电线知识1.docx
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电线知识1
一、 电线电缆的简介
1. 电线电缆简介
在一般人印象中,电线电缆是个简单的概念,只是外包一层塑料的金属线而已。
作为现代电气产品之讯号传播媒介,电线电缆远比上述概念来得复杂。
从家用电话线,大哥大充电器线到办公所用计算机线,扫描线,甚至到如今的铁氟龙线,功能更超多样化和复杂化。
寻找电线电缆的根源,可追溯到历史上不少科学家。
公元1831年,英国科学家法拉第发现了“电磁感应法则”,为电线电缆的实用发展奠定了扎实的基础,1879年,美国的爱迪生发明了电灯,电灯配线因此有了广阔的前景,1881年,美国的哥尔屯,发明了“交流发电机”。
伴随着这些直接影响人类工作、生活的发明出现,电线电缆的发展也日超讯速。
1830年,法拉第制成了卷线(漆包线)。
1889年,美国的佛朗第发明了油浸纸绝缘电力电缆,此为目前所用的其本型高压电力电缆。
电线电缆的发展,主要涉及绝缘材料与导体的发展。
绝缘材料由最原始的裸线→漆包线→橡胶线→塑料线→合成材料线,进步到目前的各类线缆。
导体也相继有白金→铜→铝→光缆等等
随着科技的发展,计算机等科技产品的出现,电线、电缆之间距离也慢慢拉开,简而言之,电线系指构造简单而且芯数较少的传电线材。
电缆系指多重绞合,制造工艺复杂,或芯数较多的传电线材二者区分并不严格,通俗地讲,只要能传送电力或信号的有形物体,都可以称之为电线电缆。
性能释记:
硬铜线:
经伸线冷加工而成,具有较高的抗张强度,适用于架空输电电缆,配电线及建筑之导体。
软铜线:
硬铜线加热去除冷加工所生产之残余应力而成,富柔软性及弯曲性,并且有较高之导电率,用于制造通讯及电力线缆之导体、电气机械及各种家用电器之导线。
加外还有:
半硬铜线、平角铜线、镀锡铜线、无氧铜线、电子零件用线等。
导体电阻:
导体之电阻与其长度成正比,与其截面积成反比。
公式:
R=P×L/S (此公式适用于26℃)
式中:
P…为导体之电阻系数,L…为长度,S…为截面积。
如在20℃以下,便用以下公式:
R=P×L/S×254.5/260.5。
导电率:
以20℃时,长度1M,截面积为1m㎡之标准软铜线之电阻1/58欧(0.017241)为其准,称为100﹪导电率.电阻愈大导电率愈低,两者成反比.
拉断力:
抗张试验时,试样而使其断裂之最大荷重之力。
抗张强度:
抗张试验时,使其试样断裂,以单位面积表示之拉断力。
伸长率:
于规定之标称距离,试样经过伸长至断裂后所增加之长度与原来长度之比率。
绞线之绞向:
分为左绞(Z)和右绞(S),指观察者沿着导体或芯线之轴由远向近观向时,导体或芯线之单线沿导体或芯线之侧面绕卷,其绕卷之方向即为绞向。
绞线之绞距:
即导体或芯线之单线依螺旋一圈时之轴向长度。
耐弯曲折性:
单线一端固定,另一端加上重量使垂向下,然后来回180度地弯曲折直线断为止,弯折次数愈多表示耐弯折性愈强。
电线印字之含义:
E300956 AWM1332 22AWG200℃300VDONGGUANHUAKUNELECTRIC CO.,LTD VW-1
E300956…华坤公司在UL的档案号。
…美国认证标示。
AWM…电线的名称代号,(UL758内部线)。
一般仅用于工厂安装布线。
1332…电线分类名称号。
22AWG…电线之规格。
200℃…电线额定温度。
300V…额定电压。
DONGGUANHUAKUNELECTRIC CO.,LTD…东莞市华坤电线实业有限公司
VW-1…(垂直试样)燃烧测试。
二、电线电缆的分类
依日本电线工业协会1977年对电线电缆的分类为:
1、裸线 2、卷线 3、通讯电缆 4、电力电缆 5、被覆线
1、裸线…顾名思义,不具绝缘材料,主要传导材料为:
金、银、铝、铂等等。
2、卷线…类似电话手柄曲线。
3、通讯电缆…主要用在通讯方面的电线电缆,电话线显然是个最明显的例子。
我们举一
例子面言。
外被
绝缘
铜导体
包带
如上图电话线截面图,就是圆形电话线的一个典型例子。
我们从里到外逐一剖析,可分为:
导体、绝缘、包带、外被。
3.1导体如图中示,起传导讯号作用。
目前,所用到的材料为:
铜、镀锡铜、镀镍铜、镀银铜。
一般而言,一条导体是由若干股细铜丝组成,而较少是单一条铜丝组成。
这若干股细铜丝彼此之间还要绞合。
绞合设及绞距、绞向等概念,这在以后的产品设计中会谈到。
3.2绝缘导体之间要有绝缘材料隔离。
否则,此线材就不能使用了。
如上图个标示阴影的小圈圈,就是绝缘截面。
绝缘材料主要是塑料类,PP(聚丙烯),SR-PVC(乙烯聚合物的氯化物),PE(聚乙烯),FEP(聚全氟乙烯),PFA(可熔性聚四氟乙烯),ETFE(乙烯--四氟乙烯共聚物),ECTFE(三氟氯乙烯),PVDF(聚偏二氟乙烯)TPU() 等等。
这些绝缘材料的选择与客户要求,材料价格有关。
3.3包带这是应客户要求而设的一道工序。
材料主要是铝箔麦拉带,PT油纸带等。
一般而言,包带有防止芯线松散、遮蔽外界信号的作用。
包带方式有斜包、卷包、纵包等方式。
具体见后面详述。
3.4外被作为产品外观而倍受客户的重视。
图中半椭圆形外被是一个典型例子。
外被材料也较多不同的材料依不同的比例组成不同的配方,可以让你眼花缭乱。
其中TFL,PVC是经常用到的。
目前,我们厂将外被的外表面分为如下二种特征:
亮面、半亮雾、光泽依次降低。
其中TFL全为亮面。
4电力电缆——一般为高压传电线。
5被覆线——一般为低压传电线。
电线电缆大致可以分为上述五大类。
但依据具体的材料、形状、构造、用途的不同又可以分为74类。
例如圆线、纸卷线、市内纸绝缘通讯电缆、警报用电线等等,详见有关资料。
二、电线电缆的制作过程简介
缠绕 印字 色带 集合 印字 裁条
炼铜→伸铜→伸线→绞线→绝缘→ 成缆→ → → 编织→ → 成卷
编织 外被 填充 地线 外被 轴装
1.炼铜 目前工业应用阴极电解铜法炼铜。
2.伸铜,伸线有三种方法:
三个阶段:
粗伸(8.0>2.6mm),中伸(3.2/2.6>1.2/1.0mm),细伸(1.2/1.0>0.07/0.05mm)
3.0镀锡退火:
电线电缆导体两端镀锡目的。
3.1避免与O2接触,发生氧化。
3.2焊接方便,易于操作。
镀锡的两种方法:
3.2.1.热镀。
使用导体铜表面干净,无油渍。
3.2.1.电镀锡,导体电镀锡后表面光滑,品质好,表面薄。
4.绞线,绝缘,缠绕(编织),外被(印字),集合(包带、填充、地线),编织,外被,裁条(成卷、轴装)不过,并非所有线材都必须有上面过程,有的线材制作过程简单得多。
二、电线电缆的设计
一、导体
(一).导体线径、股数、面积与电阻之关系
1.导体的概念
能够导电的物体称之为导体。
相反,不能导电的物体称之为绝缘体。
在大自然中,铜的导电能力较强,电阻(Restistance)低。
实际上,我们经常用到的是合金导体。
例如,
镍、铬、铜线,又称之为电阻线,能产生大量的热。
由于各金属成分不一样,则电阻大小也不一样。
镀锡铜和镀镍铜是经常用到的,镀锡铜导电性能好,价格比镀镍铜低。
但是相对锡而言更易氧化。
镀镍铜它更比镀锡铜耐腐蚀,但成本高。
因此,我们通常选用镀锡铜线或镀锡绞线。
我们应该还记得下面这个公式:
L
R=P
A
R为电阻;
P为导电率;
L为线长;
A为截面积;
在工厂非常容易看到如此规格1332 20AWG(19/0.19TS)导体线材。
我们来分析一下
1332 20AWG (19 / 0.19 TS)
A B C D E
A…1332表示型号(AWG美国线规)数,20AWG其中一种.
B…19表示此导体由19股细铜丝组成.
C…“/”表示19股细铜丝是绞合在一起,我们厂所有线材都要绞合除单根之外.
D…表示19股铜丝的每股细铜丝的单根直径是0.19mm。
E…T表示镀锡铜线,S表示铜线为绞合。
2.导体线径
我们用到的线材导体直径一般比较小,从0.05mm到1.291mm。
使用线径小的导体,可以保证线材的柔软度,我们用细铜绞线代替单一粗铜导体也就是这个道理。
由于有线径大小的区分,就有了铜条、铜线、铜丝的不同称呼,他们的线径依次减小。
当然下面的简单公式将的出导体面积:
A=πr2=0.7854d2
(二)导体相关计算
1.绞距(Pitch)、掺入率的概念
绞合有两种方式:
同心绞和束绞。
在了解他们之前,我们先了解一下绞距之概念。
学过工科的同仁清楚螺杆中有螺距的概念,学过理科的同仁清楚波长之概念,绞距与螺距、波长相似,在平面上也是具有相同性质两点之距离。
如下图标
显然,相同长度之导体,绞合之细铜丝要比直放之细铜丝长。
这种就存在掺入率的概念。
用导体之长度乘上一个系数(K),就得到绞线的实际长度。
通过下面图标可以推出一个公式:
P…绞距.
L…绞距范围内芯线实际长度。
D1… 层心径。
L
从而推出:
λ= -1 ;
K=1+λ K为掺入系数。
1. 导体重量计算公式
这里的重量严格来说区别与我们以前的概念,因为它的单位是KG/KM,而不是单独的KG或G即它是单位长度线材的重量。
W=d2×6.9822×n×k1×c×k2×p×k3 W=d2×n×0.7854×8.9×1.03
式中:
d┉为单股铜线直径; N…股数 K1…铜线掺入率;
C…芯数 P…芯线对数 K2…芯线集合掺入数;
K3…对型线缆集合掺入率(芯线无对绞,K3=1);
上面公式出现了芯线掺入率、芯线对数,这是因为我们设计的线缆的芯线同样具有绞合、绞距等等概念。
3.导体绞合外径的计算
我们设计线缆包括线材外被是用量的计算,这对一个工厂来说是非常重要的。
因此,导体绞合外径的计算就有必要了。
无论是导体还是芯线都存在两种绞合:
同心绞、束绞。
名副其实,同心绞是指以一条或多条铜单线为中心,在其周围各层以左右交互之方向绞合。
每层的单线总数均比其内一层多6条。
束绞是叫所有单线,依同一方向绞合。
其它还有复合绞等等。
当导体股数(芯线条数)为7、19、37、61、95并胶合时,为同心绞;其余股数(芯数)为束绞。
导体胶合外径的计算公式如下:
同心绞胶合外径 D=(1+2n)*d
n为导体自内到外的层数;
束绞胶合外径 D=√N×1.155×d
D为绞合外径; N为导体股数。
芯线胶合外径则可参考《电子线材用量设计应用公式标准》。
前面还提到“对型线缆集合掺入率”,所谓对型即导体(芯线)两两绞合在一起,之后所有导体(芯线)再一起总绞(也可以不总绞)。
这一般是应用在要求较高电器性能的线材上。
值得一提的是,芯线绞与导体绞是相同原理,但芯线绞我们称之为芯线集合层心径的概念,如下图:
二、绝缘材料与绝缘相关计算
1.塑料材料的两种特性:
1.1热可塑性(THERMO-PLASTIC);
1.2热固性(THERMO-SETTING);
2.常用到的绝缘材料
有:
PP(Polyproplene)材料—般较亮,较硬,燃烧平稳,无太多的烟尘,有下滴现象。
价格较低。
SR-RVC(SR-Polyvinylchloride)材料—较暗,较软,燃烧有大量的烟尘。
价格较贵
FEP耐油、耐磨、电气性能好等特点。
PE(PolyEthyleneResin)材料—很亮,很软,较难加工,无下滴现象。
价格较贵。
对塑料材料而言,无论绝缘材料还是线材外被材料都有一些重要的机械特性、化学特性等等。
这可以参考《电线用塑料材料特性表》。
比重在电线电缆设计中也很重要,例如报价。
比重概念中,有一个加权平均比重的概念。
表示入下公式:
n1×ρ1+n2×ρ2
ρ平均=
n1+n2
其中:
n1ρ1…为第一种材料的比例、比重;
其中:
n2ρ2…为第二种材料的比例、比重。
2.有关绝缘的计算
2.1重量(KG/KM):
(工厂适用)
W=[πρt(D+t)+K4d2ρ]×C×K2×P×K3 W=(D2-d2)×0.7854×P
式中:
π…圆周率(3.146), ρ…比重, D…导体绞合外径(mm),
t…绝缘厚度; K4…押入系数, d…单线线径; C芯数; K2…芯线掺入率; P…对数; K3…对型电缆集合掺入率。
2.2重量(KG/KM):
(业务适用)
W=[D2-Nd2]×0.7854×ρ×C×K2×P×K3
式中:
D…绝缘外径(mm),N…导体总股数,d…单线径(mm).0.7854…π/4
2.3绝缘外径(mm)
D=2×t+d
式中:
t…绝缘厚度,d…导体绞合外径(mm)。
二、对绞、集合之绞线眼模之设计与选用
一个例子:
3C×0.75㎜2+PVC电源线(地线为裸铜).
0.75㎜2(19/0.23TS)×2C+19/0.23TS
ID=1.75mm; >
试问其绞合外径是多少?
选用多大的绞线眼模?
求出总截面积:
A=0.7854×1.75×2+0.7854×1.15×2
近似求绞合外径:
D=√(A/0.7854)≈3.6mm
但实际上眼模不能达到这个要求(D=3.6mm)
在集合盘上应按如下摆线法:
这样才不容易出现前左图中的极限现象。
因此D什还要加上一个经验值,通常加上0.5。
四、包带、包带材料及相关计算
4.1选用包带之原因
1.使线材成圆柱状(有的芯线不需要总绞,外面只包一层包带);
2.防止线材松散;
3.遮蔽,使信号不受干扰;
4.在导体与遮蔽线之间起绝缘作用;
4.2包带材料
1. AL-mylar(ρ=1.872≈1.9)
一般用单面,遮蔽面积小,遮蔽电阻大。
线材包带有两种方式:
Facc-in:
铝箔向内,用在没有线材不再经过编制或缠绕的线材场合,也起遮蔽作用;
Facc-out铝箔相对铜箔而言,铝箔软且便宜,因此使用特别广泛。
2.麦拉带(ρ=1.4)
“海翠尔Hytrel)做成带状后就是麦拉带.具有良好的抗张强力,依次,有防止松散的作用.例如用在电线电缆场合.
3.棉纸带(ρ=0.8)
棉纸带,起圆滑、柔软、绝缘作用。
例如用在鼠标线场合。
此外还有铜箔(ρ=8.89),PE带(ρ=0.93),发泡PP带等等。
4.3.包带机
目前有两种,1.附于绞线机/集合机上,适用于宽包带;
2.专用包带机,适用于较小包带;
4.4.包带方式
包带方式分纵包和横包,横包又分卷包和斜包两种方式,如下图所示:
纵包用在扁平线材和芯线不需要总绞的场合,不要求柔软度;斜包速度快;卷包柔软度好。
选择带宽:
卷包时W=3D,斜包时W=4~5D,并可以参考公司采购之包带材料宽度(w为带宽,D为包带前线材外径,又称包带下径)。
包带重叠度取决于线材直径,一般来说,不超过1/4圆弧长。
包带所用的眼模(包带进入束绞机须通过的模具)选用不可过大或过下,一般取包带后的外径(D+0.3)mm。
4.5.包带部分的计算
4.5.1重量(KG/KM):
(适用卷包或斜包)
W=(N/N-1)×π×ρ×t×(D+t1)
式中:
N…重叠度之倒数,π…圆周率(3.146),ρ…包带材料之比重,t…包带
材料之厚度,D…芯线集合外径,t1…卷包之厚度(mm)
4.5.2.包带外径(mm):
D=d+4t
式中:
d…芯线集合外径(mm),t…包带材料之厚度(mm)。
五、放线轴、卷取轴于卷取长度之关系
5.1.放线轴、卷取轴之概念
如下图标,这种轴在工厂应该看到得较多。
本厂各类成品、半成品线材在生产过程中要收集在线轴或卷取轴上。
例如芯线押出,铜绞,编织,缠绕等等工艺过程。
5.2线轴卷取长度计算公式
L=N×n×π×(d+K2×φ×n)×103M
式中:
L…线轴可包装之线缆总长度。
N=K1×W/φ…线轴内宽可排放之线行数。
(舍去两位小数点)。
K1…横排系数,以0.9计算:
W…线轴内宽(mm);φ…线缆直径(mm)
n=H/(K2×φ)…线轴空间可置放之线层数。
D…线轴筒径;
H=(D-d-2g)/2…线轴有效卷取高度(mm);D…线轴直径。
G…卷空尺寸(mm)皆以mm表示。
K2…纵系数,0.95计算
六、缠绕与编织
前面已经提到过缠绕与编织的共同作用是遮蔽,对外界电磁波产生隔离作用;保证内部信号的不受干扰,同时如果缠绕与编织接地的话,内部信号也不会泄漏,您到工厂押出就可以发现缠绕机上放线轴较小,因此缠绕后的线材都要经过倒轴(线材从一个放线轴转到令一个卷取轴)。
由于加工的要求,缠绕线如果不倒轴,在外被押出引取时会出现松脱,堵在眼模口,引起断线。
6.1.缠绕所需条数(N):
N=(D1×π/d)-3={[D1+d×π]/d}-3
式中:
D1…层心径(mm),d…缠绕铜线直径(mm),D1…缠绕下径,3是经验值,保证缠绕后的线材外表美观,否则由于缠绕铜线挨得比较紧密而容易出现交错现象,导致押出的线材外表面出现疙瘩,起伏不平.
6.1.2.重量(KG/KM):
W=d2×6.9822×N×K5
式中:
d…单线直径;N…缠绕所需条数;K5…缠绕掺入数.
6.1.3.外径(mm):
D=D1+2d
式中:
D1…缠绕下径(mm);d…单线径(mm)
6.2.缠绕制程
6.3.编织有关计算
6.3.1编织角(tanθ)
16锭编织机:
tanθ=[2π(D1+2d)p]/C
转为公制:
tanθ=(D1+2d)p×0.015461
24锭编织机:
tanθ=(D1+2d)p×0.010307
式中:
2…又向交叉编织;π…圆周率;D1…编织前外径;d…单线径;P…每英寸之目数;C…编织机之锭数.
从而可求出θ角度:
最好不要大于30°,否则编網加工时,不易翻转。
6.32添敷系数F
F=(N×P×d)/(25.4Sinθ)
式中:
N…每锭股数;P…每英寸之目数;d…单线径(mm);
6.33.编织率FOC
FOC=(2F-F2)×100%
6.3.4.重量(KG/KM)
W=d2×6.9822×M/Cosθ
式中:
d…单线径(mm);6.9822…为(π/4)×铜比重8.89之常数;M…编织总条数N×C(每锭股数×锭数).
6.3.5.编织外径(mm):
D=D1+5d
式中:
D1…编织前外径(mm);5…系数;d…单线径(mm);
6.4.编织制程
通常在设计卡等等中会看到编织的构成方式这种表示方法:
16 / 5 / 0.1
A B C D
说明:
A表示锭数,表示16锭编织机;
B表示间隔符号;
C表示股数;
D表示编织铜线的单线径.
股数目数不可以任意变得过大或过小,但是可以变化.增加目数,减少条数,则编织的速度相应降低.
七、外被及相关计算
7.1.前面讲到绝缘材料时,已谈到塑料的一些性质,这里不再重复,常用的外被材料有:
PU材料:
弹性好,耐磨,价格比PVC贵,较硬,火烧有刺激性味。
FEP:
材料:
耐热、耐寒、耐候、耐药、耐溶剂、绝缘怀能及高频性能优异、并具自润滑性,低磨擦系数等特点。
PVC材料:
色泽较暗,弹性比PU材料要差,火烧有臭味:
同样,外被材料各项物理性能与化学性能请查阅《电线用塑料材料表》。
7.2.外被押出:
本厂外被押出方式一般有:
充实押出…即芯线直接经外被押出成型,不经过包带、编织之类的加工。
如我们生产的电源线。
管状押出…有专用的押出模具,押出的外被形状成圆管状,如我们电脑上用的网络线,
管状押出保证外被押出后的光滑与正圆度。
编织押出…实际上是半空管押出,半成品线材在编织之后再经过外被押出。
如下图示三种押出线材截面图:
空管押出
编织押出
充实押出
7.3.外被部分计算
7.3.1充实押出:
2芯充实押出:
W=[(D2-2d2)0.7854]×ρ
3芯充实押出:
W=[(D2-3d2)0.7854-0.0403d2]×ρ
4芯充实押出:
W=[(D2-4d2)0.7854-0.214d2]×ρ
5芯充实押出:
W=[(D2-5d2)0.78540.542d2]×ρ
6芯充实押出:
W=πρt (D1+t)+K4d2ρ
外被押出由于同样存在押入系数