考數(shù)據(jù)）
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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(lián)聚乙烯絕緣，這是zui常用的結(jié)構(gòu)設計，不過對于單元屏蔽層結(jié)構(gòu)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(zhì)的問題, 當時由于交聯(lián)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(jié)果情況大有改善。鉛的熔點低，熔化后不構(gòu)成屏障，有害氣體容易向外發(fā)散，減緩向內(nèi)滲透。
五、結(jié)束語
數(shù)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(fā)電、水力發(fā)電、核電站等等。今后新品種將會不斷地開發(fā)，并且光纖介入也是必然趨勢。當前大家zui關(guān)心的是制訂統(tǒng)一專業(yè)標準問題。
摘要 本文簡述了交聯(lián)聚乙烯絕緣控制和儀表電纜的一般參數(shù)和規(guī)格，并提供了部分規(guī)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(jié)構(gòu)特點。
上海電纜研究所 顧問 張兆煥
一、引言
現(xiàn)代工程建設使用交聯(lián)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(lián)工藝可有多種方法選擇，對于中、小型電線電纜廠發(fā)展生產(chǎn)較為有利。本文簡述了這類電纜的一般參數(shù)和規(guī)格，并提供了部分規(guī)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(jié)構(gòu)特點?；仡櫫甏?，當時大型工程建設的自動化控制系統(tǒng)，都采用了傳統(tǒng)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?，F(xiàn)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(shù)字傳輸要求，所以要絕緣材料和電纜結(jié)構(gòu)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(yè)對耐環(huán)境腐蝕也提出一定要求。針對以上因素，交聯(lián)聚乙烯可認為是一種優(yōu)選的絕緣材料，它在機械強度、電氣參數(shù)、耐熱等級和防腐能力等方面均有一定優(yōu)的越性，當前很多電線電纜廠掌握了交聯(lián)聚乙烯生產(chǎn)技術(shù)和具備了生產(chǎn)條件，所以大量發(fā)展工程用交聯(lián)聚乙烯絕緣控制和儀表電纜時機已經(jīng)成熟。當然這類電纜在使用上與數(shù)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(jié)構(gòu)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(chǎn)品要求。這類產(chǎn)品雖有不少工廠成批生產(chǎn)，但產(chǎn)品名稱不一致，各企業(yè)標準差異也較大，一時難以統(tǒng)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(lián)聚乙烯，該標準未規(guī)定額定電壓等級含義是限用于弱電系統(tǒng)。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(guī)格小，絕緣厚度較薄，而且不規(guī)定單元屏蔽，所以也不可等效采用。本文取用了數(shù)字傳輸控制和儀表電纜名稱以下簡稱數(shù)控電纜，是否恰當也需要討論?？傊疄榘l(fā)展這類產(chǎn)品，制訂新的標準是一項緊迫而重要的工作。
二、絕緣交聯(lián)方法的任選性
我國交聯(lián)電纜的發(fā)展是從電力電纜起步，以后又大量發(fā)展架空絕緣電纜，國內(nèi)一開始懸鏈生產(chǎn)線就占有優(yōu)勢。而數(shù)控電纜導體截面2.5 mm2及以下，絕緣厚度大多數(shù)在0.8 mm及以下，大型懸鏈線根本不能制造，好在其他交聯(lián)方法均可適應，并都能得到滿意的質(zhì)量水平，這對中小型電線電纜廠提供了發(fā)展機會。在當前市場劇烈競爭的情況下，仍然有不少企業(yè)打算擠入這個領(lǐng)域。以下對于四種交聯(lián)方法作一簡單評述。
1．采用二步法硅烷交聯(lián)料工藝，幾乎不需增加投資就能做出優(yōu)良的產(chǎn)品。采用一步法硅烷交聯(lián)料，擠塑工藝有一些難度，設備上加以改進，如改變螺桿參數(shù)或增加長徑比。如果材料廠能供應小規(guī)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(lián)是很方便的工藝，國內(nèi)現(xiàn)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(lián)料的供應渠道十分通暢，價格也不比硅烷交聯(lián)貴多少，輻照交聯(lián)線速度可達到每分鐘幾百米，成品質(zhì)量水平很好，生產(chǎn)成本并不高。
3．具備高壓鍋爐的工廠，可建立水平連續(xù)硫化設備，設備投資屬一般水平，用過氧化物可交聯(lián)聚乙烯料蒸汽連續(xù)硫化工藝生產(chǎn)成本較低，甚至電纜廠可自行混料。
4．紫外線交聯(lián)工藝雖然國內(nèi)為數(shù)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(lián)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(chǎn)線速度相對較低。
以上四種生產(chǎn)工藝各工廠可因地制宜地上馬投產(chǎn)。
三、用戶對數(shù)控電纜的一般要求
數(shù)控電纜在很多方面可以借鑒現(xiàn)行產(chǎn)品標準的規(guī)定，但又不可以照搬。用戶在訂貨時經(jīng)常提出一些有關(guān)結(jié)構(gòu)、規(guī)格、參數(shù)等問題，有關(guān)問題歸納如下：
⒈ 關(guān)于電壓等級：由于數(shù)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(tǒng)有密切關(guān)系。通常分二級：600/1000 V級用于和配電直接有關(guān)系統(tǒng)；300/500 V級用于和配電間接有關(guān)系統(tǒng)；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(shù)，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(guī)格和結(jié)構(gòu)：大多數(shù)企業(yè)標準的導體規(guī)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(jié)構(gòu)對于固定敷設可分單線和絞線二類，絞線應采用正規(guī)絞制，通常為7根到19根銅線絞制，原則上應鍍錫。少數(shù)場合需用半移動或移動式電纜，則采用更軟的束線結(jié)構(gòu)。
⒊ 絕緣厚度0.5～0.8 mm 。其公差可與常規(guī)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(shù)。對某些特殊參數(shù)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(shù)數(shù)控電纜有單元屏蔽，線芯絞合節(jié)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(jié)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(xù)性。沒有引接線的保證，屏蔽效應就成為未知數(shù)。對于移動式電纜的屏蔽應采用銅線纏繞結(jié)構(gòu)。
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(jié)構(gòu)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(nèi)護套也是隨用戶要求而設計。
⒐ 其他特征參數(shù)（僅為參考數(shù)據(jù)）
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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(lián)聚乙烯絕緣，這是zui常用的結(jié)構(gòu)設計，不過對于單元屏蔽層結(jié)構(gòu)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(zhì)的問題, 當時由于交聯(lián)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(jié)果情況大有改善。鉛的熔點低，熔化后不構(gòu)成屏障，有害氣體容易向外發(fā)散，減緩向內(nèi)滲透。
五、結(jié)束語
數(shù)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(fā)電、水力發(fā)電、核電站等等。今后新品種將會不斷地開發(fā)，并且光纖介入也是必然趨勢。當前大家zui關(guān)心的是制訂統(tǒng)一專業(yè)標準問題。
