混合編織屏蔽工藝在電纜設計和制造中的應用

吳來利， 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.燎原電纜集團有限公司，浙江 臺州318000；3.富通集團（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工藝方式。

編織屏蔽工藝是電線電纜行業生產制造中不可或缺的生產工藝方法，因金屬編織絲網具有柔韌性好、易于安裝、屏蔽效果較好等優點，成為電線電纜最常用的電磁屏蔽工藝，金屬屏蔽絲網本身質量的好壞，制備過程中各個參數的選擇，直接關系到金屬屏蔽絲網的成本、柔韌性和屏蔽效果，金屬編織網越密集、覆蓋率越高，其屏蔽效果越好，但是它較重、成本較高，同時其柔韌性大大降低，影響施工，因此，對金屬編織絲參數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屏蔽功能，在一些電纜種類上，也起到鎧裝保護，縱向抗拉，引導故障電流，作為外導體傳輸電磁波等作用。

電纜行業所采用的編織屏蔽工藝幾乎都是一樣的，即通過兩組相反方向旋轉的錠子交叉換位，實現內外交錯覆蓋。一個方向的編織絲的覆蓋密度叫單向覆蓋率，兩個方向的編織絲共同實現的覆蓋密度就是所稱謂的編織密度。老式編織機是通過每個錠子走8字步實現編織的，編織速率慢，設備運行噪聲大。新式的編織機經過對錠子軌道的改進，運行速率快，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屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽等3種形式。

1.1 電場屏蔽

電場屏蔽包括靜電屏蔽，近場電屏蔽等，在電氣設備中，當各個電路和元器件中有電流通過時，在其周圍空間會產生磁場；當電路和元器件上各部分具有電荷時，在其周圍空間會產生電場。這種電場和磁場作用到周圍的其他電路和元器件上時就產生感應電流和電壓，而這些感應電流和電壓又反過來影響原來電路和元器件中的電流和電壓，這就是電氣設備中電場和磁場的寄生感應干擾，是一種有害的靜電干擾。抑制這種干擾的措施叫靜電屏蔽。近場電屏蔽是為了抑制相鄰兩導電體間的寄生電容耦合。

電場屏蔽主要是干擾源產生的交變電場被終止于屏蔽體，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；使相互耦合的兩導體或兩元器件遠離，以減少分布電容。

電場屏蔽的材料應采用導電較好的非磁性金屬材料，如銅、鋁等制成。

1.2 磁場屏蔽

載流導體或線圈周圍都會產生磁場，如果電流是隨時間變化的，則磁場也隨時間變化，這種變化的磁場往往會對周圍的敏感元件、電路造成干擾。

在電子設備中，低頻磁場干擾是一個棘手的問題，其原因是磁屏蔽體的屏蔽效能遠不如電屏蔽。對于低頻磁場的屏蔽，渦流的屏蔽作用很小。當工作頻率低于100 kHz時，磁場屏蔽常用高磁導率的鐵氧體材料，如鐵、硅鋼片和坡莫合金等，利用鐵磁材料的高磁導率對干擾磁場進行分路。

高頻磁場屏蔽采用低電阻率的導電材料，如銀、銅等，利用電磁感應現象在屏蔽體表面產生的渦流的反磁場來達到屏蔽目的，也就是利用了渦流反磁場對原干擾磁場的反作用。

1.3 電磁場屏蔽

通常說的屏蔽，就是指電磁場屏蔽，即對電場和磁場同時加以屏蔽。電磁場屏蔽是用屏蔽體阻止電磁場在空間傳輸的一種措施。電磁波在通過金屬或對電磁波有衰減作用的保護層時，會有一定程度的衰減，說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。電磁波在金屬屏蔽體內的傳輸與行波在傳輸線中傳輸過程相似，都會產生反射和損耗［2］。

屏蔽電線電纜一般應用于要求防干擾的各種電器、儀表、電信自動化裝置的線路中。隨著自動化控制技術和智能化的發展，對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參數有屏蔽系數、轉移阻抗、屏蔽衰減等。

在高頻電磁場的場合應使用電磁屏蔽結構，電磁屏蔽結構是由交錯放置的非磁性金屬和磁性金屬組成，其電磁屏蔽效果好。

屏蔽系數表示屏蔽作用的大小，其大小就是當有屏蔽層時，被它屏蔽的空間內某一點的電場強度（E1），或磁場強度（H1），與沒有該屏蔽層時該點的電場強度（E）或磁場強度（H）的比值。所以，屏蔽系數（S）按：S＝E1／E或S＝H1／H計算。

屏蔽系數為復數，它的角度表示電磁波經過屏蔽層后的相移。屏蔽系數的絕對值在0～1范圍，屏蔽系數越小，屏蔽效果越好。當屏蔽系數為零時，說明屏蔽點上沒有電場或磁場存在。

電纜廠家生產最多的控制電纜、電子計算機電纜和通信電纜（同軸電纜除外）均屬于對稱電纜。

2 混合編織屏蔽工藝現狀分析

目前，電線電纜行業采用編織工藝的產品主要有控制電纜、電子計算機電纜、通信信號電纜等產品。這些產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電磁場對外部的影響，同時也起到減少屏蔽層外部的電磁場對內部線芯的影響。屏蔽效果與屏蔽層材料種類、屏蔽層結構形式、編織密度是否均勻等直接相關。

在這些產品標準中對編織結構、工藝、節距等參數要求規定不夠詳細，其中，控制電纜、電子計算機電纜、通信電纜要占電線電纜行業編織量的70%以上?？刂齐娎|的國家標準GB／T 9330—2020中對金屬絲編織的要求是“金屬絲編織屏蔽應采用標稱直徑相同的軟圓銅線或鍍錫圓銅線編織而成，編織密度不應小于80%”，這些產品標準要求全部用純銅絲編織，從屏蔽效果來講，這種要求其實過于籠統和粗糙。一些產品完全可以采用不同材料的混合編織達到其使用效果。

3 混合編織工藝的實踐與探索

采用24錠高速編織機，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。混合編織工藝參數見表1。

表1 編織工藝參數

編織密度的計算方法采用國家標準GB／T 9330—2020《塑料絕緣控制電纜》中編織密度的計算公式如下所示：

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

GB／T 9330—2020《塑料絕緣控制電纜》中D定義為編織層外徑測量值，該測量值為測量平均值還是中間值，標準中沒有明確說明，以上兩種對D定義的差異會影響到編織密度的結果；再者，2020年版本d及L的定義為編織金屬絲直徑測量值及編織節距測量值，該測量值是實際測量的平均值還是中間值，不同的取值結果均會影響到編織密度的計算結果，從而造成不同的測量者因對標準理解的不一致而導致結果偏差較大。

編織密度作為現行標準考核編織結果的重要依據，該結果的不確定性會增加企業在市場上的抽檢風險，從而增加企業的隱形成本。

兩條電纜生產完畢后，采用JDP-30型電纜屏蔽系數測試儀對兩條電纜的屏蔽系數進行了測試，測試步驟如下：①從被測電纜上取樣約1 300 mm；②將樣品兩端300 mm處的外護層剝去；③將樣品兩端95 mm處的金屬剝去，并清理干凈；④從樣品纜芯中靠近中心處選定一根測量導體，將該導體兩端剝去絕緣層其一端用細銅線纏繞數圈扎緊在金屬套上，制成芯線電壓環；⑤將樣品夾緊在屏蔽系數測試儀上，一端芯線電壓環與電壓測量線相連；扎緊在金屬管上。開始測試，測量結果為0.27，要優于純銅絲編織測量值0.29。

4 混合編織工藝推薦結構

經過實際生產和檢驗，得出的結論是，不是所有的產品都適合混合編織工藝，可以對個別不同用途的產品進行針對性的結構設計，以達到特殊性能提高的效果。

混合編織工藝應用推薦場合：①有縱向落差敷設場合推薦銅絲與細鋼絲混合編織；②傳輸高頻信號的電纜推薦銅絲與銅包鋼絲混合編織；③工地臨時用線推薦銅絲與銅包鋁絲混合編織。

5 結束語

撰寫本文的目的不是為了證明哪種結構的產品屏蔽效果更好，而是希望能夠起到拋磚引玉的作用，技術人員根據不同的使用場合設計針對性的產品，不僅提高了產品性能，同時減少材料消耗。當然，技術人員在設計和生產產品的時候會受到不同層面和角度的制約，制訂工藝的時候既要滿足產品性能要求，又能夠最大限度的降低產品成本，滿足不同用戶的需求。如RVVP產品，標準規定中的銅絲編織屏蔽，編織密度不小于80%，如果改變工藝，改成縱包鋁塑復合薄膜和銅絲編織，降低銅絲編織密度，雖然也達到了同樣的屏蔽效果，但從標準角度考核，該種產品是不合格產品。所以，提高產品性能和利潤需要從標準制定、設計院型號選配和生產廠等共同配合。