電纜結構設計與物料用量計算 電纜結構設計是把線材各組成部分參數書面化.在設計過程中,主要是根據線材的有關標準,結合本廠的生產能力,盡量滿足客戶要求.并把結果以書面形式表達出來,為生產提供依據. 物料用量計算是根據設計線材時選用的材料及結構參數,計算出各種材料的用量,為會計部計算成本及倉儲發料提供依據. 導體部分有關設計與計算: 導體在結構上有實心及絞線兩種,而其成份方面有純金屬.合金.鍍層及漆包線等.在設計過程中,對于不同的線材選用這些導體材料時,基于下面幾個方面: 1.線材的使用場所及后序加工方式. 2.導體材料的性能:導電率,耐熱性.抗張強度.加工性.彈性系數等. 1.導體絞合節距設計: 絞線中絞合節距大小一般根據絞合導體線規選取主要針對UL電子線系列, 電源線,UL444系列,CSA TR-4系列對導體的節距有要求,需根據標準設計,有時為了改善某種性能可選其它的節距.如通信線材為了降衰減選用小節距,為了提供好的彎曲性能選用較小的節距. 2.多根絞合導體絞合外徑計算: 導體絞合采用束絞方式進行,絞合外徑采用下面兩種方法計算: 方法1: 方法2: d----單根導體的直徑 D---絞合后絞合導體外徑 N---導體根數 上述兩種方法中,方法2比較適合束絞方式導體絞合外徑計算： 3.導體用量計算: 1.單根導體 2.絞合導體 d----單根導體直徑 ρ—導體密度 N---導體絞合根數 λ---導體絞入系數 注:用量計算為單芯時導體用量,當多芯時須考慮芯線絞合時的絞入系數. 4.導體防氧化. 為防止導體氧化, 可在導體絞合時, 加BAT或DOP油(如電源線，透明線)。 擠出部分有關的設計與計算: 押出部分包括絕緣押出.內被押出及外被押出,在押出過程中,因對線材要求不同采用押出方式不同.一般情況下,絕緣押出采用擠壓式,內護層與外護層采用半擠管式.有時為了滿足性能要求采用擠管式.其具體選擇方法,參照押出技術. 1.押出料的選擇: 設計過程中押出料的選擇主要根據膠料的用途、耐溫等級、光澤性、軟硬度、可塑劑耐遷移性、無毒性能等來選擇. 2.押出外徑: D2=D+2＊T D------押出前外徑 D2----押出后外徑 T------押出厚度 押出厚度T主要根據線材有關標準,結合廠內設備生產能力盡量滿足客戶要求. 3.膠料用量: 采用不同的押出方式,押出膠料用量計算公式也有不同. 擠管式 擠壓式 W=S成品截面-S纜芯內容物＊ρ ρ-----膠料密度. 考慮到線材的公差, 現期線纜企業一般采用下面計算方法. W=3,14159＊1.05＊T＊2＊D+T＊ ρ 芯線絞合有關設計與計算: 芯線絞合國內稱為成纜，是大多數多芯電纜生產的重要工序之一。由若干絕緣線芯或單元組絞合成纜芯的過程稱芯線絞合。其原理類似如導體絞合，芯線絞合的一般工藝參數計算及線芯在絞合過程中的變形與絞線相似。芯線絞合根據絞合絕緣線芯直徑是否相同分為對稱絞合和不對稱絞合。因為芯線在絞合過程中有彎曲變形,有些較粗絕緣芯線在絞合過程采用退扭。如UL2919、CAT.5、IEEE1394、DVI芯線及其它高發泡絕緣芯線。以下分幾個方面敘述芯線絞合的工藝參數計算: 1.對絞: 對絞線的等效外徑: D=1.65d或1.71d 軟質用1.65d,硬質用1.71d,sometimes D=1.86d 復對絞線等效外徑﹕ D=2.6d 多對數絞線等效外徑﹕ 對絞節距. 根據對絞組對數,芯線外徑選取. 2. 多芯絞合: 絞合外徑當芯線根數不多時,按正規絞合計算.見下表. 芯線排列方式及芯線絞合外徑計算可根據下表: 當芯線根數較多并線徑較小的情況下,可按束絞近似計算導體絞合外徑計算公式 絞合節距 一般絞合節距取絞合外徑的15~20倍.有時為了改善線材性能,可選擇合適的節距.如為了改善線材的彎曲性能降低絞合節距.USB電纜為了減小芯線變形,采用大節距.
3. 有關絞合中的基圓直徑.節圓直徑.絞合外徑
基圓直徑:對于某一絞線層,絞線前芯線直徑稱基圓直徑.
節圓直徑:單線絞合在直徑為D0的圓柱體上,以單線軸線至絞線軸線的距離為半徑的圓為節圓,其直徑為節圓直徑.
絞合外徑:該層絞線的外接圓直徑為絞線外徑.
圖中對于第三層絞合: 基圓直徑為D0即第二層1+6絞合的絞合外徑
節圓直徑為D’ D’=D0+d
絞合外徑為D D=D’+d
4.絞入系數:
芯線絞合的絞入系數為1+圓周率X絞合外徑/絞合節距的二次方.
D----絞合外徑.
H----絞合節距.
在絞線過程中,對于多芯并芯線分層的情況,雖然為束絞,各層芯線絞入系數并不相同.為了保守起見,增大安全系 數,并且減化計算,所以在上述絞入系數的計算中D采用芯線絞合的絞合外徑理論上,各層的絞合系數應為節圓直徑代入上式計算.
斜包有關的設計與計算
斜包在線材中主要起屏蔽作用，有時作為同軸電纜的外導體。
屏蔽目的是將外界干撓消除，對于同軸電纜，由于有屏蔽層而使阻抗得以匹配,降低信號或傳輸能量之損失。
從屏蔽效果來講，斜包不如編織，其屏蔽效果具有方向性，彎曲時屏蔽特性發生變化但其具有完成外徑小、線材柔軟、價格也比較低特點。適用于低頻屏蔽。以下從幾個方面敘述斜包結構設計:
1.斜包的銅線根數近似計算:
整數部分
D-----斜包前外徑.
d------斜包銅線的直徑.
如果是二、三芯絞合，絞合后不圓整，D斜包前外徑為等效外徑。
此設計中的D斜包前外徑，相當絞線中基圓直徑。從理論計算上講,要達到100斜包D應采用節圓直徑，但為了防止有時因節距選取較少及其它因素而產生過滿容易起股。所以D采用斜包前外徑基圓直徑。在實際生產中，因斜包銅絲一般為0.10mm、0.12mm的細線，其值在上述計算中忽略影響不大。采用上面公式計算，其斜包滿度可達90以上，對線材的性能影響很少。
2.斜包節距的選擇:
斜包節距根據斜包前外徑大小選擇，一般按下面優化節距選取此優化節距考慮到成本、附著力、外觀等方面，并通過長時間生產驗證。
成品外徑 斜包節距
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.絞入系數:
斜包的絞入系數為1+圓周率X斜包后外徑/斜包節距的二次方.
D----斜包后外徑.
H----斜包節距.
4.斜包銅線的用量:
d----斜包導體直徑
ρ—斜包導體密度
N----斜包導體根數
λ---斜包導體絞入系數
5.斜包方向選擇.
斜包一般采用與成纜的反方向：斜包線材生產過程中，斜包銅絲與斜包前線材轉動方向相反，如果斜包方向與成纜方向相同時，斜包過程中會先把成纜線材先反扭，使線材松散，以致斜包易出現不良。 不過采用反方向斜包線材相對較硬，彎曲性能差。對于那些成纜芯線少,芯線線徑較大，沒有隔離層的線材只能采用與成纜反方向。
6.斜包線材外被押出:
斜包線材在外被押出前需通過倒軸， 防止斷絲在過押出眼模時引起斷線
編織有關的設計與計算
編織與斜包相似，在線材中主要起屏蔽作用，防止外界電場與磁埸的影響，提高線材的干撓防衛度，與斜包、鋁箔相比具有以下特點：
1.屏蔽無方向性.
2.高頻屏蔽特性良好,適用于高頻屏蔽.
3.通過多層屏蔽,屏蔽效果可達100.
4.彎曲時屏蔽特性無變化.
1.編織有關的計算公式:
編織角正切:
編織系數:
編織密度:
編織用量:
h-----編織節距.
d-----編織單線直徑.
a-----編織半綻子數.
n----編織并線根數.
α—編織角
2.編織各參數的確定:
1.根據纜芯外徑大小，及編織密度大小選定編織機類型16錠或24錠高低速編織機
2.選定適應編織機的編織單根銅線鍍錫或裸銅線Φ0.08mm,Φ0.10mm, Φ.12mm。
3.密度M.編織角度α.節距H的確定.
注:每錠中的根數應在3-9根的范圍內，因為根數少編織易斷線，而根數太多使得編織層同層內的銅線重疊，編織角度通常在50-70的范圍內，為提高生產效率則編織角度去接近70的值，由上述公式預算各參數，采用湊算法確定的適當的編織根數、編織角度、編織節距、編織密度。計算部分中的編織計算便是采用上述公式，采用枚舉法計算得出 其它結構設計與計算:
在線纜設計中，有時為了改善線材質量需加入其它的材料。為了使線材圓整，在芯線絞合時加入填充物；為了防止導體氧化在導體絞合時表面涂B.T.A為了改善線材附著力絕緣押出時在導體表面涂DOP或硅油，外被押出時在芯線表面拖滑石粉或云母粉。下面根據其作用不同分類敘述:
1.填充物設計與計算:
填充物主要有棉紗線和PP繩，設計時主要根據填充空隙大小、線材性能要求及材使用場所，選擇填充棉紗、PP繩或其它。
填充物根數計算
N=S空隙/S單根填物整數部分
填充物用量
W=單根重量＊N＊λ
λ-----為芯線絞合的絞入系數.
2.隔離層的設計與計算:
隔離材料的選擇：紙帶在線材中只起分隔作用；鋁箔在線材中有分隔作用與屏蔽作用。當線材只需分隔開時，選用紙帶；否則選用鋁箔。有時在一些高性能的通信線中隔離層采用無紡布或發泡PP帶如SISC
工藝方式
在分隔層的制造過程中,為了節約工時,可根據情況采用繞包.拖包.縱包三種不同方式.注繞包.拖包時角度α=40-60;縱包時角度α=90.
物料用量
n-----為隔離層數.
t-----為隔離帶厚度.
ρ---為隔離材料密度.
k-----為隔離帶重疊率.
3.有關的絞入率計算:
m-----為節徑比.
h------為節距.
d------線材的絞合外徑.
說明1:上面的絞入系數計算都為一個工序的計算,在實際計算物量時,應考慮整個個生產過程,所以總的絞入系數可能為多個工序的絞入系數的乘積.
說明2: 設計計算時應取節距范圍的下限值,以在定額中爭取最大之絞入系數而生產中采用接近最大之節距值,則既利于提高效率,又可減低正常生產中的材料消耗.
電氣性能計算部分
隨當代電氣通信事業的飛速發展，傳輸信號用的電線電纜電氣性能要求也越來越高，所以在通信線材結構設計時，線材的電氣性能應為重點考慮對象，下面部分主要介紹常用的通信線材基本的電氣性能理論計算方法：
發泡絕緣的等效介電常數的計算公式:
發泡絕緣是一種組合絕緣，主要是為了降低絕緣介質的等效介電常數，提高線材的電氣性能。發泡絕緣介質的等效介電常數介于空氣絕緣與塑料絕緣的介電常數之間，在設計的過程中可采用下面兩種方法對發泡絕緣介質的等效介電常數進行計算。
方法1:
ε-介質的材料的等效介電常數
P-發泡度,它表示泡沫介質內,所有小氣泡的體積與絕緣總體積之比.
方法2:
D泡沫-----泡沫介質的比重
D材料-----介質材料本身的比重
εe----- 實心絕緣的介電常數
ε------ 發泡絕緣的介電常數
對稱電纜的結構計算:
對稱通信電纜是由許多絕緣線芯，經絞合成電纜芯后再包以護層所組成，電纜一對或多對具有相同外徑及相同結構的兩根絕緣線芯對地對稱的排列，因此稱為對稱電纜。對稱電纜的導電線芯是用來引導電磁波傳輸方向的，因此首先要求導電性能好，要有良好的柔軟性和足夠的機械強度，同時也應考慮其加工，敷設及使用上的方便。
下面分一次傳輸參數與二次傳輸參數來敘述對稱電纜的主要電氣性能：
1.一次傳輸參數
R.L.C.G稱為電纜線路的一次傳輸參數：這些參數與傳輸電磁波的電壓和電流的大小無關，而與電纜的材料結構及電流的頻率有關：
1.1有效電阻.
有效電阻就是當交流流過對稱回路時的電阻,包括直流電阻和由通過交流而引起的附加電阻.
R有=R直+R交
R交=R鄰+R集+R金
λ----總的絞入系數
ρ----導電線芯的電阻率 歐姆＊平方毫米/米
l------電纜長度 米
s------導電線芯的截面積 平方毫米
d-----導電線芯的直徑 毫米
a-----回路兩導體中心間距離 毫米
K------為渦流系數
u------為磁導率
σ----為電導率
1.2對稱電纜的電感
當回路通以交流電后,則在回路的導電線芯中和回路周圍產生磁通 ,在導電線芯內的稱為內磁通,在導電線芯外的稱為外磁通.而電感為磁通 與引起磁通的電流之比,所以相應于內磁通與外磁通有內電感L內與外電感L外,總電感為 L=L內+L外.當對稱電路有屏蔽層時,對稱電纜屏蔽回路,除了有電感L內與電感 L外,還有屏蔽體給傳輸回路帶來的附加電感.
1.2.1.無屏蔽:
H/Km
λ----總的絞入系數
d-----導電線芯的直徑 毫米
a-----回路兩導體中心間距離 毫米
K------為渦流系數
u------為磁導率
σ----為電導率
有關 QX的計算詳見通信電纜54頁
1.2.2.有屏蔽:
H/Km
λ----總的絞入系數
d-----導電線芯的直徑 毫米
a-----回路兩導體中心間距離 毫米
K------為渦流系數
u------為磁導率
σ----為電導率
1.3對稱電纜的電容
電纜回的電容與一般電容器的電容相似.兩根導電線芯相當于兩個電極,導電線
芯間的絕緣相當于電容器極板間的介質.
當回路兩導電線芯帶有等量異性電荷時,此電荷的電量Q與兩導電線芯間的電位差U之比,為該回路的電容,即C=U/Q.
對稱電纜回路的電容是比較復雜的,因為電纜中往往包括很多線對,而且外面又有屏蔽層或金屬套,所有任何相鄰的線芯間或線芯與屏蔽層.金屬套都會有電容的存在.回路間的電容指各部分之和.
對稱電纜回路的電容有兩種: 工作電容和部分電容.一次傳輸參數中的電容指工作電容工作電容為部分電容所組成.
無屏蔽對稱電纜UTP的電容可按下式計算﹕
F/m
適用于兩導體相互平行，并且周圍無其它線對的理想情況.
a-兩導體的中心距mm
d-中心導體的直徑mm
εe-絕緣材料的等效介電常數
對于多對結構的對稱電纜，應考慮線對絞合的影響以及鄰近線對等因素, 其電容
計算公式為﹕
F/m
λ----絞合系數
φ----校正系數,考慮鄰近線對或線對屏蔽層對于電容的影響.
校正系數φ與各結構參數之間的關系.
屏蔽對絞組
無屏蔽對絞組
a-------對稱電纜導體的中心距
DS----屏蔽層內徑mm
d2-----對絞后的外徑mm
d1-----絕緣芯線的外徑mm
1.4.對稱電纜的絕緣電導.
絕緣電導G這個參數說明電纜線芯絕緣層的質量和電磁能在線芯絕緣中的損耗情況.絕緣電導是由絕緣介質的特性決定的,也就是由絕緣介質的體積絕緣電阻系數 和介質損耗角正切來決定的.絕緣電導G是由直流絕緣電導G0和交流電導G~組合的.計算公式如下:
G=G0+G~
G~=ω＊Ctgδ
G0------直流損耗
G~------交流損耗
ω------電流頻率
C-------工作電容
tgδ---介質損耗角正切
2.二次傳輸參數
二次傳輸參數是用以表征傳輸線的特性的參數,它包括特性阻抗ZC,衰減常數α,及相移常數.
2.1特性阻抗
特性阻抗是電磁波沿均勻電纜線路傳播而沒有反射時所遇到的阻抗,其值僅與線路的一次傳輸參數和電流的頻率有關,而與線路的長度無關,也與傳輸電壓及電流的大小及負栽阻抗無關:
無屏蔽對稱電纜UTP﹕
歐
歐
屏蔽對稱電纜STP﹕
歐
歐
當對稱電纜的中心導體是絞線結構，屏蔽為編織時,公式為﹕ 歐
K3為編織影響的經驗修正系數,取值為0.98~0.99
K1為導體修正系數,導體結構修正系數K!與導體根數之間的關系:
絞線內導體的導線根數
N
1
3
7
12
19
內導體結構的修正系數
K1
1.000
0.871
0.939
0.957
0.970
絞線內導體的導線根數
N
27
37
50
70
90
內導體結構的修正系數
K1
0.976
0.980
0.983
0.986
0.988
2.2衰減 :
衰減是射頻電纜的最重要的參數之一,它反映了電磁能量沿電纜傳輸時損耗的大小.電纜的衰減表示電纜在行波狀態下工作時傳輸功率或電壓的損耗程度.
對稱電纜在射頻下的衰減可按高頻簡化公式如下計算:
2.2.1.無屏蔽對稱電纜:
2.2.2.有屏蔽對稱電纜:
f-----頻率
de---絞合導體的電氣等效直徑
d----絞合導體外徑
Ds--屏蔽內徑
a-----對稱電纜導體的中心距
εe--絕緣的等效介電常數
tgδ---絕緣的等效介質損耗角正切
Kp1-----導體的射頻電阻系數 見射頻電纜結構設計中表4.5
Kp2-----屏蔽的射頻電阻系數 見射頻電纜結構設計中表4.5
Ks-------絞線導體的電阻系數 1.25
KB------編織屏蔽的電阻系數 2.0
K3------編織對阻抗影響的系數 0.98~0.99
同軸電纜的電氣參數計算:
同軸電纜的一個回路是同軸對,它是對地不對稱的.在金屬圓管稱為外導體內配置另一圓形導體稱為內導體,用絕緣介質使兩者相互絕緣并保持軸心重合,這樣所構成的線對稱同軸對。同軸電纜可用于開通多路栽波通信或傳輸電視節目,也可用同軸電纜傳輸高數碼的數據信息如UL2919屏幕線
1.一次傳輸參數:
同軸電纜的一次傳輸參數主要隨電流的頻率及電纜結構尺寸D/d變化而變化.
1.有效電阻,隨頻率的增大而增大.而與內外導體直徑比沒直接的關系.
2.電感隨頻率的增大而減小,隨內外導體直徑比增大而增大.
3.電容與頻率無關,隨直徑比的增大而減小.
4.電導與頻率基本上成正比,隨直徑的增大而減小.
具體計算公式如下:
1.1.有效電阻:
同軸電纜的有效電阻包括內導體的有效電阻及外導體的有效電阻,當內外導體都是銅導體時,總的有效電阻為:
歐姆/公里
1.2有效電感:
同軸回路的電感由內.外導體的內電感和內外導體之間的外電感組成,當內外導體都是銅時,回路的電感為:
亨/公里
同軸電纜的電氣參數計算:
同軸電纜的一個回路是同軸對,它是對地不對稱的.在金屬圓管稱為外導體內配置另一圓形導體稱為內導體,用絕緣介質使兩者相互絕緣并保持軸心重合,這樣所構成的線對稱同軸對。同軸電纜可用于開通多路栽波通信或傳輸電視節目,也可用同軸電纜傳輸高數碼的數據信息如UL2919屏幕線
1.一次傳輸參數:
同軸電纜的一次傳輸參數主要隨電流的頻率及電纜結構尺寸D/d變化而變化.
1.有效電阻,隨頻率的增大而增大.而與內外導體直徑比沒直接的關系.
2.電感隨頻率的增大而減小,隨內外導體直徑比增大而增大.
3.電容與頻率無關,隨直徑比的增大而減小.
4.電導與頻率基本上成正比,隨直徑的增大而減小.
具體計算公式如下:
1.1.有效電阻:
同軸電纜的有效電阻包括內導體的有效電阻及外導體的有效電阻,當內外導體都是銅導體時,總的有效電阻為:
歐姆/公里
1.2有效電感:
同軸回路的電感由內.外導體的內電感和內外導體之間的外電感組成,當內外導體都是銅時,回路的電感為:
亨/公里
1.3同軸電纜電容﹕
同于同軸電纜無外部電場,所以同軸對的工作電容就等于同軸對內外導體間的部分電容,電容計算可按圓柱形電容器的電容公式來計算:
Dw-外導體結構的修正系數理想外導體Dw=0,非理想外導體Dw=編織外導體中的單線直徑
K1-內導體結構的修正系數,
D1-同軸線外導體內徑mm
1.4絕緣電導:
同軸對的絕緣導體G由兩部分組成: 一是由絕緣介質極化作用引起的交流電導G~,另一個部分是由于絕緣不完善而引起的直流電導G0:
G=G0+G~
G~=ωCtgδ
G0------直流損耗
G~------交流損耗
ω------電流頻率
C-------工作電容
tgδ---介質損耗角正切
2.二次傳輸參數:
二次傳輸參數是用以表征傳輸線的特性參數,它包括特性阻抗ZC,衰減常數α,及相移常數.
2.1.同軸電纜特性阻抗﹕
2.1.1.對于斜包,鋁箔縱包可近似看作是理想外導體,計算如下:
2.1.2.編織外導體,絞線內導體計算如下:
D---外導體外徑
d----內導體外徑
Dw---編織導體直徑
K1----導體結構修正系數
2.2同軸電纜衰減的計算公式:
αR-導體電阻損耗引起的衰減分量,導體衰減電阻衰減
當內外導體都為圓柱形導體時:
db/km
當內導體是絞線,外導體是編織時:
db/km
D.d----外導體內徑.內導體外徑
K1-----導體結構修正系數
ε-----絕緣介電常數
KS-----絞線引起射蘋電纜電阻增大的系數,KS=1.25
KB-----編織引起射蘋電纜電阻增大的系數
Dw----編織外導體中的單線直徑
KP1,KP2-分別表示內,外導體與標準軟銅不同時引起射頻電阻增大或減小
的系數.
編織系數KB還可用如下計算方法求出:
m----為編織的錠數
n-----為每錠編織線中的導線根數
β-----為編織角編織導線的方向