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电线基础知识

第一局部电缆结构设计与物料用量计算

电缆结构设计是把线材各组成局部参数书面化.在设计进程中,主要

是依据线材的有关规范,结合本厂的消费才干,尽量满足客户要求.并把结

果以书面方式表达出来,为消费提供依据.

物料用量计算是依据设计线材时选用的资料及结构参数,计算出各种

资料的用量,为会计部计算本钱及仓储发料提供依据.

一.导体局部有关设计与计算:

导体在结构上有实心及绞线两种,而其成份方面有纯金属.合金.镀层及漆包线等.

在设计进程中,关于不同的线材选用这些导体资料时,基于下面几个方面:

1.线材的运用场所及后序加工方式.

2.导体资料的功用:

导电率,耐热性.抗张强度.加工性.弹性系数等.

1.导体绞合节距设计:

绞线中绞合节距大小普通依据绞合导体线规选取（主要针对UL电子线系列,电源线,UL444系列,CSATR-4系列对导体的节距有要求,需依据规范设计）,有时为了改善某种功用可选其它的节距.如通讯线材为了降衰减选用小节距,为了提供好的弯曲功用选用较小的节距.下面的节距表选择表是针对UL电子线.

美制线规对应截面积及绞线节距

美制线规

标称截面积

最小截面积

节距

0.0507

0.0497

6~8

0.0804

0.0790

9~11

0.1280

0.1260

11~13

0.2050

0.1990

14~16

0.3240

0.3140

16~19

0.5190

0.5090

21~24

0.8230

0.8070

27~32

1.3100

1.2700

32~38

2.0800

2.0200

39~47

2.多根绞合导体外径计算:

导体绞合采用束绞方式停止,绞合外径采用下面两种方法计算:

方法1:

方法2:

d----单根导体的直径

D---绞合后绞合导体外径

N---导体根数

上述两种方法中,方法2比拟适宜束绞方式导体绞合外径计算.

3导体用量计算:

1.单根导体

2.绞合导体

d----单根导体直径

ρ—导体密度

N---导体绞合根数

λ---导体绞入系数

注:

用量计算为单芯时导体用量,当多芯时须思索芯线绞合时的绞入系数.

4.导体防氧化.

为防止导体氧化,可在导体绞合时,加BAT或DOP油.

（2）押出局部有关的设计与计算:

押出局部包括绝缘押出.内被押出及外被押出,在押出进程中,因对线材要求不同采用押出方式不同.普通状况下,绝缘押出采用挤压式,内护层与外护层采用半挤管式.有时为了满足功用要求采用挤管式.其详细选择方法,参照押出技术.

1.押出料的选择:

设计进程中押出料的选择主要依据胶料的用途.耐温等级.光泽性.软硬度.可塑

剂耐迁移性等来选择.

2.押出外径:

D2=D+2*T

D------押出前外径

D2----押出后外径

T------押出厚度

押出厚度（T）主要依据线材有关规范,结合本厂消费才干尽量满足客户要求.

3.胶料用量:

采用不同的押出方式,押出胶料用量计算公式也有不同.

挤管式

挤压式

W=（S成品截面-S缆芯内容物）*ρ

ρ-----胶料密度.

思索到线材的公差,现期线缆企业普通采用下面计算方法.

W=3,14159*1.05*T*（2*D+T）*ρ

（三）.芯线绞合有关设计与计算:

芯线绞合国际称为成缆,是大少数多芯电缆消费的重要工序之一.由假定干绝缘线芯或单元组绞分解缆芯的进程称芯线绞合.其原理相似如导体绞合,芯线绞合的普通工艺参数计算及线芯在绞合进程中的变形与绞线相似.

芯线绞合依据绞合绝缘线芯直径能否相反分为对称绞合和不对称绞合.

由于芯线在绞合进程中有弯曲变形,有些较粗绝缘芯线在绞合进程采用退扭.如局部UL2919,CAT.5,IEEE1394芯线及其它高发泡绝缘芯线.

以下分几个方面表达芯线绞合的工艺参数计算:

1.对绞:

对绞线的等效外径:

D=1.65d或1.71d

（软质用1.65d,硬质用1.71d）,sometimesD=1.86d

复对绞线等效外径﹕

D=2.6d

多对数绞线等效外径﹕

对绞节距.

依据对绞组对数,芯线外径选取.

2.多芯绞合:

绞合外径.

当芯线根数不多时,按正轨绞算计算.见下表.

芯线陈列方式及芯线绞合外径计算可依据下表:

芯数

芯线陈列

外径比（M=D/d）

中芯空隙面积×d2

外层空隙面积×d2

1.571

2.154

0.04

1.248

2.414

0.215

1.22

2.7

0.543

1.259

1.025

1.329

1+6

1.329

1+7

3.3

1.39

1+8

3.7

1.679

2+8

2.276

3+8

4.154

0.04

2.593

3+9

4.154

0.04

2.039

4+9

4.414

0.215

2.553

4+10

4.414

0.215

2.025

5+10

4.7

0.543

2.578

5+11

4.7

0.543

2.071

6+11

1.025

2.641

6+12

1.025

2.137

1+6+12

2.137

1+6+13

5.154

1.944

1+7+13

5.3

2.257

1+8+13

5.7

4.442

2+8+13

3.598

2+8+14

2.975

3+8+14

6.154

0.04

3.285

3+9+14

6.154

0.04

3.285

3+9+15

6.154

0.04

2.801

4+9+15

6.414

0.215

3.282

4+9+16

6.414

0.215

2.806

4+10+16

6.414

0.215

2.806

5+10+16

6.7

0.543

3.319

5+11+16

6.7

0.543

3.319

5+11+17

6.7

0.543

2.864

6+11+17

1.025

3.398

6+12+17

1.025

3.398

6+12+18

1.025

2.927

1+6+12+18

2.927

1+7+12+18

7.3

3.458

2+6+12+18

4.705

2+7+12+19

4.254

2+7+13+19

4.254

2+8+13+19

4.254

2+8+14+20

3.774

3+8+14+20

8.154

0.04

4.042

3+9+15+21

8.154

0.04

2.867

当芯线根数较多并线径较小的状况下,可按束绞近似计算（导体绞合外径计算公式）.

绞合节距.

普通绞合节距取绞合外径的15~20倍.有时为了改善线材功用,可选择适宜的节距.如为了改善线材的弯曲功用降低绞合节距.USB电缆为了减小芯线变形,采用小节距.

3.有关绞合中的基圆直径.节圆直径.绞合外径

基圆直径:

关于某一绞线层,绞线前芯线直径称基圆直径.

节圆直径:

单线绞合在直径为D0的圆柱体上,以单线轴线至绞线轴线的距离为半径的圆为节圆,其直径为节圆直径.

绞合外径:

该层绞线的外接圆直径为绞线外径.

图示说明如下:

图中关于第三层绞合:

基圆直径为D0（即第二层（1+6）绞合的绞合外径）

节圆直径为D’D’=D0+d

绞合外径为DD=D’+d

4.绞入系数:

芯线绞合的绞入系数为1+（圆周率X绞合外径/绞合节距）的二次方.

D----绞合外径.

H----绞合节距.

在绞线进程中,关于多芯并芯线分层的状况,虽然为束绞,各层芯线绞入系数并不相反.为了保守起见,增大平安系数,并且减化计算,所以在上述绞入系数的计算中D采用芯线绞合的绞合外径（实际上,各层的绞合系数应为节圆直径代入上式计算）.

（四）.斜包有关的设计与计算

斜包在线材中主要起屏蔽作用,有时作为同轴电缆的外导体.

屏蔽目的是将外界干挠消弭.关于同轴电缆,由于有屏蔽层而使阻抗得以婚配,降低信号或传输能量之损失.

从屏蔽效果来讲,斜包不如编织,其屏蔽效果具有方向性,弯曲时屏蔽特性发作变化但其具有完成外径小.线材柔软.价钱也比拟低特点.适用于低频屏蔽.

以下从几个方面表达斜包结构设计:

1.斜包的铜线根数近似计算:

整数局部

D-----斜包前外径.

d------斜包铜线的直径.

假设是二.三芯绞合,绞合后不圆整,D（斜包前）外径为等效外径.

此设计中的D斜包前外径,相当绞线中基圆直径.从实际计算上讲,要到达100%斜包D应采用节圆直径,但为了防止有时因节距选取较少及其它要素而发生过满（容易起股）.所以D采用斜包前外径（基圆直径）.在实践消费中,因斜包铜丝普通为0.10mm,0.12mm的细线,其值在上述计算中疏忽影响不大.采用下面公式计算,其斜包满度可达90%以上,对线材的功用影响很少.

2.斜包节距的选择:

斜包节距依据斜包前外径大小选择,普通按下面优化节距选取（此优化节距思索到本钱,附着力,外观等方面,并经过长时间消费验证）.

成品外径斜包节距

d<1.0mm

15.5mm左右

1.0<=d<1.2mm

18mm左右

1.2<=d<2.0mm

22mm左右

2.0<=d<2.2mm

25mm左右

2.2<=d<2.4mm

27mm左右

2.4<=d<3.0mm

32mm左右

3.0<=d<3.5mm

36mm左右

3.绞入系数:

斜包的绞入系数为1+（圆周率X斜包后外径/斜包节距）的二次方.

D----斜包后外径.

H----斜包节距.

4.斜包铜线的用量:

d----斜包导体直径

ρ—斜包导体密度

N----斜包导体根数

λ---斜包导体绞入系数

5.斜包方向选择.

斜包普通采用与成缆的反方向:

斜包线材消费进程中,斜包铜丝与斜包前线材转动方向相反,假设斜包方向与成缆方向相反时,斜包进程中会先把成缆线材先反扭,使线材松懈,致使斜包易出现不良.不过采用反方向斜包线材相对较硬,弯曲功用差.关于那些成缆芯线少,芯线线径较大,没有隔离层的线材只能采用与成缆反方向.

6.斜包线材外被押出:

斜包线材在外被押出前需经过倒轴,防止断丝在过押出眼模时惹起断线.

（五）.编织有关的设计与计算

编织与斜包相似,在线材中主要起屏蔽作用,防止外界电场与磁埸的影响,提高线材的干挠防卫度.与斜包.铝箔相比具有以下特点:

1.屏蔽有方向性.

2.高频屏蔽特性良好,适用于高频屏蔽.

3.经过多层屏蔽,屏蔽效果可达100%.

4.弯曲时屏蔽特性无变化.

1.编织有关的计算公式:

编织角正切:

编织系数:

编织密度:

编织用量:

h-----编织节距.

d-----编织单线直径.

a-----编织半绽子数.

n----编织并线根数.

α—编织角

2.编织各参数确实定:

1.依据缆芯外径大小,及编织密度大小选定编织机类型（16锭或24锭上下速编织机）

2.选定顺应编织机的编织单根铜线（镀锡或裸铜线Φ0.08mm,Φ0.10mm,Φ.12mm）通常Φ0.12mm顺应于高速编织机；Φ0.08mm,Φ0.10mm,Φ0.12mm顺应于低速编织机.

3.密度M.编织角度α.节距H确实定.

注:

每锭中的根数应在3-9根的范围内,由于根数少编织易断线,而根数太多那么使得编织层同层内的铜线重迭,.编织角度通常在50-70的范围内,为提高消费效率那么编织角度去接近70的值,由上述公式预算各参数,采用凑算法确定的适当的编织根数,编织角度,编织节距,编织密度.计算局部中的编织计算便是采用上述公式,采用枚举法计算得出.

（六）.其它结构设计与计算:

在线缆设计中,有时为了改善线材质量需参与其它的资料.为了使线材圆整,在芯线绞合时参与填充物.为了防止导体氧化在导体绞合时外表涂B.T.A,为了改善线材附着力绝缘押出时在导体外表涂DOP或硅油,外被押出时在芯线外表拖滑石粉或云母粉.

下面依据其作用不同分类表达:

1.填充物设计与计算:

填充物主要有棉纱线和PP绳,设计时主要依据填充空隙大小,线材功用要求及材运用场所,选择填充棉纱.PP绳或其它.

填充物根数计算

N=（S空隙/S单根填物）整数局部

填充物用量

W=单根重量*N*λ

λ-----为芯线绞合的绞入系数.

2.隔离层的设计与计算:

隔离资料的选择

纸带在线材中只起分隔作用.铝箔在线材中有分隔作用与屏蔽作用.当线材只需分隔开时,选用纸带.否那么选用铝箔.有时在一些高功用的通讯线中隔离层采用无纺布或发泡PP带（如SISC）.

工艺方式

在分隔层的制造进程中,为了浪费工时,可依据状况采用绕包.拖包.纵包三种不同方式.（注绕包.拖包时角度α=40-60;纵包时角度α=90）.

物料用量

n-----为隔离层数.

t-----为隔离带厚度.

ρ---为隔离资料密度.

k-----为隔离带重迭率.

3.有关的绞入率计算:

m-----为节径比.

h------为节距.

d------线材的绞合外径.

说明1:

下面的绞入系数计算都为一个工序的计算,在实践计算物量时,应思索整个个消费进程,所以总的绞入系数能够为多个工序的绞入系数的乘积.

说明2:

设计计算时应取节距范围的下限值,以在定额中争取最大之绞入系数（而消费中采用接近最大之节距值,那么既利于提高效率,又可减低正常消费中的资料消耗）.

第二部分

电气性能计算部分

随当代电气通讯事业的飞速开展,传输信号用的电线电缆电气功用要求也越来越高,所以在通讯线材结构设计时,线材的电气功用应为重点思索对象,下面局部主要引见常用的通讯线材基本的电气功用实际计算方法.

（一）.发泡绝缘的等效介电常数的计算公式:

发泡绝缘是一种组合绝缘,主要是为了降低绝缘介质的等效介电常数,提高线材的电气功用.发泡绝缘介质的等效介电常数介于空气绝缘与塑料绝缘的介电常数之间,在设计的进程中可采用下面两种方法对发泡绝缘介质的等效介电常数停止计算.

方法

（1）:

ε-介质的资料的等效介电常数

P-发泡度%,它表示泡沫介质内,一切小气泡的体积与绝缘总体积之比.

方法

（2）:

D泡沫-----泡沫介质的比重

D资料-----介质资料自身的比重

εe-----实心绝缘的介电常数

ε------发泡绝缘的介电常数

（2）.对称电缆的结构计算:

对称通讯电缆是由许多绝缘线芯,经绞分解电缆芯后再包以护层所组成,电缆一对或多对具有相反外径及相反结构的两根绝缘线芯对地对称的陈列,因此称为对称电缆.对称电缆的导电线芯是用来引导电磁波传输方向的,因此首先要求导电功用好.要有良好的柔软性和足够的机械强度,同时也应思索其加工,敷设及运用上的方便.

下面分一次传输参数与二次传输参数来表达对称电缆的主要电气功用.

1.一次传输参数

R.L.C.G称为电缆线路的一次传输参数.这些参数与传输电磁波的电压和电流的大小有关,而与电缆的资料结构及电流的频率有关.

1.1有效电阻.

有效电阻就是当交流流过对称回路时的电阻,包括直流电阻和由经过交流而惹起的附加电阻.

R有=R直+R交

R交=R邻+R集+R金

λ----总的绞入系数

ρ----导电线芯的电阻率奥姆*平方毫米/米

l------电缆长度米

s------导电线芯的截面积平方毫米

d-----导电线芯的直径毫米

a-----回路两导体中心间距离毫米

K------为涡流系数

u------为磁导率

σ----为电导率

有关H（X）F（X）G（X）K的计算详见通讯电缆50页

1.2对称电缆的电感

当回路通以交流电后,那么在回路的导电线芯中和回路周围发生磁通

在导电线芯内的称为内磁通,在导电线芯外的称为外磁通.而电感为磁通

与惹起磁通的电流之比,所以相应于内磁通与外磁通有内电感L内与外电感L外,总电感为L=L内+L外.当对称电路有屏蔽层时,对称电缆屏蔽回路,除了有电感L内与电感L外,还有屏蔽体给传输回路带来的附加电感.

1.2.1.无屏蔽:

（H/Km）

λ----总的绞入系数

d-----导电线芯的直径毫米

a-----回路两导体中心间距离毫米

K------为涡流系数

u------为磁导率

σ----为电导率

有关Q（X）的计算详见通讯电缆54页

1.2.2.有屏蔽:

（H/Km）λ----总的绞入系数

d-----导电线芯的直径毫米

a-----回路两导体中心间距离毫米

K------为涡流系数

u------为磁导率

σ----为电导率

有关Q（X）的计算详见通讯电缆54页.

1.3对称电缆的电容

电缆回的电容与普通电容器的电容相似.两根导电线芯相当于两个电极,导电线芯间的绝缘相当于电容器极板间的介质.

当回路两导电线芯带有等量异性电荷时,此电荷的电量Q与两导电线芯间的电位差U之比,为该回路的电容,即C=U/Q.

对称电缆回路的电容是比拟复杂的,由于电缆中往往包括很多线对,而且外面又有屏蔽层或金属套,一切任何相邻的线芯间或线芯与屏蔽层.金属套都会有电容的存在.回路间的电容指各局部之和.

对称电缆回路的电容有两种:

任务电容和局部电容.一次传输参数中的电容指任务电容（任务电容为局部电容所组成）.

无屏蔽对称电缆（UTP）的电容可按下式计算﹕

F/m

适用于两导体相互平行，并且周围无其它线对的理想状况.

a-两导体的中心距（mm）

d-中心导体的直径（mm）

εe-绝缘资料的等效介电常数

关于多对结构的对称电缆，应思索线对绞合的影响以及临近线对等要素,其电容

计算公式为﹕

F/m

λ----绞合系数

φ----校正系数,思索临近线对或线对屏蔽层关于电容的影响.

校正系数φ与各结构参数之间的关系.

屏蔽对绞组

无屏蔽对绞组

a-------对称电缆导体的中心距

DS----屏蔽层内径（mm）

d2-----对绞后的外径（mm）

d1-----绝缘芯线的外径（mm）

1.4.对称电缆的绝缘电导.

绝缘电导G这个参数说明电缆线芯绝缘层的质量和电磁能在线芯绝缘中的损耗状况。

绝缘电导是由绝缘介质的特性决议的,也就是由绝缘介质的体积绝缘电阻系数和介质损耗角正切来决议的.绝缘电导G是由直流绝缘电导G0和交流电导G~组合的.计算公式如下:

G=G0+G~

G~=ω*Ctg（δ）

G0------直流损耗

G~------交流损耗

ω------电流频率

C-------任务电容

tg（δ）---介质损耗角正切

2.二次传输参数

二次传输参数是用以表征传输线的特性的参数,它包括特性阻抗ZC,衰减常数α,及相移常数。

2.1特性阻抗

特性阻抗是电磁波沿平均电缆线路传达而没有反射时所遇到的阻抗,其值仅与线路的一次传输参数和电流的频率有关,而与线路的长度有关,也与传输电压及电流的大小及负栽阻抗有关:

无屏蔽对称电缆（UTP）﹕

欧

屏蔽对称电缆（STP）﹕

欧

当对称电缆的中心导体是绞线结构，屏蔽为编织时,公式为﹕

欧

K3为编织影响的阅历修正系数,取值为0.98~0.99

K1为导体修正系数,导体结构修正系数K!

与导体根数之间的关系:

绞线内导体的导线根数

内导体结构的修正系数

1.000

0.871

0.939

0.957

0.970

绞线内导体的导线根数

内导体结构的修正系数

0.976

0.980

0.983

0.986

0.988

2.2衰减:

衰减是射频电缆的最重要的参数之一,它反映了电磁能量沿电缆传输时损耗的大小.

电缆的衰减表示电缆内行波形状下任务时传输功率或电压的损耗水平.

对称电缆在射频下的衰减可按高频简化公式如下计算:

2.2.1.无屏蔽对称电缆:

2.2.2.有屏蔽对称电缆:

f-----频率

de---绞合导体的电气等效直径d----绞合导体外径

Ds--屏蔽内径

a-----对称电缆导体的中心距εe--绝缘的等效介电常数

tg（δ）---绝缘的等效介质损耗角正切Kp1-----导体的射频电阻系数见射频电缆结构设计中表4.5Kp2-----屏蔽的射频电阻系数见射频电缆结构设计中表4.5Ks-------绞线导体的电阻系数1.25

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