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計算機電纜的成本核算方法
點擊次數(shù)：2268 更新時間：2008-03-06
電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計與物料用量計算 電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計是把線材各組成部分參數(shù)書面化.在設(shè)計過程中,主要是根據(jù)線材的有關(guān)標準,結(jié)合本廠的生產(chǎn)能力,盡量滿足客戶要求.并把結(jié)果以書面形式表達出來,為生產(chǎn)提供依據(jù). 物料用量計算是根據(jù)設(shè)計線材時選用的材料及結(jié)構(gòu)參數(shù),計算出各種材料的用量,為會計部計算成本及倉儲發(fā)料提供依據(jù). 導體部分有關(guān)設(shè)計與計算: 導體在結(jié)構(gòu)上有實心及絞線兩種,而其成份方面有純金屬.合金.鍍層及漆包線等.在設(shè)計過程中,對于不同的線材選用這些導體材料時,基于下面幾個方面: 1.線材的使用場所及后序加工方式. 2.導體材料的性能:導電率,耐熱性.抗張強度.加工性.彈性系數(shù)等. 1.導體絞合節(jié)距設(shè)計: 絞線中絞合節(jié)距大小一般根據(jù)絞合導體線規(guī)選取主要針對UL電子線系列, 電源線,UL444系列,CSA TR-4系列對導體的節(jié)距有要求,需根據(jù)標準設(shè)計,有時為了改善某種性能可選其它的節(jié)距.如通信線材為了降衰減選用小節(jié)距,為了提供好的彎曲性能選用較小的節(jié)距. 2.多根絞合導體絞合外徑計算: 導體絞合采用束絞方式進行,絞合外徑采用下面兩種方法計算: 方法1: 方法2: d----單根導體的直徑 D---絞合后絞合導體外徑 N---導體根數(shù) 上述兩種方法中,方法2比較適合束絞方式導體絞合外徑計算： 3.導體用量計算: 1.單根導體 2.絞合導體 d----單根導體直徑 ρ—導體密度 N---導體絞合根數(shù) λ---導體絞入系數(shù) 注:用量計算為單芯時導體用量,當多芯時須考慮芯線絞合時的絞入系數(shù). 4.導體防氧化. 為防止導體氧化, 可在導體絞合時, 加BAT或DOP油（如電源線，透明線）。 擠出部分有關(guān)的設(shè)計與計算: 押出部分包括絕緣押出.內(nèi)被押出及外被押出,在押出過程中,因?qū)€材要求不同采用押出方式不同.一般情況下,絕緣押出采用擠壓式,內(nèi)護層與外護層采用半擠管式.有時為了滿足性能要求采用擠管式.其具體選擇方法,參照押出技術(shù). 1.押出料的選擇: 設(shè)計過程中押出料的選擇主要根據(jù)膠料的用途、耐溫等級、光澤性、軟硬度、可塑劑耐遷移性、無毒性能等來選擇. 2.押出外徑: D2=D+2＊T D------押出前外徑 D2----押出后外徑 T------押出厚度 押出厚度T主要根據(jù)線材有關(guān)標準,結(jié)合廠內(nèi)設(shè)備生產(chǎn)能力盡量滿足客戶要求. 3.膠料用量: 采用不同的押出方式,押出膠料用量計算公式也有不同. 擠管式 擠壓式 W=S成品截面-S纜芯內(nèi)容物＊ρ ρ-----膠料密度. 考慮到線材的公差, 現(xiàn)期線纜企業(yè)一般采用下面計算方法. W=3,14159＊1.05＊T＊2＊D+T＊ ρ 芯線絞合有關(guān)設(shè)計與計算: 芯線絞合國內(nèi)稱為成纜，是大多數(shù)多芯電纜生產(chǎn)的重要工序之一。由若干絕緣線芯或單元組絞合成纜芯的過程稱芯線絞合。其原理類似如導體絞合，芯線絞合的一般工藝參數(shù)計算及線芯在絞合過程中的變形與絞線相似。芯線絞合根據(jù)絞合絕緣線芯直徑是否相同分為對稱絞合和不對稱絞合。因為芯線在絞合過程中有彎曲變形,有些較粗絕緣芯線在絞合過程采用退扭。如UL2919、CAT.5、IEEE1394、DVI芯線及其它高發(fā)泡絕緣芯線。以下分幾個方面敘述芯線絞合的工藝參數(shù)計算: 1.對絞: 對絞線的等效外徑: D=1.65d或1.71d 軟質(zhì)用1.65d,硬質(zhì)用1.71d,sometimes D=1.86d 復對絞線等效外徑﹕ D=2.6d 多對數(shù)絞線等效外徑﹕ 對絞節(jié)距. 根據(jù)對絞組對數(shù),芯線外徑選取. 2. 多芯絞合: 絞合外徑當芯線根數(shù)不多時,按正規(guī)絞合計算.見下表. 芯線排列方式及芯線絞合外徑計算可根據(jù)下表: 當芯線根數(shù)較多并線徑較小的情況下,可按束絞近似計算導體絞合外徑計算公式 絞合節(jié)距 一般絞合節(jié)距取絞合外徑的15~20倍.有時為了改善線材性能,可選擇合適的節(jié)距.如為了改善線材的彎曲性能降低絞合節(jié)距.USB電纜為了減小芯線變形,采用大節(jié)距.
3. 有關(guān)絞合中的基圓直徑.節(jié)圓直徑.絞合外徑
基圓直徑:對于某一絞線層,絞線前芯線直徑稱基圓直徑.
節(jié)圓直徑:單線絞合在直徑為D0的圓柱體上,以單線軸線至絞線軸線的距離為半徑的圓為節(jié)圓,其直徑為節(jié)圓直徑.
絞合外徑:該層絞線的外接圓直徑為絞線外徑.
圖中對于第三層絞合: 基圓直徑為D0即第二層1+6絞合的絞合外徑
節(jié)圓直徑為D’ D’=D0+d
絞合外徑為D D=D’+d
4.絞入系數(shù):
芯線絞合的絞入系數(shù)為1+圓周率X絞合外徑/絞合節(jié)距的二次方.
D----絞合外徑.
H----絞合節(jié)距.
在絞線過程中,對于多芯并芯線分層的情況,雖然為束絞,各層芯線絞入系數(shù)并不相同.為了保守起見,增大安全系 數(shù),并且減化計算,所以在上述絞入系數(shù)的計算中D采用芯線絞合的絞合外徑理論上,各層的絞合系數(shù)應(yīng)為節(jié)圓直徑代入上式計算.
斜包有關(guān)的設(shè)計與計算
斜包在線材中主要起屏蔽作用，有時作為同軸電纜的外導體。
屏蔽目的是將外界干撓消除，對于同軸電纜，由于有屏蔽層而使阻抗得以匹配,降低信號或傳輸能量之損失。
從屏蔽效果來講，斜包不如編織，其屏蔽效果具有方向性，彎曲時屏蔽特性發(fā)生變化但其具有完成外徑小、線材柔軟、價格也比較低特點。適用于低頻屏蔽。以下從幾個方面敘述斜包結(jié)構(gòu)設(shè)計:
1.斜包的銅線根數(shù)近似計算:
整數(shù)部分
D-----斜包前外徑.
d------斜包銅線的直徑.
如果是二、三芯絞合，絞合后不圓整，D斜包前外徑為等效外徑。
此設(shè)計中的D斜包前外徑，相當絞線中基圓直徑。從理論計算上講,要達到100斜包D應(yīng)采用節(jié)圓直徑，但為了防止有時因節(jié)距選取較少及其它因素而產(chǎn)生過滿容易起股。所以D采用斜包前外徑基圓直徑。在實際生產(chǎn)中，因斜包銅絲一般為0.10mm、0.12mm的細線，其值在上述計算中忽略影響不大。采用上面公式計算，其斜包滿度可達90以上，對線材的性能影響很少。
2.斜包節(jié)距的選擇:
斜包節(jié)距根據(jù)斜包前外徑大小選擇，一般按下面優(yōu)化節(jié)距選取此優(yōu)化節(jié)距考慮到成本、附著力、外觀等方面，并通過長時間生產(chǎn)驗證。
成品外徑 斜包節(jié)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.絞入系數(shù):
斜包的絞入系數(shù)為1+圓周率X斜包后外徑/斜包節(jié)距的二次方.
D----斜包后外徑.
H----斜包節(jié)距.
4.斜包銅線的用量:
d----斜包導體直徑
ρ—斜包導體密度
N----斜包導體根數(shù)
λ---斜包導體絞入系數(shù)
5.斜包方向選擇.
斜包一般采用與成纜的反方向：斜包線材生產(chǎn)過程中，斜包銅絲與斜包前線材轉(zhuǎn)動方向相反，如果斜包方向與成纜方向相同時，斜包過程中會先把成纜線材先反扭，使線材松散，以致斜包易出現(xiàn)不良。 不過采用反方向斜包線材相對較硬，彎曲性能差。對于那些成纜芯線少,芯線線徑較大，沒有隔離層的線材只能采用與成纜反方向。
6.斜包線材外被押出:
斜包線材在外被押出前需通過倒軸， 防止斷絲在過押出眼模時引起斷線
編織有關(guān)的設(shè)計與計算
編織與斜包相似，在線材中主要起屏蔽作用，防止外界電場與磁埸的影響，提高線材的干撓防衛(wèi)度，與斜包、鋁箔相比具有以下特點：
1.屏蔽無方向性.
2.高頻屏蔽特性良好,適用于高頻屏蔽.
3.通過多層屏蔽,屏蔽效果可達100.
4.彎曲時屏蔽特性無變化.
1.編織有關(guān)的計算公式:
編織角正切:
編織系數(shù):
編織密度:
編織用量:
h-----編織節(jié)距.
d-----編織單線直徑.
a-----編織半綻子數(shù).
n----編織并線根數(shù).
α—編織角
2.編織各參數(shù)的確定:
1.根據(jù)纜芯外徑大小，及編織密度大小選定編織機類型16錠或24錠高低速編織機
2.選定適應(yīng)編織機的編織單根銅線鍍錫或裸銅線Φ0.08mm,Φ0.10mm, Φ.12mm。
3.密度M.編織角度α.節(jié)距H的確定.
注:每錠中的根數(shù)應(yīng)在3-9根的范圍內(nèi)，因為根數(shù)少編織易斷線，而根數(shù)太多使得編織層同層內(nèi)的銅線重疊，編織角度通常在50-70的范圍內(nèi)，為提高生產(chǎn)效率則編織角度去接近70的值，由上述公式預算各參數(shù)，采用湊算法確定的適當?shù)木幙椄鶖?shù)、編織角度、編織節(jié)距、編織密度。計算部分中的編織計算便是采用上述公式，采用枚舉法計算得出 其它結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算:
在線纜設(shè)計中，有時為了改善線材質(zhì)量需加入其它的材料。為了使線材圓整，在芯線絞合時加入填充物；為了防止導體氧化在導體絞合時表面涂B.T.A為了改善線材附著力絕緣押出時在導體表面涂DOP或硅油，外被押出時在芯線表面拖滑石粉或云母粉。下面根據(jù)其作用不同分類敘述:
1.填充物設(shè)計與計算:
填充物主要有棉紗線和PP繩，設(shè)計時主要根據(jù)填充空隙大小、線材性能要求及材使用場所，選擇填充棉紗、PP繩或其它。
填充物根數(shù)計算
N=S空隙/S單根填物整數(shù)部分
填充物用量
W=單根重量＊N＊λ
λ-----為芯線絞合的絞入系數(shù).
2.隔離層的設(shè)計與計算:
隔離材料的選擇：紙帶在線材中只起分隔作用；鋁箔在線材中有分隔作用與屏蔽作用。當線材只需分隔開時，選用紙帶；否則選用鋁箔。有時在一些高性能的通信線中隔離層采用無紡布或發(fā)泡PP帶如SISC
工藝方式
在分隔層的制造過程中,為了節(jié)約工時,可根據(jù)情況采用繞包.拖包.縱包三種不同方式.注繞包.拖包時角度α=40-60;縱包時角度α=90.
物料用量
n-----為隔離層數(shù).
t-----為隔離帶厚度.
ρ---為隔離材料密度.
k-----為隔離帶重疊率.
3.有關(guān)的絞入率計算:
m-----為節(jié)徑比.
h------為節(jié)距.
d------線材的絞合外徑.
說明1:上面的絞入系數(shù)計算都為一個工序的計算,在實際計算物量時,應(yīng)考慮整個個生產(chǎn)過程,所以總的絞入系數(shù)可能為多個工序的絞入系數(shù)的乘積.
說明2: 設(shè)計計算時應(yīng)取節(jié)距范圍的下限值,以在定額中爭取zui大之絞入系數(shù)而生產(chǎn)中采用接近zui大之節(jié)距值,則既利于提率,又可減低正常生產(chǎn)中的材料消耗.
電氣性能計算部分
隨當代電氣通信事業(yè)的飛速發(fā)展，傳輸信號用的電線電纜電氣性能要求也越來越高，所以在通信線材結(jié)構(gòu)設(shè)計時，線材的電氣性能應(yīng)為重點考慮對象，下面部分主要介紹常用的通信線材基本的電氣性能理論計算方法：
發(fā)泡絕緣的等效介電常數(shù)的計算公式:
發(fā)泡絕緣是一種組合絕緣，主要是為了降低絕緣介質(zhì)的等效介電常數(shù)，提高線材的電氣性能。發(fā)泡絕緣介質(zhì)的等效介電常數(shù)介于空氣絕緣與塑料絕緣的介電常數(shù)之間，在設(shè)計的過程中可采用下面兩種方法對發(fā)泡絕緣介質(zhì)的等效介電常數(shù)進行計算。
方法1:
ε-介質(zhì)的材料的等效介電常數(shù)
P-發(fā)泡度,它表示泡沫介質(zhì)內(nèi),所有小氣泡的體積與絕緣總體積之比.
方法2:
D泡沫-----泡沫介質(zhì)的比重
D材料-----介質(zhì)材料本身的比重
εe----- 實心絕緣的介電常數(shù)
ε------ 發(fā)泡絕緣的介電常數(shù)
對稱電纜的結(jié)構(gòu)計算:
對稱通信電纜是由許多絕緣線芯，經(jīng)絞合成電纜芯后再包以護層所組成，電纜一對或多對具有相同外徑及相同結(jié)構(gòu)的兩根絕緣線芯對地對稱的排列，因此稱為對稱電纜。對稱電纜的導電線芯是用來引導電磁波傳輸方向的，因此首先要求導電性能好，要有良好的柔軟性和足夠的機械強度，同時也應(yīng)考慮其加工，敷設(shè)及使用上的方便。
下面分一次傳輸參數(shù)與二次傳輸參數(shù)來敘述對稱電纜的主要電氣性能：
1.一次傳輸參數(shù)
R.L.C.G稱為電纜線路的一次傳輸參數(shù)：這些參數(shù)與傳輸電磁波的電壓和電流的大小無關(guān)，而與電纜的材料結(jié)構(gòu)及電流的頻率有關(guān)：
1.1有效電阻.
有效電阻就是當交流流過對稱回路時的電阻,包括直流電阻和由通過交流而引起的附加電阻.
R有=R直+R交
R交=R鄰+R集+R金
λ----總的絞入系數(shù)
ρ----導電線芯的電阻率 歐姆＊平方毫米/米
l------電纜長度 米
s------導電線芯的截面積 平方毫米
d-----導電線芯的直徑 毫米
a-----回路兩導體中心間距離 毫米
K------為渦流系數(shù)
u------為磁導率
σ----為電導率
1.2對稱電纜的電感
當回路通以交流電后,則在回路的導電線芯中和回路周圍產(chǎn)生磁通 ,在導電線芯內(nèi)的稱為內(nèi)磁通,在導電線芯外的稱為外磁通.而電感為磁通 與引起磁通的電流之比,所以相應(yīng)于內(nèi)磁通與外磁通有內(nèi)電感L內(nèi)與外電感L外,總電感為 L=L內(nèi)+L外.當對稱電路有屏蔽層時,對稱電纜屏蔽回路,除了有電感L內(nèi)與電感 L外,還有屏蔽體給傳輸回路帶來的附加電感.
1.2.1.無屏蔽:
H/Km
λ----總的絞入系數(shù)
d-----導電線芯的直徑 毫米
a-----回路兩導體中心間距離 毫米
K------為渦流系數(shù)
u------為磁導率
σ----為電導率
有關(guān) QX的計算詳見通信電纜54頁
1.2.2.有屏蔽:
H/Km
λ----總的絞入系數(shù)
d-----導電線芯的直徑 毫米
a-----回路兩導體中心間距離 毫米
K------為渦流系數(shù)
u------為磁導率
σ----為電導率
1.3對稱電纜的電容
電纜回的電容與一般電容器的電容相似.兩根導電線芯相當于兩個電極,導電線
芯間的絕緣相當于電容器極板間的介質(zhì).
當回路兩導電線芯帶有等量異性電荷時,此電荷的電量Q與兩導電線芯間的電位差U之比,為該回路的電容,即C=U/Q.
對稱電纜回路的電容是比較復雜的,因為電纜中往往包括很多線對,而且外面又有屏蔽層或金屬套,所有任何相鄰的線芯間或線芯與屏蔽層.金屬套都會有電容的存在.回路間的電容指各部分之和.
對稱電纜回路的電容有兩種: 工作電容和部分電容.一次傳輸參數(shù)中的電容指工作電容工作電容為部分電容所組成.
無屏蔽對稱電纜UTP的電容可按下式計算﹕
F/m
適用于兩導體相互平行，并且周圍無其它線對的理想情況.
a-兩導體的中心距mm
d-中心導體的直徑mm
εe-絕緣材料的等效介電常數(shù)
對于多對結(jié)構(gòu)的對稱電纜，應(yīng)考慮線對絞合的影響以及鄰近線對等因素, 其電容
計算公式為﹕
F/m
λ----絞合系數(shù)
φ----校正系數(shù),考慮鄰近線對或線對屏蔽層對于電容的影響.
校正系數(shù)φ與各結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系.
屏蔽對絞組
無屏蔽對絞組
a-------對稱電纜導體的中心距
DS----屏蔽層內(nèi)徑mm
d2-----對絞后的外徑mm
d1-----絕緣芯線的外徑mm
1.4.對稱電纜的絕緣電導.
絕緣電導G這個參數(shù)說明電纜線芯絕緣層的質(zhì)量和電磁能在線芯絕緣中的損耗情況.絕緣電導是由絕緣介質(zhì)的特性決定的,也就是由絕緣介質(zhì)的體積絕緣電阻系數(shù) 和介質(zhì)損耗角正切來決定的.絕緣電導G是由直流絕緣電導G0和交流電導G~組合的.計算公式如下:
G=G0+G~
G~=ω＊Ctgδ
G0------直流損耗
G~------交流損耗
ω------電流頻率
C-------工作電容
tgδ---介質(zhì)損耗角正切
2.二次傳輸參數(shù)
二次傳輸參數(shù)是用以表征傳輸線的特性的參數(shù),它包括特性阻抗ZC,衰減常數(shù)α,及相移常數(shù).
2.1特性阻抗
特性阻抗是電磁波沿均勻電纜線路傳播而沒有反射時所遇到的阻抗,其值僅與線路的一次傳輸參數(shù)和電流的頻率有關(guān),而與線路的長度無關(guān),也與傳輸電壓及電流的大小及負栽阻抗無關(guān):
無屏蔽對稱電纜UTP﹕
歐
歐
屏蔽對稱電纜STP﹕
歐
歐
當對稱電纜的中心導體是絞線結(jié)構(gòu)，屏蔽為編織時,公式為﹕ 歐
K3為編織影響的經(jīng)驗修正系數(shù),取值為0.98~0.99
K1為導體修正系數(shù),導體結(jié)構(gòu)修正系數(shù)K!與導體根數(shù)之間的關(guān)系:
絞線內(nèi)導體的導線根數(shù)
N
1
3
7
12
19
內(nèi)導體結(jié)構(gòu)的修正系數(shù)
K1
1.000
0.871
0.939
0.957
0.970
絞線內(nèi)導體的導線根數(shù)
N
27
37
50
70
90
內(nèi)導體結(jié)構(gòu)的修正系數(shù)
K1
0.976
0.980
0.983
0.986
0.988
2.2衰減 :
衰減是射頻電纜的zui重要的參數(shù)之一,它反映了電磁能量沿電纜傳輸時損耗的大小.電纜的衰減表示電纜在行波狀態(tài)下工作時傳輸功率或電壓的損耗程度.
對稱電纜在射頻下的衰減可按高頻簡化公式如下計算:
2.2.1.無屏蔽對稱電纜:
2.2.2.有屏蔽對稱電纜:
f-----頻率
de---絞合導體的電氣等效直徑
d----絞合導體外徑
Ds--屏蔽內(nèi)徑
a-----對稱電纜導體的中心距
εe--絕緣的等效介電常數(shù)
tgδ---絕緣的等效介質(zhì)損耗角正切
Kp1-----導體的射頻電阻系數(shù) 見射頻電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計中表4.5
Kp2-----屏蔽的射頻電阻系數(shù) 見射頻電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計中表4.5
Ks-------絞線導體的電阻系數(shù) 1.25
KB------編織屏蔽的電阻系數(shù) 2.0
K3------編織對阻抗影響的系數(shù) 0.98~0.99
同軸電纜的電氣參數(shù)計算:
同軸電纜的一個回路是同軸對,它是對地不對稱的.在金屬圓管稱為外導體內(nèi)配置另一圓形導體稱為內(nèi)導體,用絕緣介質(zhì)使兩者相互絕緣并保持軸心重合,這樣所構(gòu)成的線對稱同軸對。同軸電纜可用于開通多路栽波通信或傳輸電視節(jié)目,也可用同軸電纜傳輸高數(shù)碼的數(shù)據(jù)信息如UL2919屏幕線
1.一次傳輸參數(shù):
同軸電纜的一次傳輸參數(shù)主要隨電流的頻率及電纜結(jié)構(gòu)尺寸D/d變化而變化.
1.有效電阻,隨頻率的增大而增大.而與內(nèi)外導體直徑比沒直接的關(guān)系.
2.電感隨頻率的增大而減小,隨內(nèi)外導體直徑比增大而增大.
3.電容與頻率無關(guān),隨直徑比的增大而減小.
4.電導與頻率基本上成正比,隨直徑的增大而減小.
具體計算公式如下:
1.1.有效電阻:
同軸電纜的有效電阻包括內(nèi)導體的有效電阻及外導體的有效電阻,當內(nèi)外導體都是銅導體時,總的有效電阻為:
歐姆/公里
1.2有效電感:
同軸回路的電感由內(nèi).外導體的內(nèi)電感和內(nèi)外導體之間的外電感組成,當內(nèi)外導體都是銅時,回路的電感為:
亨/公里
同軸電纜的電氣參數(shù)計算:
同軸電纜的一個回路是同軸對,它是對地不對稱的.在金屬圓管稱為外導體內(nèi)配置另一圓形導體稱為內(nèi)導體,用絕緣介質(zhì)使兩者相互絕緣并保持軸心重合,這樣所構(gòu)成的線對稱同軸對。同軸電纜可用于開通多路栽波通信或傳輸電視節(jié)目,也可用同軸電纜傳輸高數(shù)碼的數(shù)據(jù)信息如UL2919屏幕線
1.一次傳輸參數(shù):
同軸電纜的一次傳輸參數(shù)主要隨電流的頻率及電纜結(jié)構(gòu)尺寸D/d變化而變化.
1.有效電阻,隨頻率的增大而增大.而與內(nèi)外導體直徑比沒直接的關(guān)系.
2.電感隨頻率的增大而減小,隨內(nèi)外導體直徑比增大而增大.
3.電容與頻率無關(guān),隨直徑比的增大而減小.
4.電導與頻率基本上成正比,隨直徑的增大而減小.
具體計算公式如下:
1.1.有效電阻:
同軸電纜的有效電阻包括內(nèi)導體的有效電阻及外導體的有效電阻,當內(nèi)外導體都是銅導體時,總的有效電阻為:
歐姆/公里
1.2有效電感:
同軸回路的電感由內(nèi).外導體的內(nèi)電感和內(nèi)外導體之間的外電感組成,當內(nèi)外導體都是銅時,回路的電感為:
亨/公里
1.3同軸電纜電容﹕
同于同軸電纜無外部電場,所以同軸對的工作電容就等于同軸對內(nèi)外導體間的部分電容,電容計算可按圓柱形電容器的電容公式來計算:
Dw-外導體結(jié)構(gòu)的修正系數(shù)理想外導體Dw=0,非理想外導體Dw=編織外導體中的單線直徑
K1-內(nèi)導體結(jié)構(gòu)的修正系數(shù),
D1-同軸線外導體內(nèi)徑mm
1.4絕緣電導:
同軸對的絕緣導體G由兩部分組成: 一是由絕緣介質(zhì)極化作用引起的交流電導G~,另一個部分是由于絕緣不完善而引起的直流電導G0:
G=G0+G~
G~=ωCtgδ
G0------直流損耗
G~------交流損耗
ω------電流頻率
C-------工作電容
tgδ---介質(zhì)損耗角正切
2.二次傳輸參數(shù):
二次傳輸參數(shù)是用以表征傳輸線的特性參數(shù),它包括特性阻抗ZC,衰減常數(shù)α,及相移常數(shù).
2.1.同軸電纜特性阻抗﹕
2.1.1.對于斜包,鋁箔縱包可近似看作是理想外導體,計算如下:
2.1.2.編織外導體,絞線內(nèi)導體計算如下:
D---外導體外徑
d----內(nèi)導體外徑
Dw---編織導體直徑
K1----導體結(jié)構(gòu)修正系數(shù)
2.2同軸電纜衰減的計算公式:
αR-導體電阻損耗引起的衰減分量,導體衰減電阻衰減
當內(nèi)外導體都為圓柱形導體時:
db/km
當內(nèi)導體是絞線,外導體是編織時:
db/km
D.d----外導體內(nèi)徑.內(nèi)導體外徑
K1-----導體結(jié)構(gòu)修正系數(shù)
ε-----絕緣介電常數(shù)
KS-----絞線引起射蘋電纜電阻增大的系數(shù),KS=1.25
KB-----編織引起射蘋電纜電阻增大的系數(shù)
Dw----編織外導體中的單線直徑
KP1,KP2-分別表示內(nèi),外導體與標準軟銅不同時引起射頻電阻增大或減小
的系數(shù).
編織系數(shù)KB還可用如下計算方法求出:
m----為編織的錠數(shù)
n-----為每錠編織線中的導線根數(shù)
β-----為編織角編織導線的方向
3. 有關(guān)絞合中的基圓直徑.節(jié)圓直徑.絞合外徑
基圓直徑:對于某一絞線層,絞線前芯線直徑稱基圓直徑.
節(jié)圓直徑:單線絞合在直徑為D0的圓柱體上,以單線軸線至絞線軸線的距離為半徑的圓為節(jié)圓,其直徑為節(jié)圓直徑.
絞合外徑:該層絞線的外接圓直徑為絞線外徑.
圖中對于第三層絞合: 基圓直徑為D0即第二層1+6絞合的絞合外徑
節(jié)圓直徑為D’ D’=D0+d
絞合外徑為D D=D’+d
4.絞入系數(shù):
芯線絞合的絞入系數(shù)為1+圓周率X絞合外徑/絞合節(jié)距的二次方.
D----絞合外徑.
H----絞合節(jié)距.
在絞線過程中,對于多芯并芯線分層的情況,雖然為束絞,各層芯線絞入系數(shù)并不相同.為了保守起見,增大安全系 數(shù),并且減化計算,所以在上述絞入系數(shù)的計算中D采用芯線絞合的絞合外徑理論上,各層的絞合系數(shù)應(yīng)為節(jié)圓直徑代入上式計算.
斜包有關(guān)的設(shè)計與計算
斜包在線材中主要起屏蔽作用，有時作為同軸電纜的外導體。
屏蔽目的是將外界干撓消除，對于同軸電纜，由于有屏蔽層而使阻抗得以匹配,降低信號或傳輸能量之損失。
從屏蔽效果來講，斜包不如編織，其屏蔽效果具有方向性，彎曲時屏蔽特性發(fā)生變化但其具有完成外徑小、線材柔軟、價格也比較低特點。適用于低頻屏蔽。以下從幾個方面敘述斜包結(jié)構(gòu)設(shè)計:
1.斜包的銅線根數(shù)近似計算:
整數(shù)部分
D-----斜包前外徑.
d------斜包銅線的直徑.
如果是二、三芯絞合，絞合后不圓整，D斜包前外徑為等效外徑。
此設(shè)計中的D斜包前外徑，相當絞線中基圓直徑。從理論計算上講,要達到100斜包D應(yīng)采用節(jié)圓直徑，但為了防止有時因節(jié)距選取較少及其它因素而產(chǎn)生過滿容易起股。所以D采用斜包前外徑基圓直徑。在實際生產(chǎn)中，因斜包銅絲一般為0.10mm、0.12mm的細線，其值在上述計算中忽略影響不大。采用上面公式計算，其斜包滿度可達90以上，對線材的性能影響很少。
2.斜包節(jié)距的選擇:
斜包節(jié)距根據(jù)斜包前外徑大小選擇，一般按下面優(yōu)化節(jié)距選取此優(yōu)化節(jié)距考慮到成本、附著力、外觀等方面，并通過長時間生產(chǎn)驗證。
成品外徑 斜包節(jié)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.絞入系數(shù):
斜包的絞入系數(shù)為1+圓周率X斜包后外徑/斜包節(jié)距的二次方.
D----斜包后外徑.
H----斜包節(jié)距.
4.斜包銅線的用量:
d----斜包導體直徑
ρ—斜包導體密度
N----斜包導體根數(shù)
λ---斜包導體絞入系數(shù)
5.斜包方向選擇.
斜包一般采用與成纜的反方向：斜包線材生產(chǎn)過程中，斜包銅絲與斜包前線材轉(zhuǎn)動方向相反，如果斜包方向與成纜方向相同時，斜包過程中會先把成纜線材先反扭，使線材松散，以致斜包易出現(xiàn)不良。 不過采用反方向斜包線材相對較硬，彎曲性能差。對于那些成纜芯線少,芯線線徑較大，沒有隔離層的線材只能采用與成纜反方向。
6.斜包線材外被押出:
斜包線材在外被押出前需通過倒軸， 防止斷絲在過押出眼模時引起斷線
編織有關(guān)的設(shè)計與計算
編織與斜包相似，在線材中主要起屏蔽作用，防止外界電場與磁埸的影響，提高線材的干撓防衛(wèi)度，與斜包、鋁箔相比具有以下特點：
1.屏蔽無方向性.
2.高頻屏蔽特性良好,適用于高頻屏蔽.
3.通過多層屏蔽,屏蔽效果可達100.
4.彎曲時屏蔽特性無變化.
1.編織有關(guān)的計算公式:
編織角正切:
編織系數(shù):
編織密度:
編織用量:
h-----編織節(jié)距.
d-----編織單線直徑.
a-----編織半綻子數(shù).
n----編織并線根數(shù).
α—編織角
2.編織各參數(shù)的確定:
1.根據(jù)纜芯外徑大小，及編織密度大小選定編織機類型16錠或24錠高低速編織機
2.選定適應(yīng)編織機的編織單根銅線鍍錫或裸銅線Φ0.08mm,Φ0.10mm, Φ.12mm。
3.密度M.編織角度α.節(jié)距H的確定.
注:每錠中的根數(shù)應(yīng)在3-9根的范圍內(nèi)，因為根數(shù)少編織易斷線，而根數(shù)太多使得編織層同層內(nèi)的銅線重疊，編織角度通常在50-70的范圍內(nèi)，為提高生產(chǎn)效率則編織角度去接近70的值，由上述公式預算各參數(shù)，采用湊算法確定的適當?shù)木幙椄鶖?shù)、編織角度、編織節(jié)距、編織密度。計算部分中的編織計算便是采用上述公式，采用枚舉法計算得出 其它結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算:
在線纜設(shè)計中，有時為了改善線材質(zhì)量需加入其它的材料。為了使線材圓整，在芯線絞合時加入填充物；為了防止導體氧化在導體絞合時表面涂B.T.A為了改善線材附著力絕緣押出時在導體表面涂DOP或硅油，外被押出時在芯線表面拖滑石粉或云母粉。下面根據(jù)其作用不同分類敘述:
1.填充物設(shè)計與計算:
填充物主要有棉紗線和PP繩，設(shè)計時主要根據(jù)填充空隙大小、線材性能要求及材使用場所，選擇填充棉紗、PP繩或其它。
填充物根數(shù)計算
N=S空隙/S單根填物整數(shù)部分
填充物用量
W=單根重量＊N＊λ
λ-----為芯線絞合的絞入系數(shù).
2.隔離層的設(shè)計與計算:
隔離材料的選擇：紙帶在線材中只起分隔作用；鋁箔在線材中有分隔作用與屏蔽作用。當線材只需分隔開時，選用紙帶；否則選用鋁箔。有時在一些高性能的通信線中隔離層采用無紡布或發(fā)泡PP帶如SISC
工藝方式
在分隔層的制造過程中,為了節(jié)約工時,可根據(jù)情況采用繞包.拖包.縱包三種不同方式.注繞包.拖包時角度α=40-60;縱包時角度α=90.
物料用量
n-----為隔離層數(shù).
t-----為隔離帶厚度.
ρ---為隔離材料密度.
k-----為隔離帶重疊率.
3.有關(guān)的絞入率計算:
m-----為節(jié)徑比.
h------為節(jié)距.
d------線材的絞合外徑.
說明1:上面的絞入系數(shù)計算都為一個工序的計算,在實際計算物量時,應(yīng)考慮整個個生產(chǎn)過程,所以總的絞入系數(shù)可能為多個工序的絞入系數(shù)的乘積.
說明2: 設(shè)計計算時應(yīng)取節(jié)距范圍的下限值,以在定額中爭取zui大之絞入系數(shù)而生產(chǎn)中采用接近zui大之節(jié)距值,則既利于提率,又可減低正常生產(chǎn)中的材料消耗.
電氣性能計算部分
隨當代電氣通信事業(yè)的飛速發(fā)展，傳輸信號用的電線電纜電氣性能要求也越來越高，所以在通信線材結(jié)構(gòu)設(shè)計時，線材的電氣性能應(yīng)為重點考慮對象，下面部分主要介紹常用的通信線材基本的電氣性能理論計算方法：
發(fā)泡絕緣的等效介電常數(shù)的計算公式:
發(fā)泡絕緣是一種組合絕緣，主要是為了降低絕緣介質(zhì)的等效介電常數(shù)，提高線材的電氣性能。發(fā)泡絕緣介質(zhì)的等效介電常數(shù)介于空氣絕緣與塑料絕緣的介電常數(shù)之間，在設(shè)計的過程中可采用下面兩種方法對發(fā)泡絕緣介質(zhì)的等效介電常數(shù)進行計算。
方法1:
ε-介質(zhì)的材料的等效介電常數(shù)
P-發(fā)泡度,它表示泡沫介質(zhì)內(nèi),所有小氣泡的體積與絕緣總體積之比.
方法2:
D泡沫-----泡沫介質(zhì)的比重
D材料-----介質(zhì)材料本身的比重
εe----- 實心絕緣的介電常數(shù)
ε------ 發(fā)泡絕緣的介電常數(shù)
對稱電纜的結(jié)構(gòu)計算:
對稱通信電纜是由許多絕緣線芯，經(jīng)絞合成電纜芯后再包以護層所組成，電纜一對或多對具有相同外徑及相同結(jié)構(gòu)的兩根絕緣線芯對地對稱的排列，因此稱為對稱電纜。對稱電纜的導電線芯是用來引導電磁波傳輸方向的，因此首先要求導電性能好，要有良好的柔軟性和足夠的機械強度，同時也應(yīng)考慮其加工，敷設(shè)及使用上的方便。
下面分一次傳輸參數(shù)與二次傳輸參數(shù)來敘述對稱電纜的主要電氣性能：
1.一次傳輸參數(shù)
R.L.C.G稱為電纜線路的一次傳輸參數(shù)：這些參數(shù)與傳輸電磁波的電壓和電流的大小無關(guān)，而與電纜的材料結(jié)構(gòu)及電流的頻率有關(guān)：
1.1有效電阻.
有效電阻就是當交流流過對稱回路時的電阻,包括直流電阻和由通過交流而引起的附加電阻.
R有=R直+R交
R交=R鄰+R集+R金
λ----總的絞入系數(shù)
ρ----導電線芯的電阻率 歐姆＊平方毫米/米
l------電纜長度 米
s------導電線芯的截面積 平方毫米
d-----導電線芯的直徑 毫米
a-----回路兩導體中心間距離 毫米
K------為渦流系數(shù)
u------為磁導率
σ----為電導率
1.2對稱電纜的電感
當回路通以交流電后,則在回路的導電線芯中和回路周圍產(chǎn)生磁通 ,在導電線芯內(nèi)的稱為內(nèi)磁通,在導電線芯外的稱為外磁通.而電感為磁通 與引起磁通的電流之比,所以相應(yīng)于內(nèi)磁通與外磁通有內(nèi)電感L內(nèi)與外電感L外,總電感為 L=L內(nèi)+L外.當對稱電路有屏蔽層時,對稱電纜屏蔽回路,除了有電感L內(nèi)與電感 L外,還有屏蔽體給傳輸回路帶來的附加電感.
1.2.1.無屏蔽:
H/Km
λ----總的絞入系數(shù)
d-----導電線芯的直徑 毫米
a-----回路兩導體中心間距離 毫米
K------為渦流系數(shù)
u------為磁導率
σ----為電導率
有關(guān) QX的計算詳見通信電纜54頁
1.2.2.有屏蔽:
H/Km
λ----總的絞入系數(shù)
d-----導電線芯的直徑 毫米
a-----回路兩導體中心間距離 毫米
K------為渦流系數(shù)
u------為磁導率
σ----為電導率
1.3對稱電纜的電容
電纜回的電容與一般電容器的電容相似.兩根導電線芯相當于兩個電極,導電線
芯間的絕緣相當于電容器極板間的介質(zhì).
當回路兩導電線芯帶有等量異性電荷時,此電荷的電量Q與兩導電線芯間的電位差U之比,為該回路的電容,即C=U/Q.
對稱電纜回路的電容是比較復雜的,因為電纜中往往包括很多線對,而且外面又有屏蔽層或金屬套,所有任何相鄰的線芯間或線芯與屏蔽層.金屬套都會有電容的存在.回路間的電容指各部分之和.
對稱電纜回路的電容有兩種: 工作電容和部分電容.一次傳輸參數(shù)中的電容指工作電容工作電容為部分電容所組成.
無屏蔽對稱電纜UTP的電容可按下式計算﹕
F/m
適用于兩導體相互平行，并且周圍無其它線對的理想情況.
a-兩導體的中心距mm
d-中心導體的直徑mm
εe-絕緣材料的等效介電常數(shù)
對于多對結(jié)構(gòu)的對稱電纜，應(yīng)考慮線對絞合的影響以及鄰近線對等因素, 其電容
計算公式為﹕
F/m
λ----絞合系數(shù)
φ----校正系數(shù),考慮鄰近線對或線對屏蔽層對于電容的影響.
校正系數(shù)φ與各結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系.
屏蔽對絞組
無屏蔽對絞組
a-------對稱電纜導體的中心距
DS----屏蔽層內(nèi)徑mm
d2-----對絞后的外徑mm
d1-----絕緣芯線的外徑mm
1.4.對稱電纜的絕緣電導.
絕緣電導G這個參數(shù)說明電纜線芯絕緣層的質(zhì)量和電磁能在線芯絕緣中的損耗情況.絕緣電導是由絕緣介質(zhì)的特性決定的,也就是由絕緣介質(zhì)的體積絕緣電阻系數(shù) 和介質(zhì)損耗角正切來決定的.絕緣電導G是由直流絕緣電導G0和交流電導G~組合的.計算公式如下:
G=G0+G~
G~=ω＊Ctgδ
G0------直流損耗
G~------交流損耗
ω------電流頻率
C-------工作電容
tgδ---介質(zhì)損耗角正切
2.二次傳輸參數(shù)
二次傳輸參數(shù)是用以表征傳輸線的特性的參數(shù),它包括特性阻抗ZC,衰減常數(shù)α,及相移常數(shù).
2.1特性阻抗
特性阻抗是電磁波沿均勻電纜線路傳播而沒有反射時所遇到的阻抗,其值僅與線路的一次傳輸參數(shù)和電流的頻率有關(guān),而與線路的長度無關(guān),也與傳輸電壓及電流的大小及負栽阻抗無關(guān):
無屏蔽對稱電纜UTP﹕
歐
歐
屏蔽對稱電纜STP﹕
歐
歐
當對稱電纜的中心導體是絞線結(jié)構(gòu)，屏蔽為編織時,公式為﹕ 歐
K3為編織影響的經(jīng)驗修正系數(shù),取值為0.98~0.99
K1為導體修正系數(shù),導體結(jié)構(gòu)修正系數(shù)K!與導體根數(shù)之間的關(guān)系:
絞線內(nèi)導體的導線根數(shù)
N
1
3
7
12
19
內(nèi)導體結(jié)構(gòu)的修正系數(shù)
K1
1.000
0.871
0.939
0.957
0.970
絞線內(nèi)導體的導線根數(shù)
N
27
37
50
70
90
內(nèi)導體結(jié)構(gòu)的修正系數(shù)
K1
0.976
0.980
0.983
0.986
0.988
2.2衰減 :
衰減是射頻電纜的zui重要的參數(shù)之一,它反映了電磁能量沿電纜傳輸時損耗的大小.電纜的衰減表示電纜在行波狀態(tài)下工作時傳輸功率或電壓的損耗程度.
對稱電纜在射頻下的衰減可按高頻簡化公式如下計算:
2.2.1.無屏蔽對稱電纜:
2.2.2.有屏蔽對稱電纜:
f-----頻率
de---絞合導體的電氣等效直徑
d----絞合導體外徑
Ds--屏蔽內(nèi)徑
a-----對稱電纜導體的中心距
εe--絕緣的等效介電常數(shù)
tgδ---絕緣的等效介質(zhì)損耗角正切
Kp1-----導體的射頻電阻系數(shù) 見射頻電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計中表4.5
Kp2-----屏蔽的射頻電阻系數(shù) 見射頻電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計中表4.5
Ks-------絞線導體的電阻系數(shù) 1.25
KB------編織屏蔽的電阻系數(shù) 2.0
K3------編織對阻抗影響的系數(shù) 0.98~0.99
同軸電纜的電氣參數(shù)計算:
同軸電纜的一個回路是同軸對,它是對地不對稱的.在金屬圓管稱為外導體內(nèi)配置另一圓形導體稱為內(nèi)導體,用絕緣介質(zhì)使兩者相互絕緣并保持軸心重合,這樣所構(gòu)成的線對稱同軸對。同軸電纜可用于開通多路栽波通信或傳輸電視節(jié)目,也可用同軸電纜傳輸高數(shù)碼的數(shù)據(jù)信息如UL2919屏幕線
1.一次傳輸參數(shù):
同軸電纜的一次傳輸參數(shù)主要隨電流的頻率及電纜結(jié)構(gòu)尺寸D/d變化而變化.
1.有效電阻,隨頻率的增大而增大.而與內(nèi)外導體直徑比沒直接的關(guān)系.
2.電感隨頻率的增大而減小,隨內(nèi)外導體直徑比增大而增大.
3.電容與頻率無關(guān),隨直徑比的增大而減小.
4.電導與頻率基本上成正比,隨直徑的增大而減小.
具體計算公式如下:
1.1.有效電阻:
同軸電纜的有效電阻包括內(nèi)導體的有效電阻及外導體的有效電阻,當內(nèi)外導體都是銅導體時,總的有效電阻為:
歐姆/公里
1.2有效電感:
同軸回路的電感由內(nèi).外導體的內(nèi)電感和內(nèi)外導體之間的外電感組成,當內(nèi)外導體都是銅時,回路的電感為:
亨/公里
同軸電纜的電氣參數(shù)計算:
同軸電纜的一個回路是同軸對,它是對地不對稱的.在金屬圓管稱為外導體內(nèi)配置另一圓形導體稱為內(nèi)導體,用絕緣介質(zhì)使兩者相互絕緣并保持軸心重合,這樣所構(gòu)成的線對稱同軸對。同軸電纜可用于開通多路栽波通信或傳輸電視節(jié)目,也可用同軸電纜傳輸高數(shù)碼的數(shù)據(jù)信息如UL2919屏幕線
1.一次傳輸參數(shù):
同軸電纜的一次傳輸參數(shù)主要隨電流的頻率及電纜結(jié)構(gòu)尺寸D/d變化而變化.
1.有效電阻,隨頻率的增大而增大.而與內(nèi)外導體直徑比沒直接的關(guān)系.
2.電感隨頻率的增大而減小,隨內(nèi)外導體直徑比增大而增大.
3.電容與頻率無關(guān),隨直徑比的增大而減小.
4.電導與頻率基本上成正比,隨直徑的增大而減小.
具體計算公式如下:
1.1.有效電阻:
同軸電纜的有效電阻包括內(nèi)導體的有效電阻及外導體的有效電阻,當內(nèi)外導體都是銅導體時,總的有效電阻為:
歐姆/公里
1.2有效電感:
同軸回路的電感由內(nèi).外導體的內(nèi)電感和內(nèi)外導體之間的外電感組成,當內(nèi)外導體都是銅時,回路的電感為:
亨/公里
1.3同軸電纜電容﹕
同于同軸電纜無外部電場,所以同軸對的工作電容就等于同軸對內(nèi)外導體間的部分電容,電容計算可按圓柱形電容器的電容公式來計算:
Dw-外導體結(jié)構(gòu)的修正系數(shù)理想外導體Dw=0,非理想外導體Dw=編織外導體中的單線直徑
K1-內(nèi)導體結(jié)構(gòu)的修正系數(shù),
D1-同軸線外導體內(nèi)徑mm
1.4絕緣電導:
同軸對的絕緣導體G由兩部分組成: 一是由絕緣介質(zhì)極化作用引起的交流電導G~,另一個部分是由于絕緣不完善而引起的直流電導G0:
G=G0+G~
G~=ωCtgδ
G0------直流損耗
G~------交流損耗
ω------電流頻率
C-------工作電容
tgδ---介質(zhì)損耗角正切
2.二次傳輸參數(shù):
二次傳輸參數(shù)是用以表征傳輸線的特性參數(shù),它包括特性阻抗ZC,衰減常數(shù)α,及相移常數(shù).
2.1.同軸電纜特性阻抗﹕
2.1.1.對于斜包,鋁箔縱包可近似看作是理想外導體,計算如下:
2.1.2.編織外導體,絞線內(nèi)導體計算如下:
D---外導體外徑
d----內(nèi)導體外徑
Dw---編織導體直徑
K1----導體結(jié)構(gòu)修正系數(shù)
2.2同軸電纜衰減的計算公式:
αR-導體電阻損耗引起的衰減分量,導體衰減電阻衰減
當內(nèi)外導體都為圓柱形導體時:
db/km
當內(nèi)導體是絞線,外導體是編織時:
db/km
D.d----外導體內(nèi)徑.內(nèi)導體外徑
K1-----導體結(jié)構(gòu)修正系數(shù)
ε-----絕緣介電常數(shù)
KS-----絞線引起射蘋電纜電阻增大的系數(shù),KS=1.25
KB-----編織引起射蘋電纜電阻增大的系數(shù)
Dw----編織外導體中的單線直徑
KP1,KP2-分別表示內(nèi),外導體與標準軟銅不同時引起射頻電阻增大或減小
的系數(shù).
編織系數(shù)KB還可用如下計算方法求出:
m----為編織的錠數(shù)
n-----為每錠編織線中的導線根數(shù)
β-----為編織角編織導線的方向
