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一、           电线电缆的简介

1.      电线电缆简介

在一般人印象中，电线电缆是个简单的概念，只是外包一层塑料的金属线而已。

作为现代电气产品之讯号传播媒介，电线电缆远比上述概念来得复杂。

从家用电话线，大哥大充电器线到办公所用计算机线,扫描线，甚至到如今的铁氟龙线，功能更超多样化和复杂化。

寻找电线电缆的根源，可追溯到历史上不少科学家。

公元1831年，英国科学家法拉第发现了“电磁感应法则”，为电线电缆的实用发展奠定了扎实的基础，1879年，美国的爱迪生发明了电灯，电灯配线因此有了广阔的前景，1881年，美国的哥尔屯，发明了“交流发电机”。

伴随着这些直接影响人类工作、生活的发明出现，电线电缆的发展也日超讯速。

1830年，法拉第制成了卷线（漆包线）。

1889年，美国的佛朗第发明了油浸纸绝缘电力电缆，此为目前所用的基本型高压电力电缆。

电线电缆的发展，主要涉及绝缘材料与导体的发展。

绝缘材料由最原始的裸线→漆包线→橡胶线→塑料线→合成材料线，进步到目前的各类线缆。

导体也相继有白金→铜→铝→光缆等等

随着科技的发展，计算机等科技产品的出现，电线、电缆之间距离也慢慢拉开，简而言之，电线系指构造简单而且芯数较少的传电线材。

电缆系指多重绞合，制造工艺复杂，或芯数较多的传电线材二者区分并不严格，通俗地讲，只要能传送电力或信号的有形物体，都可以称之为电线电缆。

  性能释记：

硬铜线：

经伸线冷加工而成，具有较高的抗张强度，适用于架空输电电缆，配电线及建筑之导体。

软铜线：

硬铜线加热去除冷加工所生产之残余应力而成，富柔软性及弯曲性，并且有较高之导电率，用于制造通讯及电力线缆之导体、电气机械及各种家用电器之导线。

加外还有：

半硬铜线、平角铜线、镀锡铜线、无氧铜线、电子零件用线等。

导体电阻：

导体之电阻与其长度成正比，与其截面积成反比。

公式：

R=P×L/S    （此公式适用于26℃）

式中：

    P…为导体之电阻系数，L…为长度，S…为截面积。

如在20℃以下，便用以下公式：

R=P×L/S×254.5/260.5。

导电率：

以20℃时，长度1M，截面积为1m㎡之标准软铜线之电阻1/58欧（0.017241）为其准,称为100﹪导电率.电阻愈大导电率愈低,两者成反比.

拉断力：

抗张试验时，试样而使其断裂之最大荷重之力。

抗张强度：

抗张试验时，使其试样断裂，以单位面积表示之拉断力。

伸长率：

于规定之标称距离，试样经过伸长至断裂后所增加之长度与原来长度之比率。

绞线之绞向：

分为左绞（Z）和右绞（S），指观察者沿着导体或芯线之轴由远向近观向时，导体或芯线之单线沿导体或芯线之侧面绕卷，其绕卷之方向即为绞向。

绞线之绞距：

即导体或芯线之单线依螺旋一圈时之轴向长度。

耐弯曲折性：

单线一端固定，另一端加上重量使垂向下，然后来回180度地弯曲折直线断为止，弯折次数愈多表示耐弯折性愈强。

电线印字之含义：

E300956  AWM1332 22AWG200℃300VDONGGUANHUAKUNELECTRIC CO.,LTD VW-1

E300956…华坤公司在UL的档案号。

…美国认证标示。

AWM…电线的名称代号，（UL758内部线）。

一般仅用于工厂安装布线。

1332…电线分类名称号。

22AWG…电线之规格。

200℃…电线额定温度。

300V…额定电压。

DONGGUANHUAKUNELECTRIC CO.,LTD…东莞市华坤电线实业有限公司

VW-1…（垂直试样）燃烧测试。

二、电线电缆的分类

  依日本电线工业协会1977年对电线电缆的分类为：

1、裸线      2、卷线     3、通讯电缆     4、电力电缆        5、被覆线

1、裸线…顾名思义，不具绝缘材料，主要传导材料为：

金、银、铝、铂等等。

2、卷线…类似电话手柄曲线。

3、通讯电缆…主要用在通讯方面的电线电缆，电话线显然是个最明显的例子。

我们举一

例子面言。

外被

绝缘

铜导体

包带

如上图电话线截面图，就是圆形电话线的一个典型例子。

我们从里到外逐一剖析，可分为：

导体、绝缘、包带、外被。

3.1导体如图中示，起传导讯号作用。

目前，所用到的材料为：

铜、镀锡铜、镀镍铜、镀银铜。

一般而言，一条导体是由若干股细铜丝组成，而较少是单一条铜丝组成。

这若干股细铜丝彼此之间还要绞合。

绞合设及绞距、绞向等概念，这在以后的产品设计中会谈到。

3.2绝缘导体之间要有绝缘材料隔离。

否则，此线材就不能使用了。

如上图个标示阴影的小圈圈，就是绝缘截面。

绝缘材料主要是塑料类，PP（聚丙烯），SR-PVC（乙烯聚合物的氯化物），PE（聚乙烯）,FEP（聚全氟乙烯），PFA（可熔性聚四氟乙烯）,ETFE（乙烯--四氟乙烯共聚物），ECTFE（三氟氯乙烯），PVDF（聚偏二氟乙烯）TPU（） 等等。

这些绝缘材料的选择与客户要求，材料价格有关。

3.3包带这是应客户要求而设的一道工序。

材料主要是铝箔麦拉带,PT油纸带等。

一般而言，包带有防止芯线松散、遮蔽外界信号的作用。

包带方式有斜包、卷包、纵包等方式。

具体见后面详述。

3.4外被作为产品外观而倍受客户的重视。

图中半椭圆形外被是一个典型例子。

外被材料也较多不同的材料依不同的比例组成不同的配方，可以让你眼花缭乱。

其中TFL，PVC是经常用到的。

目前，我们厂将外被的外表面分为如下二种特征：

亮面、半亮雾、光泽依次降低。

其中TFL全为亮面。

4电力电缆——一般为高压传电线。

5被覆线——一般为低压传电线。

 电线电缆大致可以分为上述五大类。

但依据具体的材料、形状、构造、用途的不同又可以分为74类。

例如圆线、纸卷线、市内纸绝缘通讯电缆、警报用电线等等，详见有关资料。

二、电线电缆的制作过程简介

                         缠绕    印字   色带     集合     印字      裁条

炼铜→伸铜→伸线→绞线→绝缘→  成缆→     →     →   编织→       →     成卷

                           编织    外被   填充    地线    外被     轴装

1.炼铜 目前工业应用阴极电解铜法炼铜。

2.伸铜,伸线有三种方法：

三个阶段：

粗伸（8.0>2.6mm）,中伸（3.2/2.6>1.2/1.0mm），细伸（1.2/1.0>0.07/0.05mm）

3.0镀锡退火：

电线电缆导体两端镀锡目的。

  3.1避免与O2接触，发生氧化。

  3.2焊接方便，易于操作。

     镀锡的两种方法：

3.2.1.热镀。

使用导体铜表面干净，无油渍。

     3.2.1.电镀锡，导体电镀锡后表面光滑，品质好，表面薄。

4.绞线，绝缘，缠绕（编织），外被（印字）,集合（包带、填充、地线），编织，外被，裁条（成卷、轴装）不过，并非所有线材都必须有上面过程，有的线材制作过程简单得多。

二、电线电缆的设计      

一、导体

（一）.导体线径、股数、面积与电阻之关系

1.导体的概念

能够导电的物体称之为导体。

相反，不能导电的物体称之为绝缘体。

在大自然中，铜的导电能力较强，电阻（Restistance）低。

实际上，我们经常用到的是合金导体。

例如，

镍、铬、铜线，又称之为电阻线，能产生大量的热。

由于各金属成分不一样，则电阻大小也不一样。

镀锡铜和镀镍铜是经常用到的，镀锡铜导电性能好，价格比镀镍铜低。

但是相对锡而言更易氧化。

镀镍铜它更比镀锡铜耐腐蚀，但成本高。

因此，我们通常选用镀锡铜线或镀锡绞线。

我们应该还记得下面这个公式：

                         L

                 R=P

                         A

                 R为电阻；

                 P为导电率；

                 L为线长；

                 A为截面积；

在工厂非常容易看到如此规格1332 20AWG（19/0.19TS）导体线材。

我们来分析一下

1332 20AWG （19  /  0.19  TS）

          A           B C   D   E

A…1332表示型号（AWG美国线规）数,20AWG其中一种.

B…19表示此导体由19股细铜丝组成.

C…“/”表示19股细铜丝是绞合在一起,我们厂所有线材都要绞合除单根之外.

D…表示19股铜丝的每股细铜丝的单根直径是0.19mm。

E…T表示镀锡铜线，S表示铜线为绞合。

2.导体线径

我们用到的线材导体直径一般比较小，从0.05mm到1.291mm。

使用线径小的导体，可以保证线材的柔软度，我们用细铜绞线代替单一粗铜导体也就是这个道理。

由于有线径大小的区分，就有了铜条、铜线、铜丝的不同称呼，他们的线径依次减小。

当然下面的简单公式将的出导体面积：

                      A=πr2=0.7854d2

（二）导体相关计算

  1.绞距（Pitch）、掺入率的概念

绞合有两种方式：

同心绞和束绞。

在了解他们之前，我们先了解一下绞距之概念。

学过工科的同仁清楚螺杆中有螺距的概念，学过理科的同仁清楚波长之概念，绞距与螺距、波长相似，在平面上也是具有相同性质两点之距离。

如下图标

显然，相同长度之导体，绞合之细铜丝要比直放之细铜丝长。

这种就存在掺入率的概念。

用导体之长度乘上一个系数（K），就得到绞线的实际长度。

通过下面图标可以推出一个公式：

            P…绞距.

                      L…绞距范围内芯线实际长度。

            D1… 层心径。

                  L

从而推出：

λ=                        -1  ;

         K=1+λ             K为掺入系数。

1． 导体重量计算公式

这里的重量严格来说区别与我们以前的概念，因为它的单位是KG/KM，而不是单独的KG或G即它是单位长度线材的重量。

W=d2×6.9822×n×k1×c×k2×p×k3      W=d2×n×0.7854×8.9×1.03

式中：

d┉为单股铜线直径;      N…股数            K1…铜线掺入率;

C…芯数            P…芯线对数           K2…芯线集合掺入数;

     K3…对型线缆集合掺入率（芯线无对绞,K3=1）;

上面公式出现了芯线掺入率、芯线对数，这是因为我们设计的线缆的芯线同样具有绞合、绞距等等概念。

3.导体绞合外径的计算

      我们设计线缆包括线材外被是用量的计算，这对一个工厂来说是非常重要的。

因此，导体绞合外径的计算就有必要了。

无论是导体还是芯线都存在两种绞合：

同心绞、束绞。

       名副其实，同心绞是指以一条或多条铜单线为中心，在其周围各层以左右交互之方向绞合。

每层的单线总数均比其内一层多6条。

束绞是叫所有单线，依同一方向绞合。

其它还有复合绞等等。

当导体股数（芯线条数）为7、19、37、61、95并胶合时，为同心绞；其余股数（芯数）为束绞。

导体胶合外径的计算公式如下：

同心绞胶合外径  D=（1+2n）*d

 n为导体自内到外的层数；

束绞胶合外径   D=√N×1.155×d

 D为绞合外径；  N为导体股数。

芯线胶合外径则可参考《电子线材用量设计应用公式标准》。

前面还提到“对型线缆集合掺入率”，所谓对型即导体（芯线）两两绞合在一起，之后所有导体（芯线）再一起总绞（也可以不总绞）。

这一般是应用在要求较高电器性能的线材上。

值得一提的是，芯线绞与导体绞是相同原理，但芯线绞我们称之为芯线集合层心径的概念，如下图：

二、绝缘材料与绝缘相关计算

1.塑料材料的两种特性：

  1.1热可塑性（THERMO-PLASTIC）；

  1.2热固性（THERMO-SETTING）；

2.常用到的绝缘材料

  有：

PP（Polyproplene）材料—般较亮，较硬，燃烧平稳，无太多的烟尘，有下滴现象。

价格较低。

    SR-RVC（SR-Polyvinylchloride）材料—较暗，较软，燃烧有大量的烟尘。

价格较贵

      FEP耐油、耐磨、电气性能好等特点。

    PE（PolyEthyleneResin）材料—很亮，很软，较难加工，无下滴现象。

价格较贵。

对塑料材料而言，无论绝缘材料还是线材外被材料都有一些重要的机械特性、化学特性等等。

这可以参考《电线用塑料材料特性表》。

比重在电线电缆设计中也很重要，例如报价。

比重概念中，有一个加权平均比重的概念。

表示入下公式：

        n1×ρ1+n2×ρ2

ρ平均=

           n1+n2   

        其中：

n1ρ1…为第一种材料的比例、比重；

        其中：

n2ρ2…为第二种材料的比例、比重。

2.有关绝缘的计算

  2.1重量（KG/KM）：

（工厂适用）

W=[πρt（D+t）+K4d2ρ]×C×K2×P×K3                               W=（D2-d2）×0.7854×P

　　　式中：

π…圆周率（3.146）, ρ…比重,   D…导体绞合外径（mm）,

     t…绝缘厚度；    K4…押入系数,      d…单线线径;    C芯数；         K2…芯线掺入率；   P…对数；           K3…对型电缆集合掺入率。

  2.2重量（KG/KM）：

（业务适用）

W=[D2-Nd2]×0.7854×ρ×C×K2×P×K3

式中：

D…绝缘外径（mm），N…导体总股数，d…单线径（mm）.0.7854…π/4

2.3绝缘外径（mm）

D=2×t+d

式中：

t…绝缘厚度，d…导体绞合外径（mm）。

二、对绞、集合之绞线眼模之设计与选用

一个例子：

3C×0.75㎜2+PVC电源线（地线为裸铜）.

0.75㎜2（19/0.23TS）×2C+19/0.23TS

ID=1.75mm;            >

试问其绞合外径是多少？

选用多大的绞线眼模？

求出总截面积:

A=0.7854×1.75×2+0.7854×1.15×2

近似求绞合外径:

D=√（A/0.7854）≈3.6mm

但实际上眼模不能达到这个要求（D=3.6mm）

在集合盘上应按如下摆线法：

这样才不容易出现前左图中的极限现象。

因此D什还要加上一个经验值，通常加上0.5。

四、包带、包带材料及相关计算

4.1选用包带之原因

  1.使线材成圆柱状（有的芯线不需要总绞，外面只包一层包带）；

  2.防止线材松散；

3.遮蔽，使信号不受干扰；

  ４.在导体与遮蔽线之间起绝缘作用；

4.2包带材料

1.      AL-mylar（ρ=1.872≈1.9）

 一般用单面，遮蔽面积小，遮蔽电阻大。

线材包带有两种方式：

Facc-in：

铝箔向内，用在没有线材不再经过编制或缠绕的线材场合，也起遮蔽作用；

Facc-out铝箔相对铜箔而言，铝箔软且便宜，因此使用特别广泛。

2.麦拉带（ρ=1.4）

 “海翠尔Hytrel）做成带状后就是麦拉带.具有良好的抗张强力,依次,有防止松散的作用.例如用在电线电缆场合.

3.棉纸带（ρ=0.8）

 棉纸带,起圆滑、柔软、绝缘作用。

例如用在鼠标线场合。

此外还有铜箔（ρ=8.89），PE带（ρ=0.93），发泡PP带等等。

4.3.包带机

    目前有两种，1.附于绞线机/集合机上，适用于宽包带；

                2.专用包带机，适用于较小包带；

4.4.包带方式

    包带方式分纵包和横包，横包又分卷包和斜包两种方式，如下图所示：

    纵包用在扁平线材和芯线不需要总绞的场合，不要求柔软度；斜包速度快；卷包柔软度好。

选择带宽：

卷包时W=3D，斜包时W=4～5D，并可以参考公司采购之包带材料宽度（w为带宽，D为包带前线材外径，又称包带下径）。

包带重叠度取决于线材直径，一般来说，不超过1/4圆弧长。

   包带所用的眼模（包带进入束绞机须通过的模具）选用不可过大或过下，一般取包带后的外径（D+0.3）mm。

4.5.包带部分的计算

    4.5.1重量（KG/KM）:

（适用卷包或斜包）

        W=（N/N-1）×π×ρ×t×（D+t1）

        式中：

N…重叠度之倒数，π…圆周率（3.146）,ρ…包带材料之比重,t…包带

材料之厚度,D…芯线集合外径,t1…卷包之厚度（mm）

    4.5.2.包带外径（mm）：

D=d+4t

式中：

d…芯线集合外径（mm），t…包带材料之厚度（mm）。

五、放线轴、卷取轴于卷取长度之关系

5.1.放线轴、卷取轴之概念

   如下图标，这种轴在工厂应该看到得较多。

本厂各类成品、半成品线材在生产过程中要收集在线轴或卷取轴上。

例如芯线押出，铜绞，编织，缠绕等等工艺过程。

5.2线轴卷取长度计算公式

L=N×n×π×（d+K2×φ×n）×103M

   式中：

L…线轴可包装之线缆总长度。

         N=K1×W/φ…线轴内宽可排放之线行数。

（舍去两位小数点）。

         K1…横排系数，以0.9计算：

W…线轴内宽（mm）；φ…线缆直径（mm）

         n=H/（K2×φ）…线轴空间可置放之线层数。

D…线轴筒径；

H=（D-d-2g）/2…线轴有效卷取高度（mm）；D…线轴直径。

         G…卷空尺寸（mm）皆以mm表示。

       K2…纵系数，0.95计算

六、缠绕与编织

       前面已经提到过缠绕与编织的共同作用是遮蔽，对外界电磁波产生隔离作用；保证内部信号的不受干扰，同时如果缠绕与编织接地的话，内部信号也不会泄漏，您到工厂押出就可以发现缠绕机上放线轴较小，因此缠绕后的线材都要经过倒轴（线材从一个放线轴转到令一个卷取轴）。

由于加工的要求，缠绕线如果不倒轴，在外被押出引取时会出现松脱，堵在眼模口，引起断线。

6.1.缠绕所需条数（N）：

N=（D1×π/d）-3={[D1+d×π]/d}-3

   式中:

D1…层心径（mm）,d…缠绕铜线直径（mm）,D1…缠绕下径,3是经验值,保证缠绕后的线材外表美观,否则由于缠绕铜线挨得比较紧密而容易出现交错现象,导致押出的线材外表面出现疙瘩,起伏不平.

   6.1.2.重量（KG/KM）：

        W=d2×6.9822×N×K5

                式中:

d…单线直径;N…缠绕所需条数;K5…缠绕掺入数.

6.1.3.外径（mm）：

D=D1+2d

式中:

D1…缠绕下径（mm）;d…单线径（mm）

6.2.缠绕制程

6.3.编织有关计算

6.3.1编织角（tanθ）

16锭编织机：

tanθ=[2π（D1+2d）p]/C  

转为公制：

tanθ=（D1+2d）p×0.015461

24锭编织机：

tanθ=（D1+2d）p×0.010307  

式中:

2…又向交叉编织;π…圆周率;D1…编织前外径;d…单线径;P…每英寸之目数;C…编织机之锭数.

从而可求出θ角度：

最好不要大于30°，否则编網加工时，不易翻转。

6.32添敷系数F

F=（N×P×d）/（25.4Sinθ）

     式中：

N…每锭股数；P…每英寸之目数；d…单线径（mm）;

6.33.编织率FOC

   FOC=（2F-F2）×100%

6.3.4.重量（KG/KM）

   W=d2×6.9822×M/Cosθ

   式中：

d…单线径（mm）；6.9822…为（π/4）×铜比重8.89之常数；M…编织总条数N×C（每锭股数×锭数）.

6.3.5.编织外径（mm）：

     D=D1+5d   

     式中：

D1…编织前外径（mm）；5…系数；d…单线径（mm）；

6.4.编织制程

  通常在设计卡等等中会看到编织的构成方式这种表示方法：

16  /   5 / 0.1

                                                        A  B   C     D

说明:

A表示锭数,表示16锭编织机;

    B表示间隔符号;

C表示股数;

D表示编织铜线的单线径.

股数目数不可以任意变得过大或过小,但是可以变化.增加目数,减少条数,则编织的速度相应降低.

七、外被及相关计算

7.1.前面讲到绝缘材料时，已谈到塑料的一些性质，这里不再重复，常用的外被材料有：

PU材料：

弹性好，耐磨，价格比PVC贵，较硬，火烧有刺激性味。

FEP：

材料：

耐热、耐寒、耐候、耐药、耐溶剂、绝缘怀能及高频性能优异、并具自润滑性，低磨擦系数等特点。

PVC材料：

色泽较暗，弹性比PU材料要差，火烧有臭味：

同样，外被材料各项物理性能与化学性能请查阅《电线用塑料材料表》。

7.2.外被押出：

本厂外被押出方式一般有：

   充实押出…即芯线直接经外被押出成型，不经过包带、编织之类的加工。

如我们生产的电源线。

   管状押出…有专用的押出模具，押出的外被形状成圆管状，如我们电脑上用的网络线，

             管状押出保证外被押出后的光滑与正圆度。

   编织押出…实际上是半空管押出，半成品线材在编织之后再经过外被押出。

如下图示三种押出线材截面图：

空管押出

编织押出

充实押出

7.3.外被部分计算

7.3.1充实押出：

2芯充实押出：

W=[（D2-2d2）0.7854]×ρ

               3芯充实押出：

W=[（D2-3d2）0.7854-0.0403d2]×ρ

               4芯充实押出：

W=[（D2-4d2）0.7854-0.214d2]×ρ

               5芯充实押出：

W=[（D2-5d2）0.78540.542d2]×ρ

               6芯充实押出：

W=πρt （D1+t）+K4d2ρ

外被押出由于同样存在