地暖電纜設(shè)計(jì)制造

楊宇怡 馬越 秦荔

摘要：本著節(jié)約能源資源和保護(hù)環(huán)境的初衷，同時(shí)為了滿足市場(chǎng)的需求，鄭州電纜有限公司開發(fā)研制出了單芯無(wú)磁場(chǎng)發(fā)熱電纜和雙芯無(wú)磁場(chǎng)發(fā)熱電纜，簡(jiǎn)稱地暖電纜。地暖電纜解決了冬季可選擇性（局部）的采暖問題，節(jié)約了能源。該電纜和熱電偶配合使用具有優(yōu)良的加熱保溫性能和良好的節(jié)能環(huán)保特性。文章介紹了地暖電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)原理和制造工藝要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：地暖電纜；發(fā)熱金屬絲；絕緣材料；屏蔽層；護(hù)套

中圖分類號(hào)：TU832文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2012）15-0018-03

1設(shè)計(jì)原理

1.1定義

所謂地暖電纜就是指單芯無(wú)磁場(chǎng)發(fā)熱電纜或雙芯無(wú)磁場(chǎng)發(fā)熱電纜，按照設(shè)計(jì)要求，安裝在地面下，通電后電纜發(fā)熱，使相應(yīng)局部空間溫度上升的電纜。

1.2工作原理

地暖電纜的工作原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，與水暖地暖的工作原理基本一致。不同點(diǎn)是：水暖地暖的發(fā)熱原理采用的是管道中的熱水。而地?zé)犭娎|的發(fā)熱原理是，電纜中金屬絲通電后發(fā)熱，然后將產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到蓄熱層，促使相應(yīng)的局部空間溫度上升。結(jié)合加熱空間的大小，對(duì)金屬絲的選型是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，根據(jù)不同的加熱空間要選用不同規(guī)格的發(fā)熱合金絲；還有就是冷線（導(dǎo)線）和發(fā)熱線的聯(lián)接頭非常重要，聯(lián)接頭做的好壞直接影響地暖電纜的質(zhì)量。

1.3基本特點(diǎn)

地暖電纜具有發(fā)熱快、占用房間高度空間少、適用范圍廣、智能控溫、壽命長(zhǎng)、免維護(hù)、環(huán)保的特點(diǎn)。

1.4安全性

電纜的金屬屏蔽層，可有效的阻止電磁輻射，保護(hù)用戶的安全使用。發(fā)熱金屬絲采用熱穩(wěn)定性較高的合金絲，絕緣和護(hù)套同樣為穩(wěn)定性較好的交聯(lián)聚乙烯絕緣料和聚乙烯護(hù)套料，壽命可達(dá)30年

以上。

1.5設(shè)計(jì)原理

1.5.1結(jié)構(gòu)

地暖電纜的結(jié)構(gòu)是由其基本特點(diǎn)（發(fā)熱快、占用房間高度空間少、適用范圍廣、智能控溫、壽命長(zhǎng)、免維護(hù)、環(huán)保）和安全性（防電磁輻射、壽命）所決定的。電纜由外至內(nèi)的結(jié)構(gòu)為：外護(hù)套、金屬屏蔽（引流線）、絕緣、發(fā)熱金屬絲。

1.5.2發(fā)熱金屬絲的選型

根據(jù)地暖電纜的特點(diǎn)，在選用發(fā)熱金屬絲材料時(shí)，要求結(jié)合加熱空間的大小，選擇有合適電阻率的金屬絲，使其在工頻220V電壓下，滿足單位長(zhǎng)度設(shè)計(jì)的額定功率。

如果電阻率不合適，過(guò)大或過(guò)小，則加熱電纜的長(zhǎng)度就會(huì)很短或很長(zhǎng)；或者說(shuō)發(fā)熱金屬絲就會(huì)很粗或很細(xì)，這樣就會(huì)給制造加工和使用安裝造成困難。除此之外，對(duì)發(fā)熱金屬絲的熔點(diǎn)要求比較高，不能發(fā)熱了就熔化了；同時(shí)在溫度較高時(shí)，發(fā)熱金屬絲的化學(xué)穩(wěn)定性要比較高，不能很快就氧化而縮短壽命。在電壓一定時(shí)，隨著溫度的升高，發(fā)熱合金絲的電阻會(huì)增大，功率是會(huì)有些下降的。當(dāng)發(fā)熱與散熱達(dá)到平衡時(shí)，溫度就會(huì)穩(wěn)定下來(lái)。電阻絲的功率，由材料（電阻率）、電阻絲的粗細(xì)、長(zhǎng)度來(lái)決定。如果是同一種材料，電阻絲越長(zhǎng)、越細(xì)，電阻也就越大，功率就越小。發(fā)熱金屬絲的工作溫度，在地暖電纜產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，就確定好了。比如，地暖電纜設(shè)計(jì)工作溫度只有幾十度，根據(jù)房間的面積、散熱情況來(lái)選定發(fā)熱合金絲的單位長(zhǎng)度的額定功率。如果使用中改變了使用條件，如將單位長(zhǎng)度的額定功率增加一倍，造成地暖電纜散熱不暢，就很容易引起地暖電纜的故障。地暖電纜溫度控制，需要用功率和熱能的轉(zhuǎn)換公式來(lái)計(jì)算。

電功率公式：P=W/t=電功/時(shí)間

電功公式：W=UIt=電壓*電流*時(shí)間

焦耳定律公式：Q=I2×Rt或熱功率P=I2×R其中Q、I、R、t、P各量的單位依次為焦耳、安培、歐姆、秒和瓦特。

焦耳定律與電功公式W=UIt適用于任何元件及發(fā)熱的計(jì)算，只有在純電阻電路中才可用Q=W=UIt=I2Rt=（U2/R）×t。

熱量與溫度之間是有一定關(guān)聯(lián)的，單位質(zhì)量的某種物質(zhì)，溫度降低1℃或升高1℃所吸收或放出的熱量，叫做這種物質(zhì)的比熱容簡(jiǎn)稱比熱。單位：KJ/（kg.℃）根據(jù)以上闡述，經(jīng)反復(fù)研究、試驗(yàn)，我們決定采用鎳鉻合金絲、銅鎳合金絲作為地暖電纜的發(fā)熱金屬絲。

1.5.3絕緣材料的選用

地暖電纜的絕緣材料是由它的安全性和壽命決定的。聚乙烯受到高能射線或交聯(lián)劑的作用，在一定條件下能從線型分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成體型三維結(jié)構(gòu)，同時(shí)由熱塑性塑料轉(zhuǎn)變成不溶不熔的熱固性塑料。交聯(lián)聚乙烯與熱塑性聚乙烯比較，提高了耐熱變形性，改善了高溫下的力學(xué)性能，改進(jìn)了耐環(huán)境應(yīng)力龜裂與耐熱老化的性能，增強(qiáng)了耐化學(xué)穩(wěn)定性和耐溶劑性。所以使用交聯(lián)聚乙烯可使電纜的長(zhǎng)期工作溫度從70℃提高到90℃，特殊配方的交聯(lián)聚乙烯，長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)125℃和150℃。根據(jù)以上眾多優(yōu)越性我們選擇交聯(lián)聚乙烯作為地暖電纜的絕緣材料。

1.5.4屏蔽層及護(hù)套材料的選用

地暖電纜的屏蔽層起電磁屏蔽的作用。電磁屏蔽即利用屏蔽材料阻隔或衰減被屏蔽區(qū)域與外界的電磁能量傳播，即對(duì)電磁能流起到反射、吸收和引導(dǎo)作用。研制地暖電纜時(shí)，首先應(yīng)該考慮地暖電纜作為干擾源產(chǎn)生電磁干擾和電磁輻射對(duì)人體或周圍電子儀器的危害。一方面，電磁輻射會(huì)影響人們的身體健康，另一方面會(huì)對(duì)周圍的電子儀器設(shè)備造成嚴(yán)重干擾，使它們的工作程序發(fā)生紊亂；為防止電磁輻射造成的干擾與危害，我們采用具有高導(dǎo)電和高導(dǎo)磁性能的金屬?gòu)?fù)合帶作為電磁屏蔽材料，并以縱包的方式將地暖電纜產(chǎn)生的電磁干擾屏蔽掉，同時(shí)為了更有效的抑制干擾，增強(qiáng)地暖電纜的安全性和可靠性，我們?cè)诮饘購(gòu)?fù)合帶縱包的同時(shí)縱放具有高導(dǎo)電性能的鍍錫銅絲作為接地引流線，有效地避免地暖電纜作為干擾源造成的危害。地暖電纜的護(hù)套材料同樣是由它的安全性和壽命決定的。高密度聚乙烯為無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)臭的白色顆粒，熔點(diǎn)約為130℃，相對(duì)密度為0.941～0.960。它具有良好的耐熱性和耐寒性，化學(xué)穩(wěn)定性好，還具有較高的剛性和韌性，機(jī)械強(qiáng)度好。介電性能，耐環(huán)境應(yīng)力開裂性亦較好。熔化溫度220℃～26℃。鑒于高密度聚乙烯具有上述的優(yōu)良特性，我們將它作為地暖電纜護(hù)套材料的首選。

2制造的工藝要點(diǎn)

2.1工藝流程

發(fā)熱合金絲絞合—絕緣擠出—絕緣線芯蒸煮（一步法硅烷交聯(lián)料不需要蒸煮）—接地屏蔽護(hù)套聯(lián)合擠出—成品試驗(yàn)—入庫(kù)。

2.2絕緣層擠包

在硅烷交聯(lián)聚乙烯的生產(chǎn)工藝中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

防止雜質(zhì)混入。絕緣材料從儲(chǔ)存處到加入擠出機(jī)的清潔度，對(duì)絕緣層的加工質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。電纜的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，很大程度上取決于對(duì)材料清潔度所采取的預(yù)防措施。如果加工過(guò)程中絕緣材料混入雜質(zhì)，則會(huì)引起電纜絕緣的擊穿；防止材料在擠出機(jī)或機(jī)頭內(nèi)停滯時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。在擠出機(jī)和機(jī)頭的連接區(qū)，在機(jī)頭的流料腔中，應(yīng)防止由于死角的存在而使材料停滯焦燒，焦燒產(chǎn)生的雜質(zhì)，會(huì)使交聯(lián)聚乙烯產(chǎn)生電樹枝和電化樹枝，從而引起電纜絕緣的擊穿；在擠塑加工交聯(lián)聚乙烯前，一般先用相容性的聚乙烯試運(yùn)轉(zhuǎn)，用以清洗螺桿，直到擠出系統(tǒng)穩(wěn)定為止。擠塑結(jié)束后，必須再用聚乙烯清洗擠出機(jī)，以防止停機(jī)后硅烷交聯(lián)聚乙烯凝結(jié)殘留在擠出機(jī)內(nèi)。當(dāng)然最好的辦法是擦拭機(jī)頭和螺桿。

2.3接地屏蔽、護(hù)套聯(lián)合擠出

地暖電纜在接地屏蔽、護(hù)套聯(lián)合擠出時(shí)，屏蔽用金屬塑料復(fù)合帶的質(zhì)量是關(guān)鍵。首先根據(jù)地暖電纜設(shè)計(jì)要求的寬度，把金屬塑料復(fù)合帶分切成條，分切質(zhì)量的好壞直接影響地暖電纜生產(chǎn)。復(fù)合帶分切后應(yīng)無(wú)刀痕、無(wú)荷葉邊、端面平整，復(fù)合帶放出來(lái)的時(shí)侯應(yīng)該是平直的，這樣，復(fù)合帶在經(jīng)過(guò)彎邊模、初成型模、成型模和定徑模過(guò)程中易于成型，搭蓋處不易翹起，粘結(jié)良好，電纜的屏蔽及擠出后的外觀效果好。反之則不然。

復(fù)合帶的帶面動(dòng)摩檫系數(shù)對(duì)地暖生產(chǎn)工藝的影響是明顯的，特別是鋁塑復(fù)合帶，因?yàn)樗臋C(jī)械強(qiáng)度、抗拉力、抗變形能力相對(duì)要小得多。實(shí)際工作中，除了工藝調(diào)整問題、故障或其他人為因素外，復(fù)合帶本身過(guò)大的動(dòng)摩擦系數(shù)往往是造成地暖電纜生產(chǎn)中鋁塑復(fù)合帶斷帶的主要原因。生產(chǎn)地暖電纜時(shí)采用帶面摩擦系數(shù)小的復(fù)合帶，復(fù)合帶變形小、易成型，它帶來(lái)的好處首先是不易斷帶，減少了斷帶的麻煩；其次是在工藝配合良好的情況下，可以明顯提高生產(chǎn)線速度，即提高工作效率；最大的好處還是保證了地暖電纜的質(zhì)量，同時(shí)對(duì)保證地暖電纜的安全使用和壽命有好處。單盤長(zhǎng)度長(zhǎng)的金屬塑料復(fù)合帶可以使地暖電纜生產(chǎn)時(shí)少接續(xù)，減少接續(xù)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，減少?gòu)U品率和提高生產(chǎn)效率；而單盤金屬塑料復(fù)合帶內(nèi)無(wú)接頭，則可以降低地暖電纜生產(chǎn)中斷帶的風(fēng)險(xiǎn)。

3熱線和冷線的連接頭

地暖電纜的冷熱線聯(lián)接頭分為外置式和內(nèi)置式。我們采用的是外置式聯(lián)接頭。

內(nèi)置式連接頭是將冷線與發(fā)熱線焊好后，使其在同一道工序中進(jìn)行絕緣擠出，擠出后的絕緣線芯通過(guò)6000伏的高壓檢測(cè)，如果達(dá)不到耐壓要求就會(huì)被擊穿；地暖電纜生產(chǎn)工藝的特殊性，主要在發(fā)熱線與冷線（導(dǎo)線）之間的接頭不好處理上，接頭工藝的好壞直接影響地暖電纜的運(yùn)行壽命。發(fā)熱線是合金絲，而冷線（導(dǎo)線）是銅，二者焊接需通過(guò)特殊工藝才能焊好，而且兩種線的線徑不同，軸心的對(duì)中需要很精密的夾具才能保證。接頭處因焊接而產(chǎn)生應(yīng)力集中，很容易使接頭部位虛焊或產(chǎn)生氣泡、裂紋等焊接不良。同時(shí)，發(fā)熱線加熱，而冷線不發(fā)熱，二者之間的變形很大。發(fā)熱電纜出現(xiàn)問題的部位很大程度上都是在接頭部位出現(xiàn)的；外置式接頭是將成圈的地暖電纜（熱線），與加工好的導(dǎo)線（冷線）通過(guò)特殊工藝焊接起來(lái)，通常是將地暖電纜與導(dǎo)線分別剝離后，把合金絲和銅導(dǎo)體焊接在一起，處理好絕緣層，外屏蔽層同樣接好，然后接頭處用注塑的方式將接頭處密封好，使其充分與地暖電纜和冷線結(jié)合，在此過(guò)程中，如果接頭不慎很容易將導(dǎo)線接頭與屏蔽層接頭接在一起，造成屏蔽層帶電，這樣是非常危險(xiǎn)的。另外，外面的塑料件如果注塑不好，在施工時(shí)很容易使接頭進(jìn)水，從而在接頭處帶電。

所以，針對(duì)外置式地暖電纜的熱線和冷線接頭技術(shù)首先抗拉力需在200牛頓以上；其次絕緣性測(cè)試，堿液加溫到50攝氏度，接點(diǎn)完全震動(dòng)浸泡4小時(shí)后，測(cè)絕緣電阻達(dá)500兆歐，耐壓1800V一分種無(wú)閃烙；最后，接觸電阻應(yīng)為零歐姆。接頭如有接觸電阻，會(huì)導(dǎo)致接觸點(diǎn)發(fā)熱、絕緣層破裂或接觸點(diǎn)出現(xiàn)打火，造成火災(zāi)或產(chǎn)生電腐蝕，從而熔斷接觸點(diǎn)。

4結(jié)語(yǔ)

鄭州電纜有限公司地暖電纜，已經(jīng)通過(guò)省級(jí)鑒定，各項(xiàng)性能指標(biāo)經(jīng)國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心檢測(cè)，符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，并且廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。

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作者簡(jiǎn)介：楊宇怡（1963-），女，上海人，鄭州電纜有限公司工程師，研究方向：電線電纜工藝與制造。

（責(zé)任編輯：周加轉(zhuǎn)）