信號電纜絞合節距對電性能和投產長度的影響

陳錦梅

寶勝科技創新股份有限公司 江蘇揚州 225800

1 研究背景

在普通信號電纜生產過程中,需要進行導體、對絞、成纜等工序的多次絞合。由于不同的生產工藝需求,每次絞合均會產生不同的絞入因數。在進行導體結構工藝參數設計過程中,根據不同類型電纜的不同需求,既需要考慮導體自身絞合節距,又需要考慮對絞節距和成纜節距的多次絞合對導體直流電阻的影響。在這一過程中,還需要考慮經過多次絞合后實際投產長度與成品交貨長度的差異,避免造成生產浪費,增加生產成本。由此可見,絞合節距的優化屬于多目標優化問題。筆者就絞合節距對成品電纜電性能與投產長度的影響進行分析。

2 標準要求

在信號電纜的生產過程中,當信號電纜的導體為第1種實心導體時,不需要考慮導體的絞合節距。當信號電纜的導體為第2種絞合導體、第5種和第6種軟導體時,需要考慮導體的絞合節距。通常,導體的絞合節距由各個電纜生產制造廠家根據使用設備進行設計,最終滿足國家標準所規定的成品直流電阻。

普通信號電纜的工藝流程為導體、擠包絕緣、對絞絞合、分屏蔽、成纜絞合、總屏蔽、護套。

由于對信號電纜目前沒有相應的國家標準,因此在電纜行業中引用相關的行業標準或技術標準,包括JB/T 13486—2018《計算機與儀表屏蔽電纜》和TICW/06—2009《計算機與儀表電纜》。這些標準均提出電纜中非屏蔽成纜元件和相鄰成纜元件宜采用不同的絞合節距,1.5 mm2導體截面及以下任意成纜元件的最大對絞絞合節距應為100 mm,2.5 mm2導體截面及耐火型電纜任意成纜元件的最大對絞絞合節距應為120 mm,纜芯成纜絞合節距應不大于成纜外徑的25倍。

以上是目前行業中對普通信號電纜對絞節距和成纜節距的要求。目前,市場上出現了較多的消防類信號電纜,其對絞節距不大于每根絕緣線芯外徑的16倍,成纜節距不超過電纜外徑的8倍。僅從成纜節距對比,消防類信號電纜成纜節距遠小于普通信號電纜,這對成品電纜的導體直流電阻形成挑戰。因此,消防類信號電纜在生產中需要重新設計導體的結構工藝參數,重新驗證生產設備能力,明確為滿足交貨長度而實際的投產長度。

由此可見,對于消防類信號電纜,既要滿足客戶要求的對絞節距和成纜節距,又要考慮絞合節距對成品電纜電性能及投產長度的影響。

3 絞合節距對電性能影響

3.1 電性能重要性

電性能是各類電線電纜最基本的特性,反映了各類電線電纜傳輸電能的能力,以及承受工作電壓的安全裕度、工作狀態下滿足的電絕緣性能。電性能對于電線電纜而言尤為重要。電性能的要求是多方面的,也極為嚴格。在設計電線電纜時,必須精確進行電性能計算,作為選擇材料和結構的依據。

導電線芯直流電阻是電線電纜的基本電性能之一,一般要求直流電阻小,以減少線路損耗。電纜導體的直流電阻應符合GB/T 3956—2008《電纜的導體》的要求。

3.2 導體直流電阻計算

單位長度電纜的導體直流電阻R計算式為:

R=ρ20[1+α(θ-20)]k1k2k3k4k5/A

(1)

式中:A為導體截面積,如果導體由n根直徑為d的單絲絞合而成,那么A為nπd2/4;ρ20為導體材料在溫度為20 ℃時的電阻率,標準軟銅為0.017 241 Ω·mm2/m,標準硬鋁為0.028 64 Ω·mm2/m,或對標企業產品電阻率;α為導體電阻的溫度系數,標準軟銅為0.003 93 K-1,涂鍍錫軟銅為0.003 85 K-1,軟銅制品為0.003 95 K-1,標準硬鋁及硬鋁制品為0.004 03 K-1,軟和半硬鋁制品為0.004 10 K-1;k1為單根導線加工過程中引起金屬電阻率增大所引入的因數,與導線直徑大小、金屬種類、表面有否涂層有關,根據IEC 288規定取值;k2為用多根導線絞合而成的線芯使單根導線長度增大所引入的因數;k3為緊壓線芯過程中使導線發硬、電阻率增大所引人的因數,約取1.01;k4為成纜絞合使線芯長度增大所引入的因數;k5為考慮導線允許公差所引入的因數,非緊壓線芯結構為[d/(d-e)]2,e為導線容許公差,緊壓結構線芯約取1.01。

對消防類信號電纜計算導體直流電阻時,k1可以根據相關標準進行取值。電纜采用非緊壓線芯,k3無需考慮。k5可以通過導體的公差來進行取值。因此在進行工藝參數設計時,重點需要考慮的是k2和k4的取值。

3.3 絞合工藝參數

電纜絕緣線芯對絞或成纜絞合過程與電纜導體絞合原理相似,因此線芯絞合工藝參數及絞合過程中的變形與絞線也相似,絞合工藝參數如圖1所示。

圖1 絞合工藝參數

圖1中,α為螺旋升角,即展開后的單線與絞線的斷面之間形成的夾角;h為絞合節距,即單線按照螺旋升角在內層上繞一整圈的絞線軸向距離;D為絞線最終直徑,即絞線實際測量直徑;D′為絞線節圓直徑,即由最外層單線中心線所構成的絞線直徑,數值等于絞線最終直徑減去單絲直徑。

成纜因數見表1。

表1 成纜因數

3.4 節距計算

絞合節距在電纜實際生產過程中是由測量得到的。作為工藝人員,應根據相關電纜標準規定的理論節距比及理論外徑,計算理論絞合節距。由于理論節距與實際絞合節距存在一定的誤差,由此引入實用節距比這一概念。絞合節距與絞線節圓直徑之比稱為理論節距比,絞合節距與絞線最終直徑之比稱為實用節距比。實用節距比m計算式為:

m=h/D

(2)

理論節距比m′計算式為:

m′=h/D′=mD/D′

(3)

3.5 絞入因數計算

絞入因數k與理論節距比m′的關系式為:

(4)

另有:

k2=kk′

(5)

式中:k′為修正因數。

關系式適用于計算多根導線絞合而成的線芯。需要指出的是,絞入因數會因設備種類、設備精度、設備狀態的不同而不同。因此,在實際應用時,為保證計算的正確性,需要結合設備的具體情況進行修正,即引入修正因數k′。

3.6 計算實例

消防類信號電纜的對絞節距、成纜節距與普通信號電纜不同,原有的導體結構無法滿足設計要求。以RVVSP 4×2×0.75消防類信號電纜為例,根據上述計算式對標稱截面積0.75 mm2的導體電阻、不同對絞節距下的導體直流電阻、成纜之后的導體直流電阻進行計算。在Excel軟件中將導體結構、絕緣線芯直徑、對絞節距、成纜節距、成纜芯數、纜芯長度設為可變參數,根據實際需要生產的電纜結構進行改變,可自動計算求得導體直流電阻。單芯導體直流電阻理論計算值為21.71 Ω/km,實際測量值為21.80 Ω/km。對絞后導體直流電阻見表2,成纜后導體直流電阻見表3。

表2 對絞后導體直流電阻

表3 成纜后導體直流電阻

經過多次大批量生產驗證,理論節距比越小,絞入因數越大,在相同的長度要求下,絕緣線芯的實際用量增加。由于絕緣線芯的導體電阻和絞入因數成正比,因此將導致單位長度電纜的導體直流電阻和質量的增大。將絞合節距對成品電阻影響的計算結果用于指導實際生產制造過程,可以控制導體直流電阻余量。

4 絞合節距對投產長度影響

4.1 投產長度重要性

投產長度指根據交貨長度確定成纜纜芯長度,再由后道生產工序要求長度推算出前道工序所需生產長度,以此計算求得的單根導體在拉絲絞合工序的長度。

對于多組信號電纜而言,電纜纜芯由多組不同對絞節距的對絞線對成纜而成,因而每一組對絞線對的絞入因數不同。如果在電纜纜芯生產制造過程中,未能合理確定絕緣單線的長度,那么對絞機絞合的不同節距的多組線對經成纜機成纜后,將出現線對尾線長短不一的情況,會造成不必要的浪費。由此可見,確定各工序的投產長度對減小多組對絞線對在成纜時的余線長度非常關鍵。

4.2 投產長度計算

在計算投產長度時,考慮調試護套擠出、調試噴碼印字、性能檢測、成圈包裝,需要預留10～20 m損耗長度,因此成纜纜芯長度LC為:

LC=L+20

(6)

式中:L為交貨總長度。

對絞線對長度LD的計算式為:

LD=LCkCk′/kLC

(7)

式中:kC為成纜絞入因數;kLC為成纜拉伸因數。

絕緣線芯長度LJ的計算式為:

LJ=LDkDk′/kLD

(8)

式中:kD為對絞絞入因數;kLD為對絞拉伸因數。

4.3 拉伸因數計算

在成纜過程中,單根絕緣線芯實際受到的拉力為F,軸向拉力為F1,徑向拉力為F2,成纜角θ與螺旋升角α互為余角。F1正比于cosθ,成纜角越小,單根絕緣線芯實際受到的軸向拉力越大,越容易出現拉伸變形。

對于成纜角θ,有:

(9)

可見,實用節徑比越大,成纜角越小,單根絕緣線芯承受的拉力越大。

式(7)、式(8)成立的條件是對絞線對或絕緣線芯在絞制時不被拉伸。雖然目前大多數電纜生產制造廠家采用的是主動放線設備,對絞線對或絕緣線芯在絞制過程中的拉伸相對采用被動放線設備小,但是在實際制造過程中仍然無法滿足不被拉伸的要求。在確定對絞線對或絕緣線芯拉伸因數時,既要考慮對絞工序的拉伸,也要考慮成纜工序的拉伸,并且主要考慮在合適的放線張力下絕緣線芯的導體拉伸,由此,成纜拉伸因數、對絞拉伸因數分別可取經驗值1.001 98、1.002 35。

4.4 計算實例

以RVVSP 4×2×0.75消防類信號電纜為例,對標稱截面積0.75 mm2的導體經絕緣、對絞、成纜等工序后得到的投產長度進行計算。將計算式編入Excel軟件,方便進行計算,計算結果見表4。

表4 投產長度計算結果

5 結束語

通過計算可知,信號電纜絞合節距對成品電纜的導體直流電阻和導體投產長度產生一定影響。在生產中,可以根據交貨長度確定成纜纜芯長度,再由后道生產工序要求長度推算出前道工序所需的生產長度,以此計算求得單根絕緣線芯的長度。也可以通過對絞節距、成纜節距計算成品電纜導體直流電阻,驗證并優化導體結構,從而達到節本降耗的目的。