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線纜產品的絕緣結構總論

發布日期:2017-04-27 14:20:00

線纜產品的絕緣結構、型式類型很多,但通常以工藝方式分類,例如繞包式、擠包式、涂包式等等。事實上工藝方式類型的取舍,首先取決于產品設計者采用何種材料,然后再兼顧到產品對絕緣層的性能要求,因此上列三項是必須三位一體、統一考慮的。

一、繞包式絕緣結構

1,繞包式是相對最容易、也是最古老的一種工藝方式,1836年世界上第一根低電壓電力線就是用橡皮帶包在銅線上構成的。后來發展為用生橡膠帶縱包、接口處壓實并經硫化后形成了既有彈性,又相對密封的橡皮絕緣電線。之后又陸續地開發了紙帶繞包絕緣的電話電纜(1885年),用多層紙帶繞包后經真空干燥并浸漬電纜油而構成的油浸紙絕緣電力電纜(1890年),直至1917年開發出紙絕緣充油高壓電纜(70kv)。所以,在高分子合成材料沒有研究開發出來并應用于線纜產品之前(二十世紀四十年代),繞包式是線纜產品絕緣結構的主體。

2,由于石化工業的爆炸式發展促進了熱塑性高分子材料的大量涌現——品種多、價格低、貨源廣,以及隨之而來的擠塑技術和設備的不斷開發,擠包工藝方式的眾多特點是繞包式無法比較的。因此,到目前為止,只有電磁線中的繞包線,以及部分高溫導線和軟型防火電纜等仍采用繞包式絕緣結構。 繞包式可分為纖維繞包與紙帶或合成樹脂薄膜等繞包兩種。

(1)纖維繞包:用多根纖維并絲后以很小節距繞包在導體上。采用的材料有棉紗、天然絲(僅用于低壓高頻電工、電子設備、儀表中)和合成纖維、玻璃纖維等。 用于匝間電壓較高的電機、變壓器內的繞包線,一般采用二種措施來提高其耐電壓性和密封性,一是繞包的導線采用漆包銅線,二是繞包后經過浸漬絕緣漆、并經過加熱固化。

(2)帶式繞包:將一定寬度的絕緣帶材以規定的節距分層繞在導線上而成。繞包的層數根據產品的要求,如繞包線一般只有幾層,而紙絕緣電力電纜有十幾層、而高壓充油電纜則有一百多層。所用的帶材有絕緣紙、合成樹脂漆膜帶(有不同耐溫等級的很多品種)和粉云母復合帶等。 帶式繞包一般采用搭蓋式,即后一圈的帶子有一部分要蓋住前一圈的帶子稱為搭接。目的是保證在導線彎曲或拉直時,前后二圈帶子可在搭接處相對滑移而不會造成帶子的“邊”相互碰撞,造成損壞,又增加了絕緣的密封性。搭蓋的比例一般為帶寬的20%-25%。也可采用間隙式繞包,即前后二圈帶子中間留有一定的間隙。此種繞包方式用于浸漬絕緣油組成復合絕緣結構的油浸紙絕緣電力電纜。

(3)用于匝間電壓較高的繞包線繞包后要經過浸漬絕緣,并經加熱固化,用于高溫電線的聚四氟乙烯帶繞包層要經過高溫爐燒結成密封外殼,防火電纜用的粉云母復合帶通常要與其他絕緣結構并用。紙包線主要用于油浸變壓器,因此實際上是油紙絕緣。

 二、擠包式絕緣結構

橡膠是最早用作電線的絕緣材料之一,加上橡膠復合物在未硫化前具有較好的粘流性,因此約100多年前人們就研制用開有螺旋槽的螺桿,外加套筒來推擠橡膠,以制作各種橡皮管,因此也被改進用來擠制電線的橡皮絕緣層。但是擠包式的大規模擴大應用是在上世紀四、五十年代以后,是隨著塑料品種和用量的飛速增長而掀起的。由于擠包式工藝與設備技術的高速發展,也由于擠包式絕緣結構具有的優點,因此,到目前為止,擠包式絕緣已成為線纜產品絕緣結構最主要的型式,在所有具有絕緣層的線纜產品品種中采用擠包式絕緣的占了90%左右。 擠包式絕緣具有下列主要特點。

(1)適用的材料廣泛。只要是加熱后能有一定粘流性,且易通過溫度控制其粘流性,擠出后能穩定不變形地包覆在導線上的材料,均可以采用擠包工藝。如天然橡膠、各種合成橡膠、各種熱塑性材料(如聚乙烯、聚氯乙稀、聚丙烯、聚四氟乙烯),各種熱塑彈性體等等。由于高分子材料在前幾十年中是發展最快的材料類別,促使著電線電纜產品的更新換代,也使擠包式工藝的適用范圍更為寬廣。

(2)擠包式可以使絕緣層形成一個厚度均勻、外表平整、光滑的封閉套式的結構,這對要求電場分布盡量呈輻射形狀從導線表面向外遞減,以求電場均勻,減小切向分量的電力電纜是非常有利的。例如對于110kv交聯聚乙烯高壓電力電纜,絕緣厚度為 18mm左右,但標準中要求在同一截面上,絕緣厚度的不均勻度應小于15%,而目前實際水平可控制到5-10%。 對于電話電纜、電子線纜等信息傳遞用的產品,雖然絕緣厚度很薄,且對耐電壓性能無實質性要求,但仍然要求絕緣厚度均勻,因為不均勻會影響某一段的網絡性能參數,從而影響傳輸性能。 同時,擠包式絕緣所具有的密閉性,對絕緣結構的綜合性能肯定比繞包式要好。

(3)由于電纜行業及電工設備行業多年來合作,對擠出機應用技術的不斷研究、開發取得的巨大成效,促使了擠包式絕緣的應用范圍不斷擴大。

①通過增大螺桿的長徑比(即螺桿長度與直徑之比),以增大單位時間的出膠量,可以制造出很厚絕緣厚度的電纜芯,如110kv交聯聚乙烯電纜,絕緣厚度為18mm,500kv電纜則達40-50mm (研制品)。同時為了防止“未交聯的絕緣層”在擠出后因重力而下垂,形成絕緣厚薄不均,擠出機組必須采用懸垂式、懸垂加旋轉式(即生產線的放線與收線以同一速度緩慢旋轉,以阻礙粘流態的絕緣材料下垂),以及采用立塔式(即擠出后的半成品成垂直向下放線)。 單位時間出膠量大,也為高速擠出創造了條件。

②通過螺桿、套筒及模具的精加工,以及擠出機的精密控溫,可以制出絕緣厚度極薄的絕緣層(如0.03-0.05mm),用以制作精密電工儀表用電線。

③采用耐高溫合金鋼材(即要求長期在高溫下不變形、氧化)制作的螺桿、套筒,做成的擠出機,用以擠出耐高溫的絕緣電線,如260°C用的聚四氟乙烯。

④采用在絕緣料中加入化學發泡劑,或采用物理發泡的設備,使塑料在擠出過程中均勻地高度發泡,形成泡沫聚乙烯絕緣層,其中的客氣含量可達50-70%,此種結構的絕緣介電常數大大減小,又能節約原材料,成品重量輕。

(4)擠包式工序單一、生產速度快,這是又一個非常突出的優點。 以擠出速度為例,電話電纜絕緣芯線的擠出速度最快可達2000-3000米/分,10kv級交聯聚乙烯電力電纜的絕緣厚度為4.5mm,其擠出速度可達每分鐘幾十米,大大提高了生產效率。

(5)有利于組成幾臺擠出機串連或并聯的組合方式,擴大了生產能力,減少了收放線、牽引設備和生產工序。目前交聯聚乙烯電力電纜和660伏礦用電纜已經普遍采用將內半導電層、絕緣層、外半導電層分列于三臺串聯著的擠塑橡機中,在三層共擠的模具中一次擠出。既提高效率又改善了質量。 并聯的方式是在一臺擠出機擠出量不足時,采用二臺并聯。

三、涂包式絕緣結構

1,將液態絕緣材料涂到導體上并經過加熱固化形成一層牢固的薄膜的過程,稱為涂包。所以它不同于化纖材料浸漬絕緣油或絕緣漆,因此涂包工藝主要用于漆包線。具體方法是使導線通過漆槽,然后經過加熱爐使配入的溶劑燃燒而漆層固化而成為漆膜。漆包線的漆層要通過在設備上多次來回浸漆、干燥固化的過程才能達到預定的絕緣厚度。 由于漆包線主要用于中小型電機、電器和各種儀表的繞組中,匝間電壓很低,安裝位置很小,因此只需要很薄的絕緣厚度,現行產品標準中規定的漆膜厚度最薄為0.07mm,最厚為0.15mm。

2,漆包線絕緣結構的差異除了漆包厚度之外,主要是采用各種特性的絕緣漆料,如具有漆膜強度高,在潮濕狀態中耐電壓擊穿性能及軟化擊穿性能優的聚酯漆包線(130°C)和改性聚酯漆包線(155°C),耐水性好、熱沖擊性和耐刮性優的縮醛漆包線,耐熱性特好的聚酰亞胺漆包線(220°C)等等。

3,為了發揮二種或二種以上漆種各自的優點,從結構上采取了內、外采用不同漆種的組合方式。即內層(涂一定的道數)用一種漆,如要求耐高溫、吸附力好等,外層再涂(也要一定的道數)另一種漆,如能耐溫、耐電子照射或可著色等等。因此復合結構的漆包線擴大了它們的應用領域,改進了絕緣層的適應性能。

4,由于漆包線均被安裝在電機、電器、儀表內部,因此不需要,也不太可能有護層結構(空間不允許)。因此,外部因素如外力(特別是繞制線圈時或嵌線時),溫度、化學物品等。等對漆包線的侵害都必須由漆膜層來承擔。總之,漆包線的絕緣結構看起來是最簡單、似乎看不出什么差別的,其實它的品種與結構同樣是多樣化的,內容相當豐富。

四、其他型式的絕緣結構

除了上述的繞包式、擠包式和涂包式這三大類絕緣結構的型式外,還有一些特殊的型式用于個別產品類別中,列舉一些如下:

1,間隔嵌入式主要用于大同軸、中同軸電纜,這二種電纜在光纜問世之前,是信息傳遞用電線電纜中作為高頻大容量、長途傳輸的主導產品。所謂同軸結構的電纜是指來回的二條導線制造成“內導體在中央,外導體制成圓形薄殼(用銅帶縱包并縫而成),以同心圓方式在絕緣層外環繞內導體”,而且內外導體之間的空隙按的規則制成(見本文上一篇)。 因此,內外導體之間的空隙距離較大,絕緣不是主要目的而間隔、支撐是主要的。所以此類產品,采用了沿長度方向徑向分段嵌入聚乙烯等材料制成的開口插片,與空氣組合成絕緣結構。

2,藕芯式絕緣對于大批量生產的小同軸電纜(如有線電視網用的電視電纜),采用擠包式絕緣,但絕緣中間有許多縱向的孔,像藕芯一樣。主要是使絕緣層中還有大量空氣,減少絕緣的介電常數。但目前已趨于采用化學發泡或物理發泡的泡沫絕緣擠包型結構。用料省、含空氣達50%以上,性能好。

3,粉料充填式絕緣此種絕緣僅用于要求防火性特好的,外有密封金屬套管的電纜中。即在一定長度的金屬套管中放入1-5根導體(一般為單根線),然后將氧化鎂、氧化鋯之類無機粉料灌入并充填密實而制成。金屬套可采用銅、不銹鋼、鎳等材料制成。 但這種產品單根長度不能太長,因此在安裝使用時接頭多,不易彎曲,產品較硬,僅供防火要求特別高的場合使用。

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