线缆产品的绝缘结构总论

发布日期: 2017-04-27 点击数:

线缆产品的绝缘结构、型式类型很多,但通常以工艺方式分类,例如绕包式、挤包式、涂包式等等。事实上工艺方式类型的取舍,首先取决于产品设计者采用何种材料,然后再兼顾到产品对绝缘层的性能要求,因此上列三项是必须三位一体、统一考虑的。

一、绕包式绝缘结构

       1,绕包式是相对最容易、也是最古老的一种工艺方式,1836年世界上第一根低电压电力线就是用橡皮带包在铜线上构成的。后来发展为用生橡胶带纵包、接口处压实并经硫化后形成了既有弹性,又相对密封的橡皮绝缘电线。之后又陆续地开发了纸带绕包绝缘的电话电缆(1885年),用多层纸带绕包后经真空干燥并浸渍电缆油而构成的油浸纸绝缘电力电缆(1890年),直至1917年开发出纸绝缘充油高压电缆(70kv)。所以,在高分子合成材料没有研究开发出来并应用于线缆产品之前(二十世纪四十年代),绕包式是线缆产品绝缘结构的主体。

        2,由于石化工业的爆炸式发展促进了热塑性高分子材料的大量涌现——品种多、价格低、货源广,以及随之而来的挤塑技术和设备的不断开发,挤包工艺方式的众多特点是绕包式无法比较的。因此,到目前为止,只有电磁线中的绕包线,以及部分高温导线和软型防火电缆等仍采用绕包式绝缘结构。 绕包式可分为纤维绕包与纸带或合成树脂薄膜等绕包两种。

      (1)纤维绕包:用多根纤维并丝后以很小节距绕包在导体上。采用的材料有棉纱、天然丝(仅用于低压高频电工、电子设备、仪表中)和合成纤维、玻璃纤维等。 用于匝间电压较高的电机、变压器内的绕包线,一般采用二种措施来提高其耐电压性和密封性,一是绕包的导线采用漆包铜线,二是绕包后经过浸渍绝缘漆、并经过加热固化。

     (2)带式绕包:将一定宽度的绝缘带材以规定的节距分层绕在导线上而成。绕包的层数根据产品的要求,如绕包线一般只有几层,而纸绝缘电力电缆有十几层、而高压充油电缆则有一百多层。所用的带材有绝缘纸、合成树脂漆膜带(有不同耐温等级的很多品种)和粉云母复合带等。 带式绕包一般采用搭盖式,即后一圈的带子有一部分要盖住前一圈的带子称为搭接。目的是保证在导线弯曲或拉直时,前后二圈带子可在搭接处相对滑移而不会造成带子的“边”相互碰撞,造成损坏,又增加了绝缘的密封性。搭盖的比例一般为带宽的20%-25%。也可采用间隙式绕包,即前后二圈带子中间留有一定的间隙。此种绕包方式用于浸渍绝缘油组成复合绝缘结构的油浸纸绝缘电力电缆。

      (3)用于匝间电压较高的绕包线绕包后要经过浸渍绝缘,并经加热固化,用于高温电线的聚四氟乙烯带绕包层要经过高温炉烧结成密封外壳,防火电缆用的粉云母复合带通常要与其他绝缘结构并用。纸包线主要用于油浸变压器,因此实际上是油纸绝缘。

 二、挤包式绝缘结构

       橡胶是最早用作电线的绝缘材料之一,加上橡胶复合物在未硫化前具有较好的粘流性,因此约100多年前人们就研制用开有螺旋槽的螺杆,外加套筒来推挤橡胶,以制作各种橡皮管,因此也被改进用来挤制电线的橡皮绝缘层。但是挤包式的大规模扩大应用是在上世纪四、五十年代以后,是随着塑料品种和用量的飞速增长而掀起的。由于挤包式工艺与设备技术的高速发展,也由于挤包式绝缘结构具有的优点,因此,到目前为止,挤包式绝缘已成为线缆产品绝缘结构最主要的型式,在所有具有绝缘层的线缆产品品种中采用挤包式绝缘的占了90%左右。 挤包式绝缘具有下列主要特点。

      (1)适用的材料广泛。只要是加热后能有一定粘流性,且易通过温度控制其粘流性,挤出后能稳定不变形地包覆在导线上的材料,均可以采用挤包工艺。如天然橡胶、各种合成橡胶、各种热塑性材料(如聚乙烯、聚氯乙稀、聚丙烯、聚四氟乙烯),各种热塑弹性体等等。由于高分子材料在前几十年中是发展最快的材料类别,促使着电线电缆产品的更新换代,也使挤包式工艺的适用范围更为宽广。

    (2)挤包式可以使绝缘层形成一个厚度均匀、外表平整、光滑的封闭套式的结构,这对要求电场分布尽量呈辐射形状从导线表面向外递减,以求电场均匀,减小切向分量的电力电缆是非常有利的。例如对于110kv交联聚乙烯高压电力电缆,绝缘厚度为 18mm左右,但标准中要求在同一截面上,绝缘厚度的不均匀度应小于15%,而目前实际水平可控制到5-10%。 对于电话电缆、电子线缆等信息传递用的产品,虽然绝缘厚度很薄,且对耐电压性能无实质性要求,但仍然要求绝缘厚度均匀,因为不均匀会影响某一段的网络性能参数,从而影响传输性能。 同时,挤包式绝缘所具有的密闭性,对绝缘结构的综合性能肯定比绕包式要好。

    (3)由于电缆行业及电工设备行业多年来合作,对挤出机应用技术的不断研究、开发取得的巨大成效,促使了挤包式绝缘的应用范围不断扩大。

     ①通过增大螺杆的长径比(即螺杆长度与直径之比),以增大单位时间的出胶量,可以制造出很厚绝缘厚度的电缆芯,如110kv交联聚乙烯电缆,绝缘厚度为18mm,500kv电缆则达40-50mm (研制品)。同时为了防止“未交联的绝缘层”在挤出后因重力而下垂,形成绝缘厚薄不均,挤出机组必须采用悬垂式、悬垂加旋转式(即生产线的放线与收线以同一速度缓慢旋转,以阻碍粘流态的绝缘材料下垂),以及采用立塔式(即挤出后的半成品成垂直向下放线)。 单位时间出胶量大,也为高速挤出创造了条件。

      ②通过螺杆、套筒及模具的精加工,以及挤出机的精密控温,可以制出绝缘厚度极薄的绝缘层(如0.03-0.05mm),用以制作精密电工仪表用电线。

      ③采用耐高温合金钢材(即要求长期在高温下不变形、氧化)制作的螺杆、套筒,做成的挤出机,用以挤出耐高温的绝缘电线,如260°C用的聚四氟乙烯。

      ④采用在绝缘料中加入化学发泡剂,或采用物理发泡的设备,使塑料在挤出过程中均匀地高度发泡,形成泡沫聚乙烯绝缘层,其中的客气含量可达50-70%,此种结构的绝缘介电常数大大减小,又能节约原材料,成品重量轻。

      (4)挤包式工序单一、生产速度快,这是又一个非常突出的优点。 以挤出速度为例,电话电缆绝缘芯线的挤出速度最快可达2000-3000米/分,10kv级交联聚乙烯电力电缆的绝缘厚度为4.5mm,其挤出速度可达每分钟几十米,大大提高了生产效率。

     (5)有利于组成几台挤出机串连或并联的组合方式,扩大了生产能力,减少了收放线、牵引设备和生产工序。目前交联聚乙烯电力电缆和660伏矿用电缆已经普遍采用将内半导电层、绝缘层、外半导电层分列于三台串联着的挤塑橡机中,在三层共挤的模具中一次挤出。既提高效率又改善了质量。 并联的方式是在一台挤出机挤出量不足时,采用二台并联。

三、涂包式绝缘结构

      1,将液态绝缘材料涂到导体上并经过加热固化形成一层牢固的薄膜的过程,称为涂包。所以它不同于化纤材料浸渍绝缘油或绝缘漆,因此涂包工艺主要用于漆包线。具体方法是使导线通过漆槽,然后经过加热炉使配入的溶剂燃烧而漆层固化而成为漆膜。漆包线的漆层要通过在设备上多次来回浸漆、干燥固化的过程才能达到预定的绝缘厚度。 由于漆包线主要用于中小型电机、电器和各种仪表的绕组中,匝间电压很低,安装位置很小,因此只需要很薄的绝缘厚度,现行产品标准中规定的漆膜厚度最薄为0.07mm,最厚为0.15mm。

       2,漆包线绝缘结构的差异除了漆包厚度之外,主要是采用各种特性的绝缘漆料,如具有漆膜强度高,在潮湿状态中耐电压击穿性能及软化击穿性能优的聚酯漆包线(130°C)和改性聚酯漆包线(155°C),耐水性好、热冲击性和耐刮性优的缩醛漆包线,耐热性特好的聚酰亚胺漆包线(220°C)等等。

       3,为了发挥二种或二种以上漆种各自的优点,从结构上采取了内、外采用不同漆种的组合方式。即内层(涂一定的道数)用一种漆,如要求耐高温、吸附力好等,外层再涂(也要一定的道数)另一种漆,如能耐温、耐电子照射或可着色等等。因此复合结构的漆包线扩大了它们的应用领域,改进了绝缘层的适应性能。

      4,由于漆包线均被安装在电机、电器、仪表内部,因此不需要,也不太可能有护层结构(空间不允许)。因此,外部因素如外力(特别是绕制线圈时或嵌线时),温度、化学物品等。等对漆包线的侵害都必须由漆膜层来承担。总之,漆包线的绝缘结构看起来是最简单、似乎看不出什么差别的,其实它的品种与结构同样是多样化的,内容相当丰富。

四、其他型式的绝缘结构

      除了上述的绕包式、挤包式和涂包式这三大类绝缘结构的型式外,还有一些特殊的型式用于个别产品类别中,列举一些如下:

       1,间隔嵌入式主要用于大同轴、中同轴电缆,这二种电缆在光缆问世之前,是信息传递用电线电缆中作为高频大容量、长途传输的主导产品。所谓同轴结构的电缆是指来回的二条导线制造成“内导体在中央,外导体制成圆形薄壳(用铜带纵包并缝而成),以同心圆方式在绝缘层外环绕内导体”,而且内外导体之间的空隙按的规则制成(见本文上一篇)。 因此,内外导体之间的空隙距离较大,绝缘不是主要目的而间隔、支撑是主要的。所以此类产品,采用了沿长度方向径向分段嵌入聚乙烯等材料制成的开口插片,与空气组合成绝缘结构。

       2,藕芯式绝缘对于大批量生产的小同轴电缆(如有线电视网用的电视电缆),采用挤包式绝缘,但绝缘中间有许多纵向的孔,像藕芯一样。主要是使绝缘层中还有大量空气,减少绝缘的介电常数。但目前已趋于采用化学发泡或物理发泡的泡沫绝缘挤包型结构。用料省、含空气达50%以上,性能好。

       3,粉料充填式绝缘此种绝缘仅用于要求防火性特好的,外有密封金属套管的电缆中。即在一定长度的金属套管中放入1-5根导体(一般为单根线),然后将氧化镁、氧化锆之类无机粉料灌入并充填密实而制成。金属套可采用铜、不锈钢、镍等材料制成。 但这种产品单根长度不能太长,因此在安装使用时接头多,不易弯曲,产品较硬,仅供防火要求特别高的场合使用。