關(guān)鍵 控制 儀表電纜
摘要 本文簡述了(le)交聯聚乙烯絕緣控制和儀表電纜的一(yī)般參數和規格，并提供了(le)部分(fēn)規格波阻抗計算(suàn)參考值。此外還介紹了(le)耐火(huǒ)型控制和儀表電纜的結構特點。
上(shàng)海電纜研究所 顧問 張兆煥
一(yī)、引言
現(xiàn)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(zhè)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(shēng)産較為(wèi)有利。本文簡述了(le)這(zhè)類電纜的一(yī)般參數和規格，并提供了(le)部分(fēn)規格波阻抗計算(suàn)參考值。此外還介紹了(le)耐火(huǒ)型控制和儀表電纜的結構特點。回顧六十年代，當時(shí)大型工程建設的自動化(huà)控制系統，都采用了(le)傳統聚氯乙烯絕緣控制電纜和信号電纜，當時(shí)電纜的主要功能(néng)是連接繼電器(qì)、斷路(lù)器(qì)、指針式儀表和信号燈等。現(xiàn)代化(huà)工程建設的全面自動化(huà)和高精度控制，老一(yī)代的控制電纜和信号電纜無法滿足這(zhè)些(xiē)要求。新(xīn)一(yī)代電纜應能(néng)滿足模拟和數字傳輸要求，所以要絕緣材料和電纜結構需有改進。另外有許多場(chǎng)合下(xià)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，即使傳輸弱電信号，電纜也(yě)應具有較高的工作(zuò)溫度。還有些(xiē)化(huà)工企業對耐環境腐蝕也(yě)提出一(yī)定要求。針對以上(shàng)因素，交聯聚乙烯可認為(wèi)是一(yī)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(néng)力等方面均有一(yī)定優的越性，當前很多電線電纜廠掌握了(le)交聯聚乙烯生(shēng)産技術和具備了(le)生(shēng)産條件，所以大量發展工程用交聯聚乙烯絕緣控制和儀表電纜時(shí)機已經成熟。當然這(zhè)類電纜在使用上(shàng)與數字通信用的對絞或星絞多芯對稱電纜常稱5号纜仍有差别，如(rú)在傳輸距離、傳播速度、工作(zuò)電容、信号衰減以及導體(tǐ)結構等方面要求有所不同，電纜制造精度不如(rú)5号電纜嚴格。原GB 9330-88塑料絕緣控制電纜标準已不能(néng)适應上(shàng)述産品要求。這(zhè)類産品雖有不少工廠成批生(shēng)産，但(dàn)産品名稱不一(yī)緻，各企業标準差異也(yě)較大，一(yī)時(shí)難以統一(yī)。IEC 189聚氯乙烯絕緣聚氯乙烯護套低(dī)頻電纜和電線是可參考的标準，但(dàn)聚氯乙烯電性差，耐熱性也(yě)不及交聯聚乙烯，該标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标準，在交流或直流60 V及以下(xià)工作(zuò)，但(dàn)在故障情況下(xià)也(yě)能(néng)在交流或直流250 V及以下(xià)正常工作(zuò)。而這(zhè)一(yī)标準的導體(tǐ)規格小，絕緣厚度較薄，而且不規定單元屏蔽，所以也(yě)不可等效采用。本文取用了(le)數字傳輸控制和儀表電纜名稱以下(xià)簡稱數控電纜，是否恰當也(yě)需要討(tǎo)論。總之為(wèi)發展這(zhè)類産品，制訂新(xīn)的标準是一(yī)項緊迫而重要的工作(zuò)。
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，以後又大量發展架空絕緣電纜，國内一(yī)開始懸鏈生(shēng)産線就(jiù)占有優勢。而數控電纜導體(tǐ)截面2.5 mm2及以下(xià)，絕緣厚度大多數在0.8 mm及以下(xià)，大型懸鏈線根本不能(néng)制造，好(hǎo)(hǎo)在其他交聯方法均可适應，并都能(néng)得到滿意的質量水平，這(zhè)對中小型電線電纜廠提供了(le)發展機會。在當前市(shì)場(chǎng)劇(jù)烈競争的情況下(xià)，仍然有不少企業打算(suàn)擠入這(zhè)個(gè)領域。以下(xià)對于四種交聯方法作(zuò)一(yī)簡單評述。
1．采用二步法矽烷交聯料工藝，幾乎不需增加投資就(jiù)能(néng)做出優良的産品。采用一(yī)步法矽烷交聯料，擠塑工藝有一(yī)些(xiē)難度，設備上(shàng)加以改進，如(rú)改變螺杆參數或增加長徑比。如(rú)果材料廠能(néng)供應小規格一(yī)步法料，則也(yě)可解決問題。一(yī)步法的材料成本比二步法低(dī)10 以上(shàng)。
2．具備電子(zǐ)輻照裝備的工廠，采用輻照交聯是很方便的工藝，國内現(xiàn)有的電子(zǐ)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(fēn)通暢，價格也(yě)不比矽烷交聯貴多少，輻照交聯線速度可達到每分(fēn)鍾幾百米，成品質量水平很好(hǎo)(hǎo)，生(shēng)産成本并不高。
3．具備高壓鍋爐的工廠，可建立水平連續硫化(huà)設備，設備投資屬一(yī)般水平，用過氧化(huà)物可交聯聚乙烯料蒸汽連續硫化(huà)工藝生(shēng)産成本較低(dī)，甚至電纜廠可自行混料。
4．紫外線交聯工藝雖然國内為(wèi)數很少，實際上(shàng)也(yě)能(néng)解決問題，隻需在擠塑機後安裝紫外燈照射交聯裝置，投資不大，目前材料價格較貴，但(dàn)從其配方分(fēn)析，當使用量很大時(shí)，價格必然會降低(dī)到一(yī)般水平，但(dàn)生(shēng)産線速度相對較低(dī)。
以上(shàng)四種生(shēng)産工藝各工廠可因地制宜地上(shàng)馬投産。
三、用戶對數控電纜的一(yī)般要求
數控電纜在很多方面可以借鑒現(xiàn)行産品标準的規定，但(dàn)又不可以照搬。用戶在訂貨時(shí)經常提出一(yī)些(xiē)有關(guān)結構、規格、參數等問題，有關(guān)問題歸納如(rú)下(xià)：
⒈ 關(guān)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(yě)不是信息傳播，它的電壓等級與配電系統有密切關(guān)系。通常分(fēn)二級：600/1000 V級用于和配電直接有關(guān)系統；300/500 V級用于和配電間(jiān)接有關(guān)系統；對于純屬儀表和通信使用的電纜，雖電壓在60 V以下(xià)，但(dàn)事(shì)故情況下(xià)仍要求在250 V正常工作(zuò)，因此就(jiù)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(gè)3線組；24個(gè)4線組已足夠使用，這(zhè)是容易做到的事(shì)。
⒉ 導體(tǐ)規格和結構：大多數企業标準的導體(tǐ)規格為(wèi)0.75～2.5 mm2 ，此範圍的上(shàng)、下(xià)限偏大，實用範圍可取0.35～1.5 mm2 。導體(tǐ)結構對于固定敷設可分(fēn)單線和絞線二類，絞線應采用正規絞制，通常為(wèi)7根到19根銅線絞制，原則上(shàng)應鍍錫。少數場(chǎng)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(yī)緻。導體(tǐ)尺寸和絕緣厚度會影響電纜的工作(zuò)電容和波阻抗等特性參數。對某些(xiē)特殊參數要求的電纜還需要專項計算(suàn)。
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(jiān)的幹擾。
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-聚酯複合帶或銅-聚酯複合帶繞包，特别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(jiù)成為(wèi)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(yī)緻，不需細述。
⒎ 總屏蔽大多采用鍍錫銅線編織，但(dàn)是更好(hǎo)(hǎo)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(wèi)聚氯乙烯，特殊要求則用低(dī)煙(yān)低(dī)鹵聚烯烴或低(dī)煙(yān)無鹵聚烯烴等，至于内護套也(yě)是随用戶要求而設計。
⒐ 其他特征參數（僅為(wèi)參考數據）
工作(zuò)電容: 1000 Hz 二芯間(jiān)不大于120 nF/km
電容不平衡: 1000 Hz 二芯間(jiān)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(suàn)參考值
表1 1000 Hz 時(shí)XLPE絕緣波阻抗計算(suàn)
截面mm2 導體(tǐ)結構X/d 導體(tǐ)直徑d mm 絕緣厚度T mm 導體(tǐ)中心距S mm 回路(lù)電阻2R W/km 回路(lù)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(shí)XLPE絕緣波阻抗計算(suàn)
截面mm2 導體(tǐ)結構X/d 導體(tǐ)直徑d mm 絕緣厚度T mm 導體(tǐ)中心距S mm 回路(lù)電感L mH/km 回路(lù)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(huǒ)控制和儀表電纜的結構特點
提到耐火(huǒ)電纜顯然是礦物絕緣（通常為(wèi)氧化(huà)鎂）電纜zui為(wèi)可靠，但(dàn)這(zhè)種工藝隻能(néng)制造一(yī)般控制電纜，超過19芯也(yě)有困難。作(zuò)為(wèi)耐火(huǒ)電纜理(lǐ)應通過 IEC 331耐火(huǒ)燃燒試驗，采用雲母帶繞包絕緣、外擠可交聯聚乙烯絕緣，這(zhè)是zui常用的結構設計，不過對于單元屏蔽層結構有改進的餘地。當前有些(xiē)工廠在雲母帶外用聚氯乙烯絕緣，燃燒時(shí)酸氣透入雲母帶層間(jiān)，緻使絕緣電阻嚴重下(xià)降，乃至不能(néng)通過耐電壓試驗。八十年代初期日本就(jiù)驗證這(zhè)種性質的問題, 當時(shí)由于交聯聚乙烯還沒有很成熟，日本采用了(le)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後，問題也(yě)就(jiù)得到解決。然而包有鋁/聚酯複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(huà)之前，它成為(wèi)一(yī)道有害氣體(tǐ)向外釋放(fàng)的屏障，微量略帶酸性的氣體(tǐ)透入雲母帶層間(jiān)，使絕緣電阻嚴重下(xià)降。日本采用鉛塑複合帶替代鋁塑複合帶，結果情況大有改善。鉛的熔點低(dī)，熔化(huà)後不構成屏障，有害氣體(tǐ)容易向外發散，減緩向内滲透。
五、結束語
數控電纜的應用範圍很廣，如(rú)鋼鐵、有色金(jīn)屬、石油化(huà)工、大型火(huǒ)力發電、水力發電、核電站(zhàn)等等。今後新(xīn)品種将會不斷地開發，并且光纖介入也(yě)是必然趨勢。當前大家zui關(guān)心的是制訂統一(yī)專業标準問題。