混合編織屏蔽工藝在電纜設(shè)計(jì)和制造中的應(yīng)用

吳來(lái)利， 徐華勝， 周志宇， 王軍勝

（1.深圳深纜科技有限公司，廣東 深圳518000；2.燎原電纜集團(tuán)有限公司，浙江 臺(tái)州318000；3.富通集團(tuán)（浙江）電纜有限公司，浙江 杭州311400；4.池州起帆電纜有限公司，安徽 池州247000）

0 引 言

混合編織屏蔽工藝是指使用兩種或兩種以上編織材料混合編織在同一根電纜上的生產(chǎn)工藝方式。

編織屏蔽工藝是電線電纜行業(yè)生產(chǎn)制造中不可或缺的生產(chǎn)工藝方法，因金屬編織絲網(wǎng)具有柔韌性好、易于安裝、屏蔽效果較好等優(yōu)點(diǎn)，成為電線電纜最常用的電磁屏蔽工藝，金屬屏蔽絲網(wǎng)本身質(zhì)量的好壞，制備過(guò)程中各個(gè)參數(shù)的選擇，直接關(guān)系到金屬屏蔽絲網(wǎng)的成本、柔韌性和屏蔽效果，金屬編織網(wǎng)越密集、覆蓋率越高，其屏蔽效果越好，但是它較重、成本較高，同時(shí)其柔韌性大大降低，影響施工，因此，對(duì)金屬編織絲參數(shù)及材料的合理選擇極為重要［1］。

編織的主要作用是起到電磁場(chǎng)屏蔽功能，在一些電纜種類上，也起到鎧裝保護(hù)，縱向抗拉，引導(dǎo)故障電流，作為外導(dǎo)體傳輸電磁波等作用。

電纜行業(yè)所采用的編織屏蔽工藝幾乎都是一樣的，即通過(guò)兩組相反方向旋轉(zhuǎn)的錠子交叉換位，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外交錯(cuò)覆蓋。一個(gè)方向的編織絲的覆蓋密度叫單向覆蓋率，兩個(gè)方向的編織絲共同實(shí)現(xiàn)的覆蓋密度就是所稱謂的編織密度。老式編織機(jī)是通過(guò)每個(gè)錠子走8字步實(shí)現(xiàn)編織的，編織速率慢，設(shè)備運(yùn)行噪聲大。新式的編織機(jī)經(jīng)過(guò)對(duì)錠子軌道的改進(jìn)，運(yùn)行速率快，噪聲小。

1 屏蔽的基本原理及屏蔽材料

按屏蔽的基本原理，電纜的屏蔽可分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽等3種形式。

1.1 電場(chǎng)屏蔽

電場(chǎng)屏蔽包括靜電屏蔽，近場(chǎng)電屏蔽等，在電氣設(shè)備中，當(dāng)各個(gè)電路和元器件中有電流通過(guò)時(shí)，在其周圍空間會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)；當(dāng)電路和元器件上各部分具有電荷時(shí)，在其周圍空間會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。這種電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用到周圍的其他電路和元器件上時(shí)就產(chǎn)生感應(yīng)電流和電壓，而這些感應(yīng)電流和電壓又反過(guò)來(lái)影響原來(lái)電路和元器件中的電流和電壓，這就是電氣設(shè)備中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的寄生感應(yīng)干擾，是一種有害的靜電干擾。抑制這種干擾的措施叫靜電屏蔽。近場(chǎng)電屏蔽是為了抑制相鄰兩導(dǎo)電體間的寄生電容耦合。

電場(chǎng)屏蔽主要是干擾源產(chǎn)生的交變電場(chǎng)被終止于屏蔽體，從而切斷了干擾源和敏感器間的傳輸路徑；從電路的觀點(diǎn)分析，屏蔽體起著減小干擾源和敏感器之間分布電容的作用。要想減少電場(chǎng)所引起的耦合，主要有兩種措施：加金屬屏蔽材料，且有良好接地；使相互耦合的兩導(dǎo)體或兩元器件遠(yuǎn)離，以減少分布電容。

電場(chǎng)屏蔽的材料應(yīng)采用導(dǎo)電較好的非磁性金屬材料，如銅、鋁等制成。

1.2 磁場(chǎng)屏蔽

載流導(dǎo)體或線圈周圍都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，如果電流是隨時(shí)間變化的，則磁場(chǎng)也隨時(shí)間變化，這種變化的磁場(chǎng)往往會(huì)對(duì)周圍的敏感元件、電路造成干擾。

在電子設(shè)備中，低頻磁場(chǎng)干擾是一個(gè)棘手的問(wèn)題，其原因是磁屏蔽體的屏蔽效能遠(yuǎn)不如電屏蔽。對(duì)于低頻磁場(chǎng)的屏蔽，渦流的屏蔽作用很小。當(dāng)工作頻率低于100 kHz時(shí)，磁場(chǎng)屏蔽常用高磁導(dǎo)率的鐵氧體材料，如鐵、硅鋼片和坡莫合金等，利用鐵磁材料的高磁導(dǎo)率對(duì)干擾磁場(chǎng)進(jìn)行分路。

高頻磁場(chǎng)屏蔽采用低電阻率的導(dǎo)電材料，如銀、銅等，利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象在屏蔽體表面產(chǎn)生的渦流的反磁場(chǎng)來(lái)達(dá)到屏蔽目的，也就是利用了渦流反磁場(chǎng)對(duì)原干擾磁場(chǎng)的反作用。

1.3 電磁場(chǎng)屏蔽

通常說(shuō)的屏蔽，就是指電磁場(chǎng)屏蔽，即對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)加以屏蔽。電磁場(chǎng)屏蔽是用屏蔽體阻止電磁場(chǎng)在空間傳輸?shù)囊环N措施。電磁波在通過(guò)金屬或?qū)﹄姶挪ㄓ兴p作用的保護(hù)層時(shí)，會(huì)有一定程度的衰減，說(shuō)明該屏蔽層有屏蔽作用。屏蔽效能與電磁波自身特性及材料特性有關(guān)。電磁波在金屬屏蔽體內(nèi)的傳輸與行波在傳輸線中傳輸過(guò)程相似，都會(huì)產(chǎn)生反射和損耗［2］。

屏蔽電線電纜一般應(yīng)用于要求防干擾的各種電器、儀表、電信自動(dòng)化裝置的線路中。隨著自動(dòng)化控制技術(shù)和智能化的發(fā)展，對(duì)屏蔽電纜的需求和屏蔽效能提高均提出了新的要求?？疾祀娎|屏蔽性能好壞的相關(guān)參數(shù)有屏蔽系數(shù)、轉(zhuǎn)移阻抗、屏蔽衰減等。

在高頻電磁場(chǎng)的場(chǎng)合應(yīng)使用電磁屏蔽結(jié)構(gòu)，電磁屏蔽結(jié)構(gòu)是由交錯(cuò)放置的非磁性金屬和磁性金屬組成，其電磁屏蔽效果好。

屏蔽系數(shù)表示屏蔽作用的大小，其大小就是當(dāng)有屏蔽層時(shí)，被它屏蔽的空間內(nèi)某一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度（E1），或磁場(chǎng)強(qiáng)度（H1），與沒(méi)有該屏蔽層時(shí)該點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度（E）或磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）的比值。所以，屏蔽系數(shù)（S）按：S＝E1／E或S＝H1／H計(jì)算。

屏蔽系數(shù)為復(fù)數(shù)，它的角度表示電磁波經(jīng)過(guò)屏蔽層后的相移。屏蔽系數(shù)的絕對(duì)值在0～1范圍，屏蔽系數(shù)越小，屏蔽效果越好。當(dāng)屏蔽系數(shù)為零時(shí)，說(shuō)明屏蔽點(diǎn)上沒(méi)有電場(chǎng)或磁場(chǎng)存在。

電纜廠家生產(chǎn)最多的控制電纜、電子計(jì)算機(jī)電纜和通信電纜（同軸電纜除外）均屬于對(duì)稱電纜。

2 混合編織屏蔽工藝現(xiàn)狀分析

目前，電線電纜行業(yè)采用編織工藝的產(chǎn)品主要有控制電纜、電子計(jì)算機(jī)電纜、通信信號(hào)電纜等產(chǎn)品。這些產(chǎn)品編織層的主要功能作用是電磁屏蔽，一方面起到減少屏蔽層內(nèi)電磁場(chǎng)對(duì)外部的影響，同時(shí)也起到減少屏蔽層外部的電磁場(chǎng)對(duì)內(nèi)部線芯的影響。屏蔽效果與屏蔽層材料種類、屏蔽層結(jié)構(gòu)形式、編織密度是否均勻等直接相關(guān)。

在這些產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)編織結(jié)構(gòu)、工藝、節(jié)距等參數(shù)要求規(guī)定不夠詳細(xì)，其中，控制電纜、電子計(jì)算機(jī)電纜、通信電纜要占電線電纜行業(yè)編織量的70%以上?？刂齐娎|的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 9330—2020中對(duì)金屬絲編織的要求是“金屬絲編織屏蔽應(yīng)采用標(biāo)稱直徑相同的軟圓銅線或鍍錫圓銅線編織而成，編織密度不應(yīng)小于80%”，這些產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求全部用純銅絲編織，從屏蔽效果來(lái)講，這種要求其實(shí)過(guò)于籠統(tǒng)和粗糙。一些產(chǎn)品完全可以采用不同材料的混合編織達(dá)到其使用效果。

3 混合編織工藝的實(shí)踐與探索

采用24錠高速編織機(jī)，本工作嘗試了兩種混合編織工藝方式：第一種為KVVP 450／750 V 14×1.5銅／鋁合金絲混合編織，第二種為DJYPVP 300／500 V 6×2×1.5銅／鋼絲混合編織?；旌暇幙椆に噮?shù)見(jiàn)表1。

表1 編織工藝參數(shù)

編織密度的計(jì)算方法采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 9330—2020《塑料絕緣控制電纜》中編織密度的計(jì)算公式如下所示：

式中：P為金屬絲編織屏蔽的編織密度（%）；p為單向覆蓋系數(shù)；L為編織節(jié)距測(cè)量值（mm）；m為編織機(jī)同一方向錠數(shù)；n為每錠編織金屬絲根數(shù)；d為編織金屬絲直徑測(cè)量值（mm）；D為編織層外徑測(cè)量值（mm）。

GB／T 9330—2020《塑料絕緣控制電纜》中D定義為編織層外徑測(cè)量值，該測(cè)量值為測(cè)量平均值還是中間值，標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有明確說(shuō)明，以上兩種對(duì)D定義的差異會(huì)影響到編織密度的結(jié)果；再者，2020年版本d及L的定義為編織金屬絲直徑測(cè)量值及編織節(jié)距測(cè)量值，該測(cè)量值是實(shí)際測(cè)量的平均值還是中間值，不同的取值結(jié)果均會(huì)影響到編織密度的計(jì)算結(jié)果，從而造成不同的測(cè)量者因?qū)?biāo)準(zhǔn)理解的不一致而導(dǎo)致結(jié)果偏差較大。

編織密度作為現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)考核編織結(jié)果的重要依據(jù)，該結(jié)果的不確定性會(huì)增加企業(yè)在市場(chǎng)上的抽檢風(fēng)險(xiǎn)，從而增加企業(yè)的隱形成本。

兩條電纜生產(chǎn)完畢后，采用JDP-30型電纜屏蔽系數(shù)測(cè)試儀對(duì)兩條電纜的屏蔽系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試步驟如下：①?gòu)谋粶y(cè)電纜上取樣約1 300 mm；②將樣品兩端300 mm處的外護(hù)層剝?nèi)?；③將樣品兩?5 mm處的金屬剝?nèi)?，并清理干凈；④從樣品纜芯中靠近中心處選定一根測(cè)量導(dǎo)體，將該導(dǎo)體兩端剝?nèi)ソ^緣層其一端用細(xì)銅線纏繞數(shù)圈扎緊在金屬套上，制成芯線電壓環(huán)；⑤將樣品夾緊在屏蔽系數(shù)測(cè)試儀上，一端芯線電壓環(huán)與電壓測(cè)量線相連；扎緊在金屬管上。開(kāi)始測(cè)試，測(cè)量結(jié)果為0.27，要優(yōu)于純銅絲編織測(cè)量值0.29。

4 混合編織工藝推薦結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)和檢驗(yàn)，得出的結(jié)論是，不是所有的產(chǎn)品都適合混合編織工藝，可以對(duì)個(gè)別不同用途的產(chǎn)品進(jìn)行針對(duì)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以達(dá)到特殊性能提高的效果。

混合編織工藝應(yīng)用推薦場(chǎng)合：①有縱向落差敷設(shè)場(chǎng)合推薦銅絲與細(xì)鋼絲混合編織；②傳輸高頻信號(hào)的電纜推薦銅絲與銅包鋼絲混合編織；③工地臨時(shí)用線推薦銅絲與銅包鋁絲混合編織。

5 結(jié)束語(yǔ)

撰寫本文的目的不是為了證明哪種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品屏蔽效果更好，而是希望能夠起到拋磚引玉的作用，技術(shù)人員根據(jù)不同的使用場(chǎng)合設(shè)計(jì)針對(duì)性的產(chǎn)品，不僅提高了產(chǎn)品性能，同時(shí)減少材料消耗。當(dāng)然，技術(shù)人員在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)產(chǎn)品的時(shí)候會(huì)受到不同層面和角度的制約，制訂工藝的時(shí)候既要滿足產(chǎn)品性能要求，又能夠最大限度的降低產(chǎn)品成本，滿足不同用戶的需求。如RVVP產(chǎn)品，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中的銅絲編織屏蔽，編織密度不小于80%，如果改變工藝，改成縱包鋁塑復(fù)合薄膜和銅絲編織，降低銅絲編織密度，雖然也達(dá)到了同樣的屏蔽效果，但從標(biāo)準(zhǔn)角度考核，該種產(chǎn)品是不合格產(chǎn)品。所以，提高產(chǎn)品性能和利潤(rùn)需要從標(biāo)準(zhǔn)制定、設(shè)計(jì)院型號(hào)選配和生產(chǎn)廠等共同配合。