線纜產(chǎn)品的絕緣結(jié)構(gòu)、型式類型很多,但通常以工藝方式分類,例如繞包式、擠包式、涂包式等等。事實上工藝方式類型的取舍,首先取決于產(chǎn)品設(shè)計者采用何種材料,然后再兼顧到產(chǎn)品對絕緣層的性能要求,因此上列三項是必須三位一體、統(tǒng)一考慮的。
一、繞包式絕緣結(jié)構(gòu)
1,繞包式是相對最容易、也是最古老的一種工藝方式,1836年世界上第一根低電壓電力線就是用橡皮帶包在銅線上構(gòu)成的。后來發(fā)展為用生橡膠帶縱包、接口處壓實并經(jīng)硫化后形成了既有彈性,又相對密封的橡皮絕緣電線。之后又陸續(xù)地開發(fā)了紙帶繞包絕緣的電話電纜(1885年),用多層紙帶繞包后經(jīng)真空干燥并浸漬電纜油而構(gòu)成的油浸紙絕緣電力電纜(1890年),直至1917年開發(fā)出紙絕緣充油高壓電纜(70kv)。所以,在高分子合成材料沒有研究開發(fā)出來并應(yīng)用于線纜產(chǎn)品之前(二十世紀四十年代),繞包式是線纜產(chǎn)品絕緣結(jié)構(gòu)的主體。
2,由于石化工業(yè)的爆炸式發(fā)展促進了熱塑性高分子材料的大量涌現(xiàn)——品種多、價格低、貨源廣,以及隨之而來的擠塑技術(shù)和設(shè)備的不斷開發(fā),擠包工藝方式的眾多特點是繞包式無法比較的。因此,到目前為止,只有電磁線中的繞包線,以及部分高溫導(dǎo)線和軟型防火電纜等仍采用繞包式絕緣結(jié)構(gòu)。 繞包式可分為纖維繞包與紙帶或合成樹脂薄膜等繞包兩種。
(1)纖維繞包:用多根纖維并絲后以很小節(jié)距繞包在導(dǎo)體上。采用的材料有棉紗、天然絲(僅用于低壓高頻電工、電子設(shè)備、儀表中)和合成纖維、玻璃纖維等。 用于匝間電壓較高的電機、變壓器內(nèi)的繞包線,一般采用二種措施來提高其耐電壓性和密封性,一是繞包的導(dǎo)線采用漆包銅線,二是繞包后經(jīng)過浸漬絕緣漆、并經(jīng)過加熱固化。
(2)帶式繞包:將一定寬度的絕緣帶材以規(guī)定的節(jié)距分層繞在導(dǎo)線上而成。繞包的層數(shù)根據(jù)產(chǎn)品的要求,如繞包線一般只有幾層,而紙絕緣電力電纜有十幾層、而高壓充油電纜則有一百多層。所用的帶材有絕緣紙、合成樹脂漆膜帶(有不同耐溫等級的很多品種)和粉云母復(fù)合帶等。 帶式繞包一般采用搭蓋式,即后一圈的帶子有一部分要蓋住前一圈的帶子稱為搭接。目的是保證在導(dǎo)線彎曲或拉直時,前后二圈帶子可在搭接處相對滑移而不會造成帶子的“邊”相互碰撞,造成損壞,又增加了絕緣的密封性。搭蓋的比例一般為帶寬的20%-25%。也可采用間隙式繞包,即前后二圈帶子中間留有一定的間隙。此種繞包方式用于浸漬絕緣油組成復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)的油浸紙絕緣電力電纜。
(3)用于匝間電壓較高的繞包線繞包后要經(jīng)過浸漬絕緣,并經(jīng)加熱固化,用于高溫電線的聚四氟乙烯帶繞包層要經(jīng)過高溫爐燒結(jié)成密封外殼,防火電纜用的粉云母復(fù)合帶通常要與其他絕緣結(jié)構(gòu)并用。紙包線主要用于油浸變壓器,因此實際上是油紙絕緣。
二、擠包式絕緣結(jié)構(gòu)
橡膠是最早用作電線的絕緣材料之一,加上橡膠復(fù)合物在未硫化前具有較好的粘流性,因此約100多年前人們就研制用開有螺旋槽的螺桿,外加套筒來推擠橡膠,以制作各種橡皮管,因此也被改進用來擠制電線的橡皮絕緣層。但是擠包式的大規(guī)模擴大應(yīng)用是在上世紀四、五十年代以后,是隨著塑料品種和用量的飛速增長而掀起的。由于擠包式工藝與設(shè)備技術(shù)的高速發(fā)展,也由于擠包式絕緣結(jié)構(gòu)具有的優(yōu)點,因此,到目前為止,擠包式絕緣已成為線纜產(chǎn)品絕緣結(jié)構(gòu)最主要的型式,在所有具有絕緣層的線纜產(chǎn)品品種中采用擠包式絕緣的占了90%左右。 擠包式絕緣具有下列主要特點。
(1)適用的材料廣泛。只要是加熱后能有一定粘流性,且易通過溫度控制其粘流性,擠出后能穩(wěn)定不變形地包覆在導(dǎo)線上的材料,均可以采用擠包工藝。如天然橡膠、各種合成橡膠、各種熱塑性材料(如聚乙烯、聚氯乙稀、聚丙烯、聚四氟乙烯),各種熱塑彈性體等等。由于高分子材料在前幾十年中是發(fā)展最快的材料類別,促使著電線電纜產(chǎn)品的更新?lián)Q代,也使擠包式工藝的適用范圍更為寬廣。
(2)擠包式可以使絕緣層形成一個厚度均勻、外表平整、光滑的封閉套式的結(jié)構(gòu),這對要求電場分布盡量呈輻射形狀從導(dǎo)線表面向外遞減,以求電場均勻,減小切向分量的電力電纜是非常有利的。例如對于110kv交聯(lián)聚乙烯高壓電力電纜,絕緣厚度為 18mm左右,但標準中要求在同一截面上,絕緣厚度的不均勻度應(yīng)小于15%,而目前實際水平可控制到5-10%。 對于電話電纜、電子線纜等信息傳遞用的產(chǎn)品,雖然絕緣厚度很薄,且對耐電壓性能無實質(zhì)性要求,但仍然要求絕緣厚度均勻,因為不均勻會影響某一段的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù),從而影響傳輸性能。 同時,擠包式絕緣所具有的密閉性,對絕緣結(jié)構(gòu)的綜合性能肯定比繞包式要好。
(3)由于電纜行業(yè)及電工設(shè)備行業(yè)多年來合作,對擠出機應(yīng)用技術(shù)的不斷研究、開發(fā)取得的巨大成效,促使了擠包式絕緣的應(yīng)用范圍不斷擴大。
①通過增大螺桿的長徑比(即螺桿長度與直徑之比),以增大單位時間的出膠量,可以制造出很厚絕緣厚度的電纜芯,如110kv交聯(lián)聚乙烯電纜,絕緣厚度為18mm,500kv電纜則達40-50mm (研制品)。同時為了防止“未交聯(lián)的絕緣層”在擠出后因重力而下垂,形成絕緣厚薄不均,擠出機組必須采用懸垂式、懸垂加旋轉(zhuǎn)式(即生產(chǎn)線的放線與收線以同一速度緩慢旋轉(zhuǎn),以阻礙粘流態(tài)的絕緣材料下垂),以及采用立塔式(即擠出后的半成品成垂直向下放線)。 單位時間出膠量大,也為高速擠出創(chuàng)造了條件。
②通過螺桿、套筒及模具的精加工,以及擠出機的精密控溫,可以制出絕緣厚度極薄的絕緣層(如0.03-0.05mm),用以制作精密電工儀表用電線。
③采用耐高溫合金鋼材(即要求長期在高溫下不變形、氧化)制作的螺桿、套筒,做成的擠出機,用以擠出耐高溫的絕緣電線,如260°C用的聚四氟乙烯。
④采用在絕緣料中加入化學(xué)發(fā)泡劑,或采用物理發(fā)泡的設(shè)備,使塑料在擠出過程中均勻地高度發(fā)泡,形成泡沫聚乙烯絕緣層,其中的客氣含量可達50-70%,此種結(jié)構(gòu)的絕緣介電常數(shù)大大減小,又能節(jié)約原材料,成品重量輕。
(4)擠包式工序單一、生產(chǎn)速度快,這是又一個非常突出的優(yōu)點。 以擠出速度為例,電話電纜絕緣芯線的擠出速度最快可達2000-3000米/分,10kv級交聯(lián)聚乙烯電力電纜的絕緣厚度為4.5mm,其擠出速度可達每分鐘幾十米,大大提高了生產(chǎn)效率。
(5)有利于組成幾臺擠出機串連或并聯(lián)的組合方式,擴大了生產(chǎn)能力,減少了收放線、牽引設(shè)備和生產(chǎn)工序。目前交聯(lián)聚乙烯電力電纜和660伏礦用電纜已經(jīng)普遍采用將內(nèi)半導(dǎo)電層、絕緣層、外半導(dǎo)電層分列于三臺串聯(lián)著的擠塑橡機中,在三層共擠的模具中一次擠出。既提高效率又改善了質(zhì)量。 并聯(lián)的方式是在一臺擠出機擠出量不足時,采用二臺并聯(lián)。
三、涂包式絕緣結(jié)構(gòu)
1,將液態(tài)絕緣材料涂到導(dǎo)體上并經(jīng)過加熱固化形成一層牢固的薄膜的過程,稱為涂包。所以它不同于化纖材料浸漬絕緣油或絕緣漆,因此涂包工藝主要用于漆包線。具體方法是使導(dǎo)線通過漆槽,然后經(jīng)過加熱爐使配入的溶劑燃燒而漆層固化而成為漆膜。漆包線的漆層要通過在設(shè)備上多次來回浸漆、干燥固化的過程才能達到預(yù)定的絕緣厚度。 由于漆包線主要用于中小型電機、電器和各種儀表的繞組中,匝間電壓很低,安裝位置很小,因此只需要很薄的絕緣厚度,現(xiàn)行產(chǎn)品標準中規(guī)定的漆膜厚度最薄為0.07mm,最厚為0.15mm。
2,漆包線絕緣結(jié)構(gòu)的差異除了漆包厚度之外,主要是采用各種特性的絕緣漆料,如具有漆膜強度高,在潮濕狀態(tài)中耐電壓擊穿性能及軟化擊穿性能優(yōu)的聚酯漆包線(130°C)和改性聚酯漆包線(155°C),耐水性好、熱沖擊性和耐刮性優(yōu)的縮醛漆包線,耐熱性特好的聚酰亞胺漆包線(220°C)等等。
3,為了發(fā)揮二種或二種以上漆種各自的優(yōu)點,從結(jié)構(gòu)上采取了內(nèi)、外采用不同漆種的組合方式。即內(nèi)層(涂一定的道數(shù))用一種漆,如要求耐高溫、吸附力好等,外層再涂(也要一定的道數(shù))另一種漆,如能耐溫、耐電子照射或可著色等等。因此復(fù)合結(jié)構(gòu)的漆包線擴大了它們的應(yīng)用領(lǐng)域,改進了絕緣層的適應(yīng)性能。
4,由于漆包線均被安裝在電機、電器、儀表內(nèi)部,因此不需要,也不太可能有護層結(jié)構(gòu)(空間不允許)。因此,外部因素如外力(特別是繞制線圈時或嵌線時),溫度、化學(xué)物品等。等對漆包線的侵害都必須由漆膜層來承擔(dān)??傊?,漆包線的絕緣結(jié)構(gòu)看起來是最簡單、似乎看不出什么差別的,其實它的品種與結(jié)構(gòu)同樣是多樣化的,內(nèi)容相當(dāng)豐富。
四、其他型式的絕緣結(jié)構(gòu)
除了上述的繞包式、擠包式和涂包式這三大類絕緣結(jié)構(gòu)的型式外,還有一些特殊的型式用于個別產(chǎn)品類別中,列舉一些如下:
1,間隔嵌入式主要用于大同軸、中同軸電纜,這二種電纜在光纜問世之前,是信息傳遞用電線電纜中作為高頻大容量、長途傳輸?shù)闹鲗?dǎo)產(chǎn)品。所謂同軸結(jié)構(gòu)的電纜是指來回的二條導(dǎo)線制造成“內(nèi)導(dǎo)體在中央,外導(dǎo)體制成圓形薄殼(用銅帶縱包并縫而成),以同心圓方式在絕緣層外環(huán)繞內(nèi)導(dǎo)體”,而且內(nèi)外導(dǎo)體之間的空隙按的規(guī)則制成(見本文上一篇)。 因此,內(nèi)外導(dǎo)體之間的空隙距離較大,絕緣不是主要目的而間隔、支撐是主要的。所以此類產(chǎn)品,采用了沿長度方向徑向分段嵌入聚乙烯等材料制成的開口插片,與空氣組合成絕緣結(jié)構(gòu)。
2,藕芯式絕緣對于大批量生產(chǎn)的小同軸電纜(如有線電視網(wǎng)用的電視電纜),采用擠包式絕緣,但絕緣中間有許多縱向的孔,像藕芯一樣。主要是使絕緣層中還有大量空氣,減少絕緣的介電常數(shù)。但目前已趨于采用化學(xué)發(fā)泡或物理發(fā)泡的泡沫絕緣擠包型結(jié)構(gòu)。用料省、含空氣達50%以上,性能好。
3,粉料充填式絕緣此種絕緣僅用于要求防火性特好的,外有密封金屬套管的電纜中。即在一定長度的金屬套管中放入1-5根導(dǎo)體(一般為單根線),然后將氧化鎂、氧化鋯之類無機粉料灌入并充填密實而制成。金屬套可采用銅、不銹鋼、鎳等材料制成。 但這種產(chǎn)品單根長度不能太長,因此在安裝使用時接頭多,不易彎曲,產(chǎn)品較硬,僅供防火要求特別高的場合使用。
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