线缆产品中的屏蔽、填芯与抗拉元件

产品简介

线缆产品中的屏蔽、填芯与抗拉元件

在前面几篇基础知识讲座中已经论述，在近2000种线缆产品中，导线是必不可少的结构元件而绝缘层是保护导线传递信息或传输电力的另一结构元件（裸导线类产品是在安装时才设置外部绝缘器件的）。为了保证产品能在各种外部环境中长期安全运行，大多数的产品还必须配置各种结构组成的保护层。除此之外，不少产品还应该根据产品结构的需要，分别配置有屏蔽结构、填充芯结构或抗拉结构元件，以保证产品能达到其设计的功能要求或保证其在使用中自身的机械防护性能。本文将分别介绍。

   必须指出，这三种结构元件虽然不是全部产品品种需要，而且似乎与导线的传输性和绝缘层的绝缘性能无直接关系，但是绝不应把它们看作是不重要的元件，对于设计应具有这三种结构元件的产品来说，它们也是必须的主要结构元件，且这些品种的产品多数是十分主要的产品。

一、屏蔽结构与材料

   在线缆产品中所采用的屏蔽层，实际上有两种完全不同的概念。一类是传输高频电磁波（如数据传输用的电话线缆、电子线缆、射频线缆等）或微弱电流（如信号、计测、控制用电缆）的产品，为了阻拦外界电磁波的干扰，或者防止线缆产品中的高频对外界产生干扰，以及各线对之间相互干扰或防止外界窃听产品中传输的信息，因此而设置了各种屏蔽结构。此类结构可称为电磁屏蔽。

   另一类是在中高电压下传输大电流的电力电缆、矿用电缆、机车车辆电缆等，为了均衡导线表面的绝缘外表面的电场而设置的结构，可称为电场屏蔽。严格来说，电场屏蔽层没有“屏蔽”的作用，仅是设置在导线表面或绝缘外表面的电场均衡层（等电位面），以保证导线与绝缘间的空隙中，或绝缘外表面与外包的结构件中的空隙中不会发生局部放电。实际上，电场均衡层虽然也是必须的，有严格的技术要求，但其结构比较单一。

（一）电磁屏蔽的结构与材料

   1，电磁屏蔽层对于来自外部的干扰电磁波起着三方面的作用。即吸收能量（涡流损耗）、反射能量（电磁波在屏蔽层的界面反射）和抵消能量（电磁波在屏蔽层上产生反向电磁场，能抵消部分干扰电磁波）的作用，从而起着减弱干扰电磁波的作用。屏蔽层的效果与干扰电磁波的频率有关，频率愈高屏蔽效果愈好。对直接处于高压架空导线下距离较小（电场距离已满足）而需要屏蔽层的线缆产品，因受到工频电流产生的低频强电磁场干扰，屏蔽结构最为复杂。

    2，屏蔽结构举例

   （1）铜带屏蔽将软铜带搭盖式绕包在成缆芯线外，铜带厚度取决于成缆前直径和电缆自重。

   （2）铜丝编织即将软的细铜丝（也可镀锡）编织在绝缘线芯、线对或成缆芯外，编织密度（覆盖率）在50－90％之间。编织屏蔽结构稳定、成品弯曲性好、省料。缺点是编织速度太慢，影响了它的应用范围。

   （3）金属复合薄膜搭盖绕包或纵向搭盖于成缆芯外，此种结构覆盖率大（可达100％），屏蔽效果好。如室内通信电缆广泛应用。

   （4）综合屏蔽结构即采用不同形式的屏蔽结构应用。如用铜带绕包加一衬垫带后在包一层薄的软钢带，铜带是非磁性材料而钢带为磁性材料，两者组合能屏蔽多种电磁波（如高频、低频、强磁性电磁波等）。另一种是包在铝箔后纵向放置1－4根细铜丝，铜丝的作用是增加屏蔽的传导作用，此种轻型结构常用于要求柔软的电线电缆。

   （5）分屏加总屏结构即将一根、一组或每个线对单独用铝箔或铜丝编织屏蔽，多线芯组成缆后再加总屏蔽的结构，适用于要求线对或分组线芯之间互相屏蔽又对外界有总屏蔽要求的电线电缆。

   （6）为适应通信系统传输PCM脉码调制信号的需要，可将电话电缆中的所有线对，用金属涂塑带分隔为两组，起到内屏蔽的作用，称为隔离式屏蔽。

   （7）其他由于使用要求的发展，屏蔽结构还在发展中。例如用细铜丝（直径小于0.1mm）或扁平铜丝密绕的屏蔽，用于屏蔽要求高的柔软电线（如音响、话筒线）。对于薄绝缘型的细直径电线可采用在绝缘表面镀铜的方式等。

   3，电磁屏蔽用材料

   应采用高导电率的软质铜、铝、软质钢等制成的带材、丝、箔以及涂塑复合材料。对要求抗强磁性干扰的产品，应采用高导磁材料，如软的低碳钢带（单独使用或与软铜带重叠使用）——见上文之第（4）种综合屏蔽结构。

（二）电场屏蔽的结构与材料

   1，中压（一般指相电压在1.8kv及以上）电力电缆等产品，导线表面的电场强度很高，但绞合导线表面总会有局部的凸起和凹陷，这就会引起局部的气隙击穿（游离放电），为此在导线表面应包上一薄层半导电材料来均匀电场，即从一个外表面光滑、等直径的等电位面将内部的间隙抱住，外表面与绝缘内层紧密接触。同样，紧贴绝缘表面包上一薄层半导电层形成了一个外等电位面，便于和外面搭盖绕包的铜带接触并形成同一个电位（零电位）。铜带层兼作电场屏蔽和一旦发生短路时通过回流电流用。

   2，半导电层可以采用带材绕包，但近年来都采用与绝缘相同的基料加入导电材料的挤包结构，使电场均衡的效果更好。同时尺寸小，可以用三个机组串联在一条生产线上，依次连续挤出。半导电材料的体积电阻应尽量小，应在102－104Ω·cm范围内。外半导电层要易于剥离，便于制作电缆接头。金属屏蔽层可采用铜带（厚度0.1－0.12mm）搭盖绕包1－2层，或用铜丝绕包构成。

   3，图1为直流高压（110kv－220kv）X－射线机用电缆截面图，图2为屏蔽监视型采煤机用橡套软电缆的截面图。这是两种特殊的、兼有电磁屏蔽和电场屏蔽要求的品种。图1中的1，5为电场屏蔽层，6为电磁屏蔽层，图2中的4为内屏蔽，7为外屏蔽，兼有电磁屏蔽与电场均衡的作用（因矿用电缆只有1140伏）。

二、填充结构与材料

   1，多芯电缆成缆时，在各绝缘线芯间必然会有很大的空隙，特别是电力、矿用、船用电缆等传输电力用的绝缘外径较大的电缆。为了使成缆外径相对圆整以利于包带，挤护套，也为了保证产品在制造、使用中结构稳定，内部结识，必须在空隙中填充结构元件。

    2， 电力电缆的填充常用二种方法，一是纤维带并合填充，填充量按计算出的间隙面积配置；二是用预制成带两个凹圆弧的扇形发泡塑料条填充。

   3，多芯移动式像套电缆成缆后的填充，一般只填中心部位，外侧的几个间隙一般是挤橡套时直接嵌入。其原因是橡套电缆成缆后一般不加包带，也不会采用硬的铠装层，而橡皮比塑料要柔软有弹性。中心填充可采用橡皮条，麻绳或合成纤维条。但矿用电缆因要承受很大积压或冲击力，对中心填充的要求很高，必须预制马鞍型的填芯，而且必须用含胶量很高的橡皮。图3是矿用电缆的成缆结构与填芯形状图，绝缘线芯周围的空隙由护套橡皮挤出填充密实。

    4，填充材料有：黄麻、棉纱、橡皮条、塑料条和聚丙烯撕裂薄膜条等。主要要求是用非吸湿材料，对绝缘材料无影响（指不起化学反应），价廉等。目前电力电缆主要用于聚丙烯撕裂薄膜条和泡沫交联聚乙烯预制条，橡套电缆用黄麻或橡皮条。

三、抗拉元件

   1，抗拉元件这一结构件的名称是随着光缆产品品种的大量应用而正式出现的，作者认为线缆产品的结构元件中应该正式列入“抗拉元件”这一结构件，与屏蔽结构、填充元件并列。事实上，线缆产品在制造、安装敷设以及使用过程中，肯定会承受到不同类型和不同程度的机械力，诸如纵向拉力、径向拉力、以及弯曲、伸展时内应力，还有侧压力、扭曲力等等。对于固定敷设在室内的小、中型产品，以及移动使用的像套、塑料护套电缆，一般在材料选用，绝缘厚度以及护套的强度、柔软度方面已充分考虑（包括填充结构），因此通常不必专门设置抗拉结构件。

   2，对于固定敷设在地下（直埋）、电缆沟、隧道、竖井以及敷设在水中（如过江电缆、海底电缆）的电力通信、控制电缆，因其可能受到较严重的外力，因此在外护层中设置了铠装层。在铠装结构中，钢丝铠装结构主要是承受拉力的，同时兼具抗径向压力的，如垂直敷设在矿井中（竖井中）以及斜井中，悬浮于水中（即使在水底、实际上也是悬浮状态），必须由钢丝来承受电缆的自重以及敷设过程中很大的拉力，以保护导线和绝缘及内护套等基本上不受到拉力而发生延伸。因此，产品标准中规定了单钢丝铠装，双钢丝铠装以适应可能承受的不同拉力或自重，而且每根被绞合的铠装钢丝直径也随铠装前电缆的外径而增大。目前，最粗的单根钢丝直径达8mm（主要用于海底电缆）。

   但是由于钢丝铠装作为外护层结构中的一部分，因此并不把它们称为“抗拉结构件”。同时，使用量极大的钢芯铝绞线中的钢芯，也是为了承受悬挂自重而产生的拉力（在两个电杆中，架空线因自重而中间成弧形下垂，产生侧拉力）。因此，同一导线截面的产品，有3－4种截面的钢绞线规格以适应不同电杆间距的敷设要求，这是典型的抗拉结构件，但过去的习惯，因没有“抗拉元件”的分类名称，所有也没有命名。

   3，光缆这一类产品出现后，因光纤很细，又绝对不能因受拉力而变形（伸长、变细、甚至断裂），所以在结构中必须设置抗拉结构来保证产品的性能与使用寿命，使“抗拉元件”在所有的光缆产品中成为必不可少的结构元件。图4是几种常用的光缆产品结构的截面图。

    4 ， 实际上，一些特多细小的电线中，为了保证产品在使用中不被拉断，在产品结构中也设置了各种抗拉元件。例如常用的电缆耳机线（俗称“软绳”），就是将四根导线压成薄条带间隔平绕在一根纤维绳上，再挤包软塑绝缘和护套；又如小型携带式电器（如手机、小型收录机）用的耳机线，则采用导电石墨浸涂在一根纤维芯上制成，使其非常柔软、细小而又有一定的强度。这些产品中的纤维绳芯就是“抗拉元件”。

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