绝缘设计原理

电线电缆发展及展望绝缘设计原理课程设计电气08 王俊凯 10041238综述：电线电缆是用于传输电力，传输信息和实现电磁能转换的一大类电工产品。作为输送电能、传递信息和制造各种电机、电器、仪表所不可缺少的基础设备，其重要的地位不言而喻。同时，电线电缆又是配套行业，产品必须满足不同而相关的行业的各种需求。因此，电线电缆又被誉为国民经济的“血管”和“神经”。电线电缆的应用涉及电力、信息、能源等多个领域，可以这么比喻：用于电力系统的电力电缆，好比作为人体的血管；电磁波信息传递用的电缆如同人的神经；而作为电极、仪表绕组（线圈）用的电磁线则好比心脏中的重要部件。由此可以看出，电线电缆在社会生活和所有经济活动中必不可少的作用和不可替代的地位。笔者认为，在科技发展的二十一世纪，我们有必要对这一重要电力设备的历史和基本资料有一个详细的了解。因此，本文将对电线电缆发展历史以及与之相应的基本信息和技术进行叙述。一电线电缆发展历史1、发现“电”可沿金属线传输（1800年前） 公元前500年，希腊泰勒斯发现摩擦生电。 1729年，英国人格雷发现“电”可以沿金属线传输，人类有了“导体”的概念。 1740年，法国的德札古利埃规定了导体与绝缘的定义。 1744年，德国人温克勒用电线把放电火花传输到远距离，宣告了电线的诞生。 2、“电报机”的发明推动了电报电缆的研发、应用（1875年前） 十九世纪初，丹麦的奥斯特、英国的法拉第、德国的欧姆、美国的亨利等大批欧美物理学家不断发现和创立了现代电学、电磁学的许多基础理论，为今后的电力、信息传输打开了闸门。 1833年，高斯和韦伯制成了第一部电磁指针电报机，用于1公里长的线路上，用了6年。 1835年，美国莫尔斯发明了有线电报机，促进了通信电缆的发展。 1839年，库克、惠斯登在伦敦建成了第一条21公里长的电报线路。1841年纽约港敷设了橡皮绝缘的海底电报电缆。 1851年，英国敷设了穿越英吉利海峡的海底电缆。此后，欧美各国竞相发展；二三十年间，电报电缆几乎遍连各国的主要大城市。至1920年，英国建成了连接英联邦各国、环绕世界的电报电缆网，引发了美、日等国敷设海底电报电缆的高潮。 3、线缆产品在三大领域繁荣发展（1980年前） （1）电磁线 （11875年，美国人亨利取得了第一个绝缘漆和纤维专利。2）日本在1939年开发了玻璃漆包线；1954年制成了硅酮漆包线。德国在1940年制成了聚氨酯漆包线。 3）美国道奇公司在1951年发明了自粘性漆包线；1963年制成了复合漆包线。4）美国杜邦公司在1957年发明了丙烯酸漆包线；1961年制成聚酯亚胺漆包线和聚酰亚胺漆包线；1964年制成聚酰胺-酰亚胺漆包线。 5）上海电缆研究所在1966年制成聚酰亚胺漆包线；1970年制成聚酰胺-酰亚胺漆包线。 （2）通信电缆 1）1876年，美国贝尔发明有线电话机，美国制造市内通信电缆。1889年美国WE公司开始大批量生产纸带绕包绝缘铅包市内通信电缆。 1891年英法海峡敷设最早的海底话缆。 1898年英国在伦敦与伯明翰之间敷设了一条长达46公里的19个四线组成的长途通信电缆；用至1938年又改为载波通信。 2）1921年，美国与古巴间敷设了第一条同轴海底话缆。 1932年，英国与比利时之间敷设了第一条载波传输的海底同轴电缆。 1936年，德国制造宽带同轴电缆用以传输电视。 1939年，德国、美国开发了聚乙烯料，应用于各种通信电缆。 1944年，美国与法国间敷设了距离最长的（100海里）海底电缆。 1949年，美国制成公用天线电视电缆（CATV）。 1950年，美国制成全塑（PE）皱纹铝带综合护层电话电缆。 3）1956年，英、美、加三国合作敷设了第一条跨越大西洋的对称式电话电缆，全长4300公里；1959年，美、法、加三国合作敷设了第二条大西洋海底通信电缆（同轴式）。至1976年，共敷设6条跨越大西洋的海底通信电缆。此后，在大西洋及各个海域陆续又敷设了大量的海底通信电缆，使世界各地区、各国之间信息传输全部畅通。 （3）电力系统用线缆 1、1879年，美国爱迪生发明了白炽电灯，制成黄蔴沥青绝缘电力电缆，敷设于纽约。同年，瑞士博雷尔发明压铅机，可制造铅包电缆。 1887年，美国布鲁克斯用低粘度绝缘油浸渍纸作为电力电缆的绝缘。 1888年，英国费伦蒂制成10KV油浸纸绝缘电缆（二芯，同芯式）。 1890年，美国制成三芯油浸纸绝缘电力电缆。 1893年，英国BICC公司开始生产纸力缆。 1910年，德国在柏林敷设30KV三芯电缆，1911年敷设60KV单芯电缆。2）1877年，美国托马斯发明了铜线冷拉工艺，使铜线抗拉强度和导电率大幅提高，可用于作架空导线。 1882年，德国采用铜架空线输送直流电，1886年采用美国用架空线传输交流电。 1895年，美国首次制成铝架空线；1908年采用钢芯铝绞线。1915年首次生产铜包钢线。 1922年瑞典研制出1号铝合金架空线。 3）1903年，IEC制定了靱炼铜的导电率国际标准（IACS）。 4）1917年，意大利发明了自容式充油电缆。 1923年，美国敷设66KV充油电缆；1924年敷设132KV充油电缆。 1932年，意大利在米兰敷设220KV充油电缆。 1938年，瑞典南方电厂敷设380KV充油电缆；1955年敷设425KV充油电缆。 1957年，法国制造500KV充油电缆。 1972年，美国制成500KV钢管充油电缆。 5）1937年德国首次研制出PVC绝缘电线，很快在各国得到发展。 1946年，美国首次制成15KV聚乙烯绝缘电缆；1952年采用辐照交联聚乙烯制造电线。1958年美国采用了DCP后，发明化学交联法；1967年美国康宁公司发明硅烷交联法。这些，使各种交联型线缆产品得到迅速发展。 1961年日本购得美国专利首先制造化学交联聚乙烯电力电缆，1962年制成66KV级，1973年试制275KV级交流电力电缆和500KV直流电缆。1980年研制500KV级交流电力电缆；并于2000年在东京安装，开通使用（39.8公里）。 二电线电缆基本知识1.基本分类（1）按用处分：1） 电力电线电缆电力系统采用的电线电缆产品主要有架空裸电线、电力电缆、电力设备用电气装备电线电缆等。2）通讯电线电缆用于信息传输系统的电线电缆主要有市话电缆、电视电缆、电子线缆、射频电缆、光纤缆、数据电缆、或其他复合电缆等。3）电磁线用于实现电磁能转换的线缆，漆包线、丝包线。（2）按类别分五类：1）裸电线纯的导体金属，无绝缘及护套层，如钢芯铝绞线、电力机车线等、接地软线。2）电力电缆有绝缘、铠装、护层（五芯以下，结构复杂），产品主要用在发、配、输、变、供电线路中的强电电能传输，通过的电流大(几十安至几千安)、电压高(220V至500kV及以上)。3）电器装备电缆品种规格繁多，应用范围广泛，使用电压在1kV及以下较多，耐油/耐寒/耐温/耐磨线缆、医用/农用/矿用线缆、薄壁电线等。-我们的发展方向4）通讯电缆两芯的电话线到几千对的话缆、同轴缆、光缆、数据电缆，甚至组合通讯缆等。该类产品结构尺寸通常较小而均匀，制造精度要求高。5）电磁线主要用于各种电机、仪器仪表等。2、常用电线电缆的标准代号GB国家标准；JB机械部标准；SJ电子不标准；YD邮电部标准；GY广电部；MT煤炭部标准；/T为推荐标准（1）PVC塑料电线 GB 5023-1997 JB8734-1998 P）（2）阻燃系列电线电缆 GB/T19666-2005（3）无卤低烟电线 JB/T10941-2004（4）公路车辆用电线 JB/T 8139-1999（5）室内电话线 YD/T840-1996（6） 一般用途射频同轴电缆 GB/T14864-1993、JB/T10941-2004（7） 网络线 YD/T1019-1999（8）电缆的导体 GB 3956-19972.电线电缆的结构电线电缆产品的结构元件，总体上可分为导线、绝缘层、屏蔽和护层这四个主要结构组成部分以及填充元件和承拉元件等。根据产品的使用要求和应用场合，有的产品结构极为简单。（1）导线：导线是产品进行电流或或电磁波信息传输功能的最基本的必不可少的主要构件。导线是导电线芯的简称，用铜、铝、铜包钢、铜包铝等导电性能优良的有色金属制成，以光导纤维作为导线。（2）绝缘层：是包覆在导线外围四周起着电气绝缘作用的构件。即能确保传输的电流或电磁波、光波只沿着导线行进而不流向外面，导体上具有的电位（即对周围物体形成的电位差、即电压）能被隔绝，即既要保证导线的正常传输功能，又要确保外界物体和人身的安全。导线与绝缘层是构成线缆产品（裸电线类除外）必须具备的两个基本构件。（3）屏蔽：是一种将电缆产品中的电磁场与外界的电磁场进行隔离的构件；由的线缆产品在其内部不同线对（或线组）之间也需要相互隔离。可以说屏蔽层是一种“电磁隔离屏”。高压电缆的导体屏蔽和绝缘屏蔽是为了均化电场的分布。（4）护层：当电线电缆产品安装运行在各种不同的环境中时，必须具有对产品整体，特别是对绝缘层起保护作用的构件，这就是护层。绝缘材料需要具有优良的各种电绝缘性能，则必须要求材料的纯度极高、杂质含量极微；往往无法兼顾其对外界的保护能力，所以对于外界（即安装、使用场合和使用中的）各种机械力的承受或抵抗力、耐大气环境、耐化学药品或油类、对生物侵害的防止，以及减少火灾的危害等都必须由各种护层结构来承担。（5）填充结构：很多电线电缆产品是多芯的，将这些绝缘线芯或线对成缆（或分组多次成缆）后，一是外形不圆整，二是绝缘线芯间留有很大空隙，因此必须在成缆时加入填充结构，填充结构是为了使成缆外径相对圆整以利于包带、挤护套。（6）抗拉元件：典型的结构是钢芯铝绞线、光纤光缆电缆等。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。3常用材料（1）聚氯乙烯PVC 1）一般电气参数 体积电阻率=1010 1012 m,介质损耗角正切tg(50Hz)=0.05 0.15, 介电常数48(50Hz) 2）PVC用于绝缘和护层材料. 3）PVC作为电线电缆绝缘用之性能:不易燃烧、耐老化、耐油、耐化学药品、耐冲击、易着色;但由于介电常数大,一般只作为低压电缆的绝缘材料和控制电缆的绝缘材料. 4） PVC作为电线电缆护套用之性能:具有良的耐磨性、能抵抗油、酸、碱、菌、潮气及日光照射等,并且对火焰的作用有自灭作性能;聚氯乙烯护套的最低工作温度的 -40度,耐高温可达105度 . （2）聚乙烯 (PE) 1）一般物理性能:呈白色蜡状,半透明,柔而韧,稍能伸长,比水轻,无毒;燃烧特征:易燃,离火后继续燃烧,火焰上端呈黄色而下端呈蓝色,燃烧时熔融滴落,发出石蜡燃烧时的气味;聚乙烯加工熔点范围是1321350C,着火温度为:3400C,自燃温度为:3900C 2）一般电气参数: 体积电阻率1015 m,熔融指数MI=0.17 2.0,介电常数2.252.35(50Hz) （3）乙烯 - 醋酸乙烯酯共聚物 (EVA) 1.）EVA是一类具有类傩橡胶弹性的热塑性塑料 ,它的性能与醋酸乙烯酯的(VA)的含量有很大的关系:VA越小越象高压聚乙烯,而VA越多越象橡胶VA含量低的EVA傩高压聚乙烯,柔软而抗冲击强度好,宜制造复合材料 2）EVA具有良好的弹性和低温可挠性、耐化学药品性、耐候性 3）与LDPE共聚使用,可改善LDPE的耐环境开裂性 、抗冲击性、软硬度及导体与绝缘间的附着力 （4） 聚丙烯(PP) 1）一般性质: PP的外观很象HDPE,是白色蜡状固体,比PE透明,无毒,可燃烧而且离火后会继续燃烧,并放出石油傩的气味 2）电气绝缘性能:PP是非极性材料,所以有很好的电气绝缘性;它的电绝缘性基本上类傩于LDPE,而且在广阔的频率范围内不发生变化由于它的密度极低,介电常数比LDPE还小(2.0 2.5),介质损耗角正切为0.0005 0.001,体积电阻系数为1014.m以上,击穿场强也很高,为30MV/m;再加之吸水性很小,所以PP完全可以用作高频绝缘材料 （5） 聚脂料 (DU PONT的 HYTREL - 7246) 这类材料的特点是高模数、高抗撕、高耐磨、高弹性及低滞后,适用温度的上限达1500C,大大超过其它热塑性橡胶,另外还具有优良的耐油、耐溶剂特性 （6）热塑性弹性体(Thermoplastic Elastomer,TPE),聚氨脂( Polyurethane ,PU ),热塑性聚氨脂(Thermoplastic Polyurethane,TPU) 聚氨脂是一种新发展起来的柔软而坚韧的护套材料,具有良好的韧性、强度、耐靡性、耐化学腐蚀性和抗震性,能在-550C +900C范围内保持柔软性,它还具有良好的抗辐射能力以及适于密封等优点,耐磨性比聚乙烯和聚氯乙烯好四倍PU弹性体的原料是多元醇在二异氰酸酯;分聚酯型和聚醚型两种;聚酯多元醇多用于制造对撕裂强度、承重能力、耐热性、耐化学腐蚀和耐紫外线辐射等性能有较高要求的PU料而聚醚多元醇则可使材料具有较好的低温性,耐水解性和耐征生物性三关键工艺流程及绝缘结构特性1、电线电缆产品制造的工艺特性：（1）大长度连续叠加组合生产方式大长度连续叠加组合生产方式，对电线电缆生产的影响是全局性和控制性的，这涉及和影响到：1）生产工艺流程和设备布置生产车间的各种设备必须按产品要求的工艺流程合理排放，使各阶段的半成品，顺次流转。设备配置要考虑生产效率不同而进行生产能力的平衡，有的设备可能必须配置两台或多台，才能使生产线的生产能力得以平衡。从而设备的合理选配组合和生产场地的布置，必须根据产品和生产量来平衡综合考虑。2）生产组织管理生产组织管理必须科学合理、周密准确、严格细致，操作者必须一丝不苟地按工艺要求执行，任何一个环节出现问题，都会影响工艺流程的通畅，影响产品的质量和交货。特别是多芯电缆，某一个线对或基本单元长度短了，或者质量出现问题，则整根电缆就会长度不够，造成报废。反之，如果某个单元长度过长，则必须锯去造成浪费。3）质量管理大长度连续叠加组合的生产方式，使生产过程中任何一个环节、瞬时发生一点问题，就会影响整根电缆质量。质量缺陷越是发生在内层，而且没有及时发现终止生产，那么造成的损失就越大。因为电线电缆的生产不同于组装式的产品，可以拆开重装及更换另件；电线电缆的任一部件或工艺过程的质量问题，对这根电缆几乎是无法挽回和弥补的。事后的处理都是十分消极的，不是锯短就是降级处理，要么报废整条电缆。它无法拆开重装。电线电缆的质量管理，必须贯串整个生产过程。质量管理检查部门要对整个生产过程巡回检查、操作人自检、上下工序互检，这是保证产品质量，提高企业经济效益的重要保证和手段。（2）生产工艺门类多、物料流量大电线电缆制造涉及的工艺门类广泛，从有色金属的熔炼和压力加工，到塑料、橡胶、油漆等化工技术；纤维材料的绕包、编织等的纺织技术，到金属材料的绕包及金属带材的纵包、焊接的金属成形加工工艺等等。电线电缆生产中，从原材料及各种辅助材料的进出、存储，各工序半成品的流转到产品的存放、出厂，物料流量大，必须合理布局、动态管理。（3）专用设备多电线电缆制造使用具有本行业工艺特点的专用生产设备，以适应线缆产品的结构、性能要求，满足大长度连续并尽可能高速生产的要求，从而形成了线缆制造的专用设备系列。如挤塑机系列、拉线机系列、绞线机系列、绕包机系列等。2、电线电缆的主要工艺电线电缆是通过：拉制、绞制、包覆三种工艺来制作完成的，型号规格越复杂，重复性越高。（1）拉制在金属压力加工中.在外力作用下使金属强行通过模具（压轮）,金属横截面积被压缩,并获得所要求的横截面积形状和尺寸的技术加工方法称为金属拉制。拉制工艺分：单丝拉制和绞制拉制。（2）绞制为了提高电线电缆的柔软度、整体度，让2根以上的单线，按着规定的方向交织在一起称为绞制。绞制工艺分：导体绞制、成缆、编织、钢丝装铠和缠绕。（3）包覆根据对电线电缆不同的性能要求，采用专用的设备在导体的外面包覆不同的材料。包覆工艺分：A挤包：橡胶、塑料、铅、铝等材料。B纵包：橡皮、皱纹铝带材料。C绕包：带状的纸带、云母带、无碱玻璃纤维带、无纺布、塑料带等，线状的棉纱、丝等纤维材料。D 浸涂：绝缘漆、沥青等3、塑料电线电缆制造的基本工艺流程（1）铜、铝单丝拉制电线电缆常用的铜、铝杆材，在常温下，利用拉丝机通过一道或数道拉伸模具的模孔，使其截面减小、长度增加、强度提高。拉丝是各电线电缆公司的首道工序，拉丝的主要工艺参数是配模技术。（2）单丝退火铜、铝单丝在加热到一定的温度下，以再结晶的方式来提高单丝的韧性、降低单丝的强度，以符合电线电缆对导电线芯的要求。退火工序关键是杜绝铜丝的氧化.（3）导体的绞制为了提高电线电缆的柔软度，以便于敷设安装，导电线芯采取多根单丝绞合而成。从导电线芯的绞合形式上，可分为规则绞合和非规则绞合。非规则绞合又分为束绞、同心复绞、特殊绞合等。为了减少导线的占用面积、缩小电缆的几何尺寸，在绞合导体的同时采用紧压形式，使普通圆形变异为半圆、扇形、瓦形和紧压的圆形。此种导体主要应用在电力电缆上。（4）绝缘挤出塑料电线电缆主要采用挤包实心型绝缘层，塑料绝缘挤出的主要技术要求：1）偏心度：挤出的绝缘厚度的偏差值是体现挤出工艺水平的重要标志,大多数的产品结构尺寸及其偏差值在标准中均有明确的规定。 2）光滑度：挤出的绝缘层表面要求光滑，不得出现表面粗糙、烧焦、杂质的不良质量问题. 3）致密度：挤出绝缘层的横断面要致密结实、不准有肉眼可见的针孔，杜绝有气泡的存在。 （5）成缆对于多芯的电缆为了保证成型度、减小电缆的外形，一般都需要将其绞合为圆形。绞合的机理与导体绞制相仿，由于绞制节径较大，大多采用无退扭方式。成缆的技术要求：一是杜绝异型绝缘线芯翻身而导致电缆的扭弯；二是防止绝缘层被划伤。（6）内护层为了保护绝缘线芯不被铠装所疙伤，需要对绝缘层进行适当的保护，内护层分：挤包内护层（隔离套）和绕包内护层（垫层）。绕包垫层代替绑扎带与成缆工序同步进行。（7）装铠敷设在地下电缆，工作中可能承受一定的正压力作用，可选择内钢带铠装结构。电缆敷设在既有正压力作用又有拉力作用的场合（如水中、垂直竖井或落差较大的土壤中），应选用具有内钢丝铠装的结构型。（8）外护套外护套是保护电线电缆的绝缘层防止环境因素侵蚀的结构部分。外护套的主要作用是提高电线电缆的机械强度、防化学腐蚀、防潮、防水浸人、阻止电缆燃烧等能力。根据对电缆的不同要求利用挤塑机直接挤包塑料护套。四电线电缆前景展望1.电线电缆行业基本概况国际上对电线电缆产业的产量及消费量的分析，一般以铜芯绝缘电线电缆为主，并分为动力电缆、通信电缆和绕组线三大类（与国内习惯分类有所不同），采用以美元为价值计量单位或以铜导体消耗量（重量）为主要统计单位，由于价值量的数据包含了不同时期的通货膨胀率以及材料价格的变动，因此采用铜导体消耗量的分析排除了导体价格变动的因素，相对而言比较接近实际的变化趋势。历史上，国际电线电缆传统制造地区及国家主要集中在欧洲（德国、法国、意大利、西班牙等）、北美（美国）以及东北亚(日本、韩国、中国台湾)。这种历史形成的国际电线电缆产业格局与这些地区和国家的经济发展以及工业化进程有关，通过战备兼并重组，欧日美等国的电缆巨头依靠其资金、技术、人才方面的优势已形成了跨国、跨地区的规模化或专业化电线电缆生产，其国内或区域内的产业集中度较高，在国际市场的占有份额较大，其前十位企业总销售收入占所在国家或地区市场的三分之二以上。近年来，一个明显的趋势是亚洲等新兴国家的经济增长较快、世界电线电缆的生产重心向亚洲转移，带动了中国、越南、菲律宾和中东地区的埃及等国家电线电缆产业的快速发展。同时，中东欧地区由于欧洲统一，制造成本相对低廉，电线电缆制造的增长也相当迅速。2008年世界绝缘铜电缆产量的增长幅度为4.6%，绝缘铜电缆的年产量为1256万吨，其中欧洲占25%、北美占16%、东北亚占12%、世界其它地区（包括中国）约占47%。从国际行业统计可以看出，20032010年全球电线电缆年平均保持着4.5%的增长。2010年，全球电线电缆市场规模已经达到 1050 亿欧元左右。从全球电线电缆大型企业的情况看，意大利普睿司曼公司以50亿欧元的年营业额位居世界之冠；法国耐克森公司的年营业额仅次于普睿司曼公司，位居第二；美国通用电缆公司以超过 46亿美元的年营业额名列第三，这里三大公司营业额总和约为 120 亿欧元，占全球市场的 12%以上。日本住友和日本古河的电缆业务也超过每年25亿欧元。2.当前国际电线电缆行业的主要特点：1）亚洲成为全球电线电缆第一集中区纵观目前全球电线电缆行业总体规模，亚洲市场占37%，欧洲市场接近30%，美洲市场占24%，其他市场占9%。按铜导体产量及国别划分，中国、美国、日本、德国、韩国占据全球前五位的地位（其中中国、日本、韩国均为亚洲国家）。而中国产量占全球份额的30.5%，其中中国大陆的产量占27.6%，其年增长速度在全球各国家及地区名列第一。2）发达国家产业集中度高发达国家的电线电缆行业经过多年发展，特别是面对原材料价格波动，小企业逐渐退出市场，产业集中度大幅提高：美国四家生产商控制了铜线缆9