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因此,填充结构虽是辅助结构,但也是必要的,其材料选用及形状设计上也有详细的规定。
6.抗拉元件 传统的电线电缆产品是利用护层的铠甲层承受外界拉力或自重引起的拉力的。
典型的结构是钢带铠装和钢丝铠装(如海底电缆要用Φ8mm的粗钢丝,绞合成铠装层)。
但光纤光缆为了保护光纤不受细小的拉力,以免光纤有细微的变形而影响传输性能,就在光缆结构中设置了一次、二次被覆和专用的抗拉受力元件。
此外如手机耳机线采用细铜丝或薄铜带绕在合成纤维丝上外挤绝缘层的结构,这合成纤维丝就是抗拉元件。
总之,在近年来开发的特种细小、柔软型,同时要求多次弯、扭曲使用的产品中,抗拉元件起着主要的作用。
二、电线电缆用材料综述
1.从某种意义上讲,电线电缆制造行业是一个材料精加工和组装的行业。
一是材料用量巨大,线缆产品中的材料费用要占制造总成本的60-90%;
二是所用材料的类别、品种非常多,性能要求特别高,如导体用铜,要求铜的纯度要在99.95%以上,有的产品要采用无氧高纯铜;
三是材料的选用会对制造工艺、产品的性能以及使用寿命起到决定性的影响。
同时,线缆制造企业的效益也与材料的选用、加工和生产管理中能否科学地节省材料密切相关。
因此,在设计电线电缆产品时必须与材料的选用同时进行,一般采取选用几种材料,通过工艺和与性能筛选试验后确定。
2.线缆产品用材料按其使用部位与功能、可分为导电材料、绝缘材料、护层材料、屏蔽材料、填充材料等。
但其中有些材料是几个结构件通用的,如屏蔽用的铜丝、铜带同样是导体用电工铜。
尤其是热塑性材料,如聚氯乙稀、聚乙烯等只要改变部分配方成份就可用在绝缘或护套上。
3.线缆产品制造中所用材料涉及的门类非常广泛,品种规格(牌号)特别多,表1是列出了主要材料类别的汇总表。
表1电线电缆常用材料汇总表
种类
常用材料
用于产品中何种构件
备注
有色金属
电工用铜、
电工用铝、
铝铜合金、 铝合金
铅、锡、银、镍
导体
屏蔽
护层
导体镀层
①行业中年用铜量50万吨以上,用铝量20万吨以上。
主要用于导体。
②铜线在护层中用于船用电缆等橡套软电缆编织铠装,高压单芯电力电缆作加强层。
③铅、铝热挤内护套用于油纸电缆、充油电缆。
皱纹铝护套用于高压交联电缆。
黑色金属
钢带、钢丝、 不锈钢箔
护层、导体中的承拉部分、电缆外带有承重的吊线
①用于力缆、通信电缆、控缆的外护层装铠等
②在钢芯铝绞线、铜铝电车线铝包钢丝等导体中作承拉构件,也起导电作用
③自承式电缆中用钢绞线吊住电缆。
热塑性材料可交联料
聚氯乙稀、
氯乙稀、
可交联聚乙 稀、聚丙烯、氯塑料
绝缘、内护套、外护层中铠装的外护套、充填材料、空气组合绝缘嵌片
①聚氯乙稀、聚乙烯用于绝缘或护套、牌号、配方组成均不同,各种多种品种②多芯电力电缆,用聚丙烯薄膜或塑料充填空隙
③空气组合绝缘主要用于同轴式电缆
橡皮
(橡胶)
纸和塑料薄
膜、云母带
天然胶,
天然一丁苯混合胶氯丁胶
氧化聚乙烯胶氯磺化聚乙烯胶
乙丙胶
硅橡胶
绝缘、
护套、
填芯、
①橡胶加入各种配合剂并经混炼、硫化后称为橡皮,必须由制造厂自己配制
②天然胶、天然丁苯胶、硅橡胶以不同配方用于绝缘或护套;
乙丙胶只用于绝缘;
氯丁胶主要用于护套,但可用于低压电线作绝缘;
其余只用于护套。
纸
绝缘
用于油纸电力电缆,充油电缆、纸包线。
隔离包带
在移动橡皮绝缘电缆中作导体外隔离带
聚酯薄膜
聚酰亚胺薄膜
用于绕包线
在移动橡套电缆中作导体外隔离带
绝缘油,绝缘漆
粘性油,不滴流混合油,高压电缆绝缘油
与绝缘纸形成组合绝缘
混合油,在制造车间自己配方,熬煮处理
漆包线漆如聚酯、缩醛、聚氨酯、环氧、聚酰亚胺等
为漆包线漆膜。
制造厂可自己配制
浸渍漆、硅有机、聚酰亚
胺、醇酸树脂
与纤维绕包组成复合绝缘
石英与纤维材料
石英—制
成光纤
光导体
光缆用
玻璃纤维
聚酯纤维
绝缘护层
①供绕包线作绝缘用
②橡皮绝缘电线作编织护层
配合剂等
辅助材料
碳酸钙、炭黑、石墨等有几百种、溶剂、色母料等
供橡胶配方作硫化剂、填充料、着色剂增塑剂等
品种繁多,下面有专门介绍
4.由于线缆产品的使用功能、应用环境、使用条件千变万化,因此虽然对某一类材料有其基本的性能要求(共性),但是各个系列、品种的产品都会有一些特殊的性能要求(特性)。
例如电力系统用的电线电缆对其绝缘层的共性要求是电绝缘性能高。
如用于高压电力电缆的,必须强调材料能承受很高的电场强度,具有很高的绝缘电阻、要求介质损耗小,且要求绝缘层中几乎没有杂质(包括气隙)。
而中压电力电缆(6-35kv)虽也有这些要求,但在程度上可降低不少。
至于低压电线电缆只要求有一定的耐压强度和绝缘电阻,而为了经济、轻便,则要求绝缘层有较好的机械性和耐气候性,使其在很多情况下可以不用护层(例如聚氯乙稀塑料绝缘电线)。
5.由于材料对产品的性能起着非常关键的作用,也由于众多门类的材料涉及广泛的知识领域,同一名称的材料由于基料的分子结构、分子量分布不同,混合料用的配合剂不同,配比不同,因此有许多的牌号和配方。
结果是各种牌号的材料其工艺条件有差异,制成后的成品性能差别很大。
所以线缆制造企业必须要求生产工人熟悉本工序常用材料的特性,严格执行工艺操作规程,要求检验部门加强对进厂材料和自己配制的材料严格质量控制。
网络数据线缆的外部特性
一.概述
业界一直关注网络数据线缆外皮的特性,比如外皮能否满足阻燃或低烟的标准,是否具有含有高燃点、抗燃特性,而具有后一种特性却在燃烧中会释放出有毒气体的卤素。
网络布线专业人士和广大的网络用户甚至在不同地区的标准组织之间,都存在分歧。
随着集成语音、数据及图像为一体的、多媒体宽带的、融合的网络时代的到来,网络布线更将深入千家万户,正确认识网络数据电缆外皮的组成成份及其特性,对于未来网络的建设者及用户的工作和生活都是很重要的。
对于网络数据线缆外皮的选择及标准,北美与欧洲的标准组织和厂家就像他们对于使用UTP还是采用FTP屏蔽产品一样,争论已久,互不相让。
目前,北美、南美、亚太及中国等均采用基于北美的电缆防火标准UL及NEC(NationalElectricalCode),欧洲部分地区则采用低含卤或低烟无卤素绿色环保型电缆标准。
二.线缆外皮含卤素与不含卤素特性
目前全球大部分地区敷设的电力及通信电缆均含有卤素,该类线缆在燃烧时会散发出有毒雾状化学物质。
在火中,含卤缆会产生酸性气体,有损人的鼻子、嘴和喉咙,烟雾还使受害者容易迷失方向,难以逃离大火现场。
认识到这一潜在的危害性,部分欧洲国家已将无卤缆作为电力与通信线缆的标准。
但是,美国国家电气法规却明确规定:
通信网必须使用具有含卤素包层的超五类或六类UTP(非屏蔽双绞线)网络电缆。
这是因为,含卤电缆虽然具有重要缺陷,但卤素本身却具有很强的抗燃性及高燃点,如果电缆根本不着火或很难着火,那么就不会引起燃烧,从而就不会散发出有毒的烟雾。
事实上,有些火灾就是因为电缆本身通电时间较长导致过热而引起的。
无卤线缆因为燃点低,所以更易引起火灾,而卤绝缘层可以更好地防止电缆自燃。
但是,如果电缆已经处于火场,那么其产生的烟雾就会导致生命中毒。
上述这些矛盾在卤素的应用中一直是业界争论的焦点。
支持含卤素线缆应用的主要代表公司有,美国联邦公司和Goodrich等公司。
反对含卤素线缆应用的机构更期望更能够说服NFPA(美国防火协会)修改当前的标准,停止使用含卤素线缆或允许在建筑物的通风处使用含卤素线缆。
无卤线缆提倡者试图修改标准,但迄今为止都未成功。
最主要的原因在于,主干线槽内线缆自燃性的窜层燃烧使人们不易进行区域防火控制,从而引起整栋大厦的火灾,而且低燃点极易产生火源。
另一主要原因是无证据证实无卤线缆确能拯救生命(因为房屋内还存在大量其他装饰物也含有卤素)。
按照现行美国建筑法案规定,惟一能合法安装的无卤线缆是将电缆置于金属导管中,这却使整个布线系统的成本翻了一倍。
因此,多数欧洲国家包括法国、意大利和英国等均转向使用有卤线缆。
在欧洲的通信线缆中,目前无卤线缆占约25%的比例,而在北美及世界大部分地区,有卤线缆则超过98%的市场。
目前涉及线缆的相关国际标准主要关注三个问题是:
防火性(线缆燃烧的速度)、烟的密度(产生多少可见烟)和有毒性(对人体产生多大的损害)。
美国防火标准只涉及了前两个问题,但它却在使用上更为广泛和严格,要满足美国标准必须将卤素添加到线缆绝缘层的聚合物中,其PVC线缆含有氯,而FEP(Teflon特氟珑聚四氟乙烯)线缆含有氟。
FEP具有很强的防火性,在燃烧冒烟解体之前可以忍受高达800℃以上的温度,它比通常无卤线缆最高可承受150℃的温度要高数倍,同时FEP也是一种高效的绝缘体。
因此,FEP非常适用于制作传输高速数据的线缆,是目前通风处广泛采用超五类UTP的关键因素。
在高楼竖井和其他通风地方,FEP电缆已大量取代了PVC电缆。
欧洲有些国家的标准则不同,为了符合严格的防毒性规范,电缆生产商不使用卤素,代之以金属加入到聚乙烯和聚丙烯线缆绝缘层中。
当受热时,这种线缆只散发出毒性很小的可见气体。
但是,这种无卤线缆的防火性能不如含卤线缆,并且其绝缘层很快会燃烧。
因此,无卤线缆不能符合严格的美国防火标准,要达到通风及抽风处级别的防火要求,就不得不加入过量的金属氢氧化物,从而影响线缆性能及技术要求。
当PVC电缆燃烧时会散发出氯化氢和二氧化物气体,而FEP电缆燃烧时,它释放出无色、无味,但毒性比氯化氢更强的氟化氢。
有测试表明,在FEP烟雾中还存在另外一种危险气体。
欧洲的Anderson实验室使用被称为匹兹堡测试的方法(此方法由匹兹堡大学发表)来测量电缆外皮的毒性。
在测试中,燃烧一定量的绝缘层,将烟通过导管传送到4只白鼠所在的空间,观察直至有2只白鼠死亡。
通过这个测试,人们发现,FEP电缆的毒性是PVC缆的1.5倍,是无卤缆的5倍。
FEP支持者则认为,这个测试只是学术性的,因为测试环境并不是真实的火灾现场,而且在建筑物中达到释放那些有毒气体所需的温度时,无论什么都会因为温度太高(800℃)而早已死去了。
2.1低卤(Lowhalogen),构成线缆的材料中可含有卤素,但含量较低。
用IEC60754-1:
1994(国标为GB/T17650.1-1998)方法测定HCI含量。
标准中无指标,建议HCI≤100mg/g。
2.2无卤(Freehalogen),构成线缆的材料不含卤素,即低腐蚀性,其燃烧产物的腐蚀性较低。
用IEC60754-2:
1991(1997修正),我国等同采用的国标为GB/T17650.2-1998方法测定,指标为PH≥4.3,r(电导率)≤10ps/mm。
国外不少国家或公司把无卤标准定为HCI≤5mg/g,国人也有所仿效,这是不恰当的。
因为IEC60754-l已明确指出该方法不能用来测定HCI含量小于5mg/g的材料,即不能判定"
无卤"
。
其次,当HCI含量>2mg/g时,其水溶液的PH值就小于4.3,即不符IEC60754-2的要求。
此外,有人认为IEC定的指标PH≥4.3,而德国的指标是PH≥3.5,因此IEC的要求比德国高。
这只是表面现象。
其实两者的效果是完全相同的。
2.3低烟(Lowsmoke),线缆燃烧时产生的烟尘较少,即透光率较高。
低烟的国际标准要求为透光率≥60%。
必须指出,我国以PVC为基的所谓低卤低烟材料所制作的电线电缆,其低烟达不到上述要求,不应采用低烟的型号。
除非在产品标准中另有说明,例如降低透光率的指标,并说明该指标低于国际标准或国家标准的要求,以免用户误解
2.4低毒(LOWtoxicity),线缆材料燃烧时产生的气体毒性较低。
有关标准IEC尚在考虑中。
目前使用较多的是英国海军工程标准NES713,用毒性指数(TI)表示,如要求绝缘材料的毒性指数小于3,护套的毒性指数小于5。
国内有些厂家称可提供无卤、低烟、低毒线缆。
因无卤、低烟材料燃烧时会产生有毒的CO,如材料中含有P、N、S,则生成的有毒气体还要多。
三.线缆外皮阻燃与耐火特性
防火(Flameproof)线缆是具有防火性能线缆的总称,通常分为阻燃线缆和耐火线缆两类。
从防火安全和消防救生出发,对线缆防火性能的要求越来越多,例如:
阻燃(Flameretardancy)-阻滞、延缓火焰沿着线缆的蔓延,使火灾不扩大。
耐火(Fireresistance)-在火焰燃烧情况下能保持一定时间的运行,即保持线路的完整性(Circuitintegrity)。
我国阻燃和耐火线缆的研究开发始于1982年。
经过5年时间,许多电缆厂家已投入生产,其产品已被用户所认同。
3.1阻燃特性
阻燃不要称为难燃,阻燃与国际通用的FLAMERETARDANT切合,因为RETARDANT是延迟、阻止之意。
根据IEC332,阻燃有单根和成束之分。
为了评定线缆的阻燃性能优劣,故国际电工委员会分别制定了IEC332-1和IEC332-2、IEC332-3三个标准。
IEC332-1和IEC332-2分别用来评定单根线缆按倾斜和垂直布放的阻燃能力(国标对应GB12666.3和GB12666.4),IEC332-3(国标对应GB12666.5-90)束垂直燃烧,相比之下成束垂直在阻燃能力的要求上高得多。
按GB12666.5-90成束垂直燃烧试验标准规定,阻燃按其容量多少和试验时间(外火源喷火时间)长短分A、B、C三类。
试样线缆容量的计算方法如下:
V=n(S1-S2)÷
1000
式中n-线缆试样根数;
S1-试样线缆外截面(mm2);
S2-试样线缆中金属面积之和(mm2);
V-试样容量之和(升/米)
成束燃烧因有阻燃A类、阻燃B类、阻燃C类之分。
在IEC的新提案中的阻燃D类,适用于外径12mm及以下的电线电缆。
其所用试样的非金属材料总体积仅为C类的1/3,即0.5L/m。
要求在火中时间20min和烧焦高度小于2.5m则与C类相同。
因为这个提案尚待表决通过。
此外,IEC332-3有一个规定,即做A类试验时,若试样取间隔排列(有一芯导体大于35mm2的场合)在标准梯子前面排列不下时,可在后面排列,并且用AF/R表示。
或采用宽型梯(0.8m宽)全部排在梯子的前面(用AF表示),并且用双喷灯供火。
但若大规格电缆在标准梯子前面排得下时,则用单喷灯供火,仍记作AF。
3.2耐火特性
根据我国标准GB12666.6-90,耐火分A类和B类二个级别。
A类的供火温度为950℃~1000℃,B类的供火温度为750℃~800℃。
按IEC331-1970标准要求,相当于我国标准的B类。
但是,在最近IEC新出版的标准IEC60331-1999中,供火温度仍为750℃~800℃,而提高试验温度的建议尚在考虑中。
因此,如等同采用编制新的国家标准时,耐火等级就没有A类B类之区分。
矿物绝缘(MI)电缆是有别于有机绝缘电缆的另类电缆,阻燃和耐火是其固有特性之一,因此,在需防火的地方,可推荐选用MI电缆。
关于耐火电缆的阻燃等级根据新近出版的英国标准BS7629-1997和BS6387-1994,耐火电缆的阻燃特性要求是通过单根垂直燃烧试验。
因此,如果我国予以仿效,在制订标准时也可统一规定耐火电缆的阻燃等级为单根阻燃,则在耐火电缆的型号中可把阻燃的代号省去。
当然,如用户要求提高阻燃等级,再在型号中把阻燃代号介入即可。
电缆的燃烧特性都注重总体,并不计较各组成构件的个别特性。
先进的铜缆制造工艺是保证高性能传输的基础
对线缆制造工艺的深入了解会有助于您甄别性能优异的布线系统,保护您的投资利益。
今天,网络应用对其传输介质的要求比以往任何时候都高。
20年前用于承载窄带电话业务的双绞线技术,现在被用来支持高达250Mhz带宽的数字信息。
然而,从外观上感觉6类双绞铜缆和最早的双绞铜缆没有很大区别。
那么,是什么样的技术革新使铜缆线可提供如此高的带宽和杰出的电气性能呢?
关键在于原材料、生产工艺和线缆构造的不断改进,让今天的线缆获得这样高的性能。
要生产出性能优异的非屏蔽双绞线缆(UTP),必须严格控制每道主要制造工艺,包括事先仔细筛选铜导线和热塑材料,主导线的绝缘,两根主导线相互扭绞成一根双绞线,将数根双绞线合成线缆,套上线缆外皮,最后包装成品。
为确保成品线缆的性能符合相关国际标准要求,每一个制造阶段,都必须经过精心设计,每一个工艺过程都必须经过严格控制。
线缆的制作包括12个步骤,从裸露的铜导线开始,到双绞线被卷在卷轴上为止。
主导线设计
主导线用来制作双绞线,是由22到24AWG铜导线在外面裹一层绝缘材料而成。
尽管它的结构看起来很简单,但是主导线的每一个特性都需要细心控制,以确保电气和机械性能符合要求。
主要特性包括铜导线的横截面,铜导线外表面的轮廓和光滑度,以及在绝缘材料内部导线的同心度。
一个双绞线对包括两根22到24AWG的铜导线,每一根外面都包裹一层绝缘材料。
绝缘材料里的导线的同心度是决定导线性能的关键。
插入损耗(衰减)、阻抗和回波损耗等测量参数都直接和主导线的结构有关。
插入损耗表示信号通过一段距离传输后的损耗。
因此,更粗的铜导线直径,铜导线的正确退火,以及单位长度的绞线扭绞数减小,都是降低信号损耗的方法。
影响阻抗和回波损耗性能的有铜导线的直径和形状这样的物理外形,绝缘材料的性质,分散因子和主绝缘材料的厚度。
表面缺陷,铜导线表面粗糙,横截面呈椭圆形,或导线直径有变化,都会导致线缆阻抗不一致,形成信号反射。
主绝缘线缆的铜导体中心位置和圆截面,或椭圆度,也影响回波损耗。
在压制主绝缘层之前,必须格外小心不要让裸露的铜导线受到损坏,保持导线表面的清洁,不能粘有异物。
典型的主导线制作过程是双轮绝缘压制流程,将导线绕通过两个轮子传动,通过挤压模具,进行将绝缘材料裹压在导线表面。
这样作的好处有,出线速度更快,全部过程自动化,与手工相比,对导线造成的损坏几乎没有。
拉丝工艺
双轮绝缘压制流程的第一步是通过一组孔径递减的14-17道钻石模具,把直径较大的硬铜线(典型的12或13AWG),拉细到最后22到24AWG铜线。
用一个滑轮从每个模具中拉出铜线,因为铜线被拉长,所以截面直径变小,因而随后的滑轮转动的速度也相应加快。
因为在拉线的同时,产生大量的热,所以拉线设备必须不断进行冷却、润滑,以延长模具使用寿命,减少滑动,使铜线表面光滑。
完成的铜导线从模具中由一个绞盘拉出,然后进行退火。
6类线缆的制造工艺包括通过一个配置盘和模具把多个双绞线对和一个星型分隔器拉出来。
由于铜导线在拉线过程会逐渐变硬,拉出来的导线会变脆易折,因此退火工艺非常重要,直接影响导线的传输性能,特别是可以降低插入损耗。
退火设备将裸导线迅速加热到高温,导线被置入一个充满蒸汽的容器内,促使其适当软化,以获得所需的延展性。
退火让导线更实用,提高了传输性能,特别是降低了插入损耗。
在退火工艺之后是主绝缘压制流程。
绝缘材料的选择要取决于c(UL)着火等级(plenum型CMP/FT6或竖直型CMR/FT4),传输性能的等级。
除了低的静电容量和漏电损耗,以及很好的绝缘性能和耐电压能力以外,绝缘材料还要灵活、耐磨。
通过在绝缘材料里加入灭火物质(氯)、不易燃材料(氟)以及耐火材料(粘土),可以使线缆具有不同程度的阻燃性能。
为不同类的线缆选择主导线的绝缘材料,需要考虑许多因素。
特别是压制线的速度和电气性能,它们在很大程度上将影响UTP线缆最后的价格和性能。
比如,LSPVC和FEP都属于plenum型着火级别。
尽管LSPVC主绝缘在350°
F,相当低的温度下压制,抽线速度达到7000英尺/分钟,但美中不足的是,LSPVC组件的电气性能没有能达到5e类和6类的传输要求。
FEP组件的电气性能虽然达到数据等级,然而,由于需要特制的高温压制设备和具有独特的熔化流动特性的炭氟绝缘材料,FEP极难制造。
而且,FEP的绝缘压制时的抽线速度只有区区2
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