电缆设计与物料用量计算

上杭建润电业有限公司

电缆结构设计

与

物料用量计算

工程技术部

2007.12.01

电缆结构设计是把线材各组成部分参数书面化.在设计过程中,主要是根据线材的有关标准,结合本厂的生产能力,尽量满足客户要求.并把结果以书面形式表达出来,为生产提供依据. 物料用量计算是根据设计线材时选用的材料及结构参数,计算出各种材料的用量,为会计部计算成本及仓储发料提供依据.

导体部分有关设计与计算:

导体在结构上有实心及绞线两种,而其成份方面有纯金属.合金.镀层及漆包线等.在设计过程中,对于不同的线材选用这些导体材料时,基于下面几个方面:

1.线材的使用场所及后序加工方式.

2.导体材料的性能:导电率,耐热性.抗张强度.加工性.弹性系数等.

1.导体绞合节距设计:

绞线中绞合节距大小一般根据绞合导体线规选取(主要针对UL电子线系列, 电源线,UL444系列,CSA TR-4系列对导体的节距有要求,需根据标准设计),有时为了改善某种性能可选其它的节距.如通信线材为了降衰减选用小节距,为了提供好的弯曲性能选用较小的节距.下面的节距表选择表是针对UL电子线.

美制线规对应截面积及绞线节距

美制线规标称截面积最小截面积节距

30 0.0507 0.0497 6~8

28 0.0804 0.0790 9~11

26 0.1280 0.1260 11~13

24 0.2050 0.1990 14~16

22 0.3240 0.3140 16~19

20 0.5190 0.5090 21~24

18 0.8230 0.8070 27~32

16 1.3100 1.2700 32~38

14 2.0800 2.0200 39~47

2.多根绞合导体绞合外径计算:

导体绞合采用束绞方式进行,绞合外径采用下面两种方法计算: 方法1:

方法2:

d----单根导体的直径

D---绞合后绞合导体外径

N---导体根数

上述两种方法中,方法2比较适合束绞方式导体绞合外径计算：

3.导体用量计算:

1.单根导体

2.绞合导体

d----单根导体直径

ρ—导体密度

N---导体绞合根数

λ---导体绞入系数

注:用量计算为单芯时导体用量,当多芯时须考虑芯线绞合时的绞入系数.

4.导体防氧化.

为防止导体氧化, 可在导体绞合时, 加BAT或DOP油（如电源线，透明线）。

押出部分有关的设计与计算:

押出部分包括绝缘押出.内被押出及外被押出,在押出过程中,因对线材要求不同采用押出方式不同.一般情况下,绝缘押出采用挤压式,内护层与外护层采用半挤管式.有时为了满足性能要求采用挤管式.其具体选择方法,参照押出技术.

1.押出料的选择:

设计过程中押出料的选择主要根据胶料的用途、耐温等级、光泽性、软硬度、可塑剂耐迁移性、无毒性能等来选择.

2.押出外径:

D2=D+2*T

D------押出前外径

D2----押出后外径

T------押出厚度

押出厚度(T)主要根据线材有关标准,结合厂内设备生产能力尽量满足客户要求.

3.胶料用量:

采用不同的押出方式,押出胶料用量计算公式也有不同.

挤管式

挤压式

W=(S成品截面-S缆芯内容物)*ρ

ρ-----胶料密度.

考虑到线材的公差, 现期线缆企业一般采用下面计算方法.

W=3,14159*1.05*T*(2*D+T)* ρ

芯线绞合有关设计与计算:

芯线绞合国内称为成缆，是大多数多芯电缆生产的重要工序之一。由若干绝缘线芯或单元组绞合成缆芯的过程称芯线绞合。其原理类似如导体绞合，芯线绞合的一般工艺参数计算及线芯在绞合过程中的变形与绞线相似。芯线绞合根据绞合绝缘线芯直径是否相同分为对称绞合和不对称绞合。因为芯线在绞合过程中有弯曲变形,有些较粗绝缘芯线在绞合过程采用退扭。如UL2919、CAT.5、IEEE1394、DVI芯线及其它高发泡绝缘芯线。以下分几个方面叙述芯线绞合的工艺参数计算:

1.对绞:

对绞线的等效外径:

D=1.65d或1.71d

(软质用1.65d,硬质用1.71d),sometimes D=1.86d

复对绞线等效外径﹕

D=2.6d

多对数绞线等效外径﹕

对绞节距.

根据对绞组对数,芯线外径选取.

2. 多芯绞合:

绞合外径当芯线根数不多时,按正规绞合计算.见下表.

芯线排列方式及芯线绞合外径计算可根据下表:

芯数芯线排列外径比(M=D/d) 中芯空隙面积

外层空隙面积Xd2

Xd2

2 2 2 0 1.571

3 3 2.15

4 0.04 1.248

4 4 2.414 0.21

5 1.22

5 5 2.7 0.543 1.259

6 6 3 1.025 1.329

7 1+6 3 0 1.329

8 1+7 3.3 0 1.39

9 1+8 3.7 0 1.679

10 2+8 4 0 2.276

11 3+8 4.154 0.04 2.593

12 3+9 4.154 0.04 2.039

13 4+9 4.414 0.215 2.553

14 4+10 4.414 0.215 2.025

15 5+10 4.7 0.543 2.578

16 5+11 4.7 0.543 2.071

17 6+11 5 1.025 2.641

当芯线根数较多并线径较小的情况下,可按束绞近似计算(导体绞合外径计算公式)

绞合节距

一般绞合节距取绞合外径的15~20倍.有时为了改善线材性能,可选择合适的节距.如为了改善线材的弯曲性能降低绞合节距.USB电缆为了减小芯线变形,采用大节距.

3. 有关绞合中的基圆直径.节圆直径.绞合外径

基圆直径:对于某一绞线层,绞线前芯线直径称基圆直径.

节圆直径:单线绞合在直径为D0的圆柱体上,以单线轴线至绞线轴线的距离为半径的圆为节圆,其直径为节圆直径.

绞合外径:该层绞线的外接圆直径为绞线外径.

图中对于第三层绞合: 基圆直径为D0(即第二层(1+6)绞合的绞合外径)

节圆直径为D’ D’=D0+d

绞合外径为D D=D’+d

4.绞入系数:

芯线绞合的绞入系数为1+(圆周率X绞合外径/绞合节距)的二次方.

D----绞合外径.

H----绞合节距.

在绞线过程中,对于多芯并芯线分层的情况,虽然为束绞,各层芯线绞入系数并不相同.为了保守起见,增大安全系数,并且减化计算,所以在上述绞

入系数的计算中D采用芯线绞合的绞合外径(理论上,各层的绞合系数应为节圆直径代入上式计算).

斜包有关的设计与计算

斜包在线材中主要起屏蔽作用，有时作为同轴电缆的外导体。

屏蔽目的是将外界干挠消除，对于同轴电缆，由于有屏蔽层而使阻抗得以匹配,降低信号或传输能量之损失。

从屏蔽效果来讲，斜包不如编织，其屏蔽效果具有方向性，弯曲时屏蔽特性发生变化但其具有完成外径小、线材柔软、价格也比较低特点。适用于低频屏蔽。以下从几个方面叙述斜包结构设计:

1.斜包的铜线根数近似计算:

整数部分

D-----斜包前外径.

d------斜包铜线的直径.

如果是二、三芯绞合，绞合后不圆整，D(斜包前)外径为等效外径。

此设计中的D斜包前外径，相当绞线中基圆直径。从理论计算上讲,要达到100%斜包D应采用节圆直径，但为了防止有时因节距选取较少及其它因素而产生过满(容易起股)。所以D采用斜包前外径(基圆直径)。在实际生产中，因斜包铜丝一般为0.10mm、

0.12mm的细线，其值在上述计算中忽略影响不大。采用上面公式计算，其斜包满度可达90%以上，对线材的性能影响很少。

2.斜包节距的选择:

斜包节距根据斜包前外径大小选择，一般按下面优化节距选取(此优化节距考虑到成本、附着力、外观等方面，并通过长时间生产验证)。

成品外径斜包节距

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.绞入系数:

斜包的绞入系数为1+(圆周率X斜包后外径/斜包节距)的二次方.

D----斜包后外径.

H----斜包节距.

4.斜包铜线的用量:

d----斜包导体直径

ρ—斜包导体密度

N----斜包导体根数

λ---斜包导体绞入系数

5.斜包方向选择.

斜包一般采用与成缆的反方向：斜包线材生产过程中，斜包铜丝与斜包前线材转动方向相反，如果斜包方向与成缆方向相同时，斜包过程中会先把成缆线材先反扭，使线材松散，以致斜包易出现不良。不过采用反方向斜包线材相对较硬，弯曲性能差。对于那些成缆芯线少,芯线线径较大，没有隔离层的线材只能采用与成缆反方向。

6.斜包线材外被押出:

斜包线材在外被押出前需通过倒轴，防止断丝在过押出眼模时引起断线

编织有关的设计与计算

编织与斜包相似，在线材中主要起屏蔽作用，防止外界电场与磁埸的影响，提高线材的干挠防卫度，与斜包、铝箔相比具有以下特点：

1.屏蔽无方向性.

2.高频屏蔽特性良好,适用于高频屏蔽.

3.通过多层屏蔽,屏蔽效果可达100%.

4.弯曲时屏蔽特性无变化.

1.编织有关的计算公式:

编织角正切:

编织系数:

编织密度:

编织用量:

h-----编织节距.

d-----编织单线直径.

a-----编织半绽子数.

n----编织并线根数.

α—编织角

2.编织各参数的确定:

1.根据缆芯外径大小，及编织密度大小选定编织机类型(16锭或24锭高低速编织机)

2.选定适应编织机的编织单根铜线(镀锡或裸铜线Φ0.08mm,Φ0.10mm, Φ.12mm)。

3.密度M.编织角度α.节距H的确定.

注:每锭中的根数应在3-9根的范围内，因为根数少编织易断线，而根数太多使得编织层同层内的铜线重叠，编织角度通常在50-70的范围内，为提高生产效率则编织角度去接近70的值，由上述公式预算各参数，采用凑算法确定的适当的编织根数、编织角度、编织节距、编织密度。计算部分中的编织计算便是采用上述公式，采用枚举法计算得出

其它结构设计与计算:

在线缆设计中，有时为了改善线材质量需加入其它的材料。为了使线材圆整，在芯线绞合时加入填充物；为了防止导体氧化在导体绞合时表面涂B.T.A为了改善线材附着力绝缘押出时在导体表面涂DOP或硅油，外被押出时在芯线表面拖滑石粉或云母粉。下面根据其作用不同分类叙述:

1.填充物设计与计算:

填充物主要有棉纱线和PP绳，设计时主要根据填充空隙大小、线材性能要求及材使用场所，选择填充棉纱、PP绳或其它。

填充物根数计算

N=(S空隙/S单根填物)整数部分

填充物用量

W=单根重量*N*λ

λ-----为芯线绞合的绞入系数.

2.隔离层的设计与计算:

隔离材料的选择：纸带在线材中只起分隔作用；铝箔在线材中有分隔作用与屏蔽作用。当线材只需分隔开时，选用纸带；否则选用铝箔。有时在一些高性能的通信线中隔离层采用无纺布或发泡PP带(如SISC)

工艺方式

在分隔层的制造过程中,为了节约工时,可根据情况采用绕包.拖包.纵包三种不同方式.(注绕包.拖包时角度α=40-60;纵包时角度α=90).

物料用量

n-----为隔离层数.

t-----为隔离带厚度.

ρ---为隔离材料密度.

k-----为隔离带重叠率.

3.有关的绞入率计算:

m-----为节径比.

h------为节距.

d------线材的绞合外径.

说明1:上面的绞入系数计算都为一个工序的计算,在实际计算物量时,应考虑整个个生产过程,所以总的绞入系数可能为多个工序的绞入系数的乘积.

说明2: 设计计算时应取节距范围的下限值,以在定额中争取最大之绞入系数(而生产中采用接近最大之节距值,则既利于提高效率,又可减低正常生产中的材料消耗).

电气性能计算部分

随当代电气通信事业的飞速发展，传输信号用的电线电缆电气性能要求也越来越高，所以在通信线材结构设计时，线材的电气性能应为重点考虑对象，下面部分主要介绍常用的通信线材基本的电气性能理论计算方法：

发泡绝缘的等效介电常数的计算公式:

发泡绝缘是一种组合绝缘，主要是为了降低绝缘介质的等效介电常数，提高线材的电气性能。发泡绝缘介质的等效介电常数介于空气绝缘与塑料绝缘的介电常数之间，在设计的过程中可采用下面两种方法对发泡绝缘介质的等效介电常数进行计算。

方法(1):

ε-介质的材料的等效介电常数

P-发泡度%,它表示泡沫介质内,所有小气泡的体积与绝缘总体积之比.

方法(2):

D泡沫-----泡沫介质的比重

D材料-----介质材料本身的比重

εe----- 实心绝缘的介电常数

ε------ 发泡绝缘的介电常数

对称电缆的结构计算:

对称通信电缆是由许多绝缘线芯，经绞合成电缆芯后再包以护层所组成，电缆一对或多对具有相同外径及相同结构的两根绝缘线芯对地对称的排列，因此称为对称电缆。对称电缆的导电线芯是用来引导电磁波传输方向的，因此首先要求导电性能好，要有良好的柔软性和足够的机械强度，同时也应考虑其加工，敷设及使用上的方便。下面分一次传输参数与二次传输参数来叙述对称电缆的主要电气性能：

1.一次传输参数

R.L.C.G称为电缆线路的一次传输参数：这些参数与传输电磁波的电压和电流的大小无关，而与电缆的材料结构及电流的频率有关：

1.1有效电阻.

有效电阻就是当交流流过对称回路时的电阻,包括直流电阻和由通过交流而引起的附加电阻.

R有=R直+R交

R交=R邻+R集+R金

λ----总的绞入系数

ρ----导电线芯的电阻率欧姆*平方毫米/米

l------电缆长度米

s------导电线芯的截面积平方毫米

d-----导电线芯的直径毫米

a-----回路两导体中心间距离毫米

K------为涡流系数

u------为磁导率

σ----为电导率

有关 H(X) F(X) G(X) K的计算详见通信电缆50页

1.2对称电缆的电感

当回路通以交流电后,则在回路的导电线芯中和回路周围产生磁通,在导电线芯内的称为内磁通,在导电线芯外的称为外磁通.而电感为磁通与引起磁通的电流之比,所以相应于内磁通与外磁通有内电感L内与外电感L外,总电感为L=L内+L外.当对称电路有屏蔽层时,对称电缆屏蔽回路,除了有电感L内与电感L外,还有屏蔽体给传输回路带来的附加电感.

1.2.1.无屏蔽:

(H/Km)

λ----总的绞入系数

d-----导电线芯的直径毫米

a-----回路两导体中心间距离毫米

K------为涡流系数

u------为磁导率

σ----为电导率

有关 Q(X)的计算详见通信电缆54页

1.2.2.有屏蔽:

(H/Km)

λ----总的绞入系数

d-----导电线芯的直径毫米

a-----回路两导体中心间距离毫米

K------为涡流系数

u------为磁导率

σ----为电导率

有关 Q(X)的计算详见通信电缆54页 .

1.3对称电缆的电容

电缆回的电容与一般电容器的电容相似.两根导电线芯相当于两个电极,导电线芯间的绝缘相当于电容器极板间的介质.

当回路两导电线芯带有等量异性电荷时,此电荷的电量Q与两导电线芯间的电位差U之比,为该回路的电容,即C=U/Q.

对称电缆回路的电容是比较复杂的,因为电缆中往往包括很多线对,而且外面又有屏蔽层或金属套,所有任何相邻的线芯间或线芯与屏蔽层.金属套都会有电容的存在.回路间的电容指各部分之和.

对称电缆回路的电容有两种: 工作电容和部分电容.一次传输参数中的电容指工作电容(工作电容为部分电容所组成).

无屏蔽对称电缆(UTP)的电容可按下式计算﹕

F/m

适用于两导体相互平行，并且周围无其它线对的理想情况.

a-两导体的中心距(mm)

d-中心导体的直径(mm)

εe-绝缘材料的等效介电常数

对于多对结构的对称电缆，应考虑线对绞合的影响以及邻近线对等因素, 其电容计算公式为﹕

F/m

λ----绞合系数

φ----校正系数,考虑邻近线对或线对屏蔽层对于电容的影响.

校正系数φ与各结构参数之间的关系.

屏蔽对绞组

无屏蔽对绞组

a-------对称电缆导体的中心距

D

----屏蔽层内径(mm)

S

d2-----对绞后的外径(mm)

d1-----绝缘芯线的外径(mm)

1.4.对称电缆的绝缘电导.

绝缘电导G这个参数说明电缆线芯绝缘层的质量和电磁能在线芯绝缘中的损耗情况.绝缘电导是由绝缘介质的特性决定的,也就是由绝缘介质的体积绝缘电阻系数和介质损耗角正切来决定的.绝缘电导G是由直流绝缘电导G0和交流电导G~组合的.计算公式如下:

G=G0+G~

G~=ω*Ctg(δ)

G0------直流损耗

G~------交流损耗

ω------电流频率

C-------工作电容

tg(δ)---介质损耗角正切

2.二次传输参数

二次传输参数是用以表征传输线的特性的参数,它包括特性阻抗ZC,衰减常数α,及相移常数.

2.1特性阻抗

特性阻抗是电磁波沿均匀电缆线路传播而没有反射时所遇到的阻抗,其值仅与线路的一次传输参数和电流的频率有关,而与线路的长度无关,也与传输电压及电流的大小及负栽阻抗无关:

无屏蔽对称电缆(UTP)﹕

欧

欧

屏蔽对称电缆(STP)﹕

欧

欧

当对称电缆的中心导体是绞线结构，屏蔽为编织时,公式为﹕

欧

K3为编织影响的经验修正系数,取值为0.98~0.99

K1为导体修正系数,导体结构修正系数K!与导体根数之间的关系

:

绞线内导体的导线根数N 1 3 7 12 19

内导体结构的修正系数K1 1.000 0.871 0.939 0.957 0.970

绞线内导体的导线根数N 27 37 50 70 90

内导体结构的修正系数K1 0.976 0.980 0.983 0.986 0.988

2.2衰减:

衰减是射频电缆的最重要的参数之一,它反映了电磁能量沿电缆传输时损耗的大小.电缆的衰减表示电缆在行波状态下工作时传输功率或电压的损耗程度.

对称电缆在射频下的衰减可按高频简化公式如下计算:

2.2.1.无屏蔽对称电缆:

2.2.2.有屏蔽对称电缆:

f-----频率

de---绞合导体的电气等效直径

d----绞合导体外径

Ds--屏蔽内径

a-----对称电缆导体的中心距

εe--绝缘的等效介电常数

tg(δ)---绝缘的等效介质损耗角正切

Kp1-----导体的射频电阻系数见射频电缆结构设计中表4.5

Kp2-----屏蔽的射频电阻系数见射频电缆结构设计中表4.5

Ks-------绞线导体的电阻系数 1.25

KB------编织屏蔽的电阻系数 2.0

K3------编织对阻抗影响的系数 0.98~0.99

同轴电缆的电气参数计算:

同轴电缆的一个回路是同轴对,它是对地不对称的.在金属圆管(称为外导体)内配置另一圆形导体(称为内导体),用绝缘介质使两者相互绝缘并保持轴心重合,这样所构成的线对称同轴对。同轴电缆可用于开通多路栽波通信或传输电视节目,也可用同轴电缆传输高数码的数据信息(如UL2919屏幕线)

1.一次传输参数:

同轴电缆的一次传输参数主要随电流的频率及电缆结构尺寸D/d变化而变化.

(1).有效电阻,随频率的增大而增大.而与内外导体直径比没直接的关系.

(2).电感随频率的增大而减小,随内外导体直径比增大而增大.

(3).电容与频率无关,随直径比的增大而减小.

(4).电导与频率基本上成正比,随直径的增大而减小.

具体计算公式如下:

1.1.有效电阻:

同轴电缆的有效电阻包括内导体的有效电阻及外导体的有效电阻,当内外导体都是铜导体时,总的有效电阻为:

(欧姆/公里)

1.2有效电感:

同轴回路的电感由内.外导体的内电感和内外导体之间的外电感组成,当内外导体都是铜时,回路的电感为:

(亨/公里)

1.3同轴电缆电容﹕

同于同轴电缆无外部电场,所以同轴对的工作电容就等于同轴对内外导体间的部分电容,电容计算可按圆柱形电容器的电容公式来计算:

Dw-外导体结构的修正系数(理想外导体Dw=0,非理想外导体Dw=编织外导体中的单线直径)

K1-内导体结构的修正系数,

D1-同轴线外导体内径(mm)

1.4绝缘电导:

同轴对的绝缘导体G由两部分组成: 一是由绝缘介质极化作用引起的交流电导G~,另一个部分是由于绝缘不完善而引起的直流电导G0:

G=G0+G~

G~=ωCtg(δ)

G0------直流损耗

G~------交流损耗

ω------电流频率

C-------工作电容

tg(δ)---介质损耗角正切

2.二次传输参数:

二次传输参数是用以表征传输线的特性参数,它包括特性阻抗ZC,衰减常数α,及相移常数.

2.1.同轴电缆特性阻抗﹕

2.1.1.对于斜包,铝箔纵包可近似看作是理想外导体,计算如下:

2.1.2.编织外导体,绞线内导体计算如下:

D---外导体外径

d----内导体外径

Dw---编织导体直径

K1----导体结构修正系数

2.2同轴电缆衰减的计算公式:

αR-导体电阻损耗引起的衰减分量,导体衰减(电阻衰减)

当内外导体都为圆柱形导体时:

db/km

当内导体是绞线,外导体是编织时:

db/km

D.d----外导体内径.内导体外径

K1-----导体结构修正系数

ε-----绝缘介电常数

K

S -----绞线引起射苹电缆电阻增大的系数,K

S

=1.25

K

B

-----编织引起射苹电缆电阻增大的系数 Dw----编织外导体中的单线直径

K

P1,K

P2

-分别表示内,外导体与标准软铜不同时引起射频电阻增大或减小

的系数.

编织系数KB还可用如下计算方法求出:

m----为编织的锭数

n-----为每锭编织线中的导线根数

β-----为编织角(编织导线的方向与电缆轴线方向之间的夹角)

αG----介质损耗而引起的衰减分量,称为介质衰减(电导衰减)

tgσe----等效介质损耗角正切

εe-------等效介电常数

2.3延时﹕

延时是指信号沿电缆传输时,其单位长度上的延迟时间.

同轴电缆的延时与电缆尺寸无关,仅仅取决于介质的介电常数.

秒/米

V-----信号在电缆中的传播速度

εe----等效介电常数.