混合编织屏蔽工艺在电缆设计和制造中的应用

吴来利， 徐华胜， 周志宇， 王军胜

（1.深圳深缆科技有限公司，广东 深圳518000；2.燎原电缆集团有限公司，浙江 台州318000；3.富通集团（浙江）电缆有限公司，浙江 杭州311400；4.池州起帆电缆有限公司，安徽 池州247000）

0 引 言

混合编织屏蔽工艺是指使用两种或两种以上编织材料混合编织在同一根电缆上的生产工艺方式。

编织屏蔽工艺是电线电缆行业生产制造中不可或缺的生产工艺方法，因金属编织丝网具有柔韧性好、易于安装、屏蔽效果较好等优点，成为电线电缆最常用的电磁屏蔽工艺，金属屏蔽丝网本身质量的好坏，制备过程中各个参数的选择，直接关系到金属屏蔽丝网的成本、柔韧性和屏蔽效果，金属编织网越密集、覆盖率越高，其屏蔽效果越好，但是它较重、成本较高，同时其柔韧性大大降低，影响施工，因此，对金属编织丝参数及材料的合理选择极为重要［1］。

编织的主要作用是起到电磁场屏蔽功能，在一些电缆种类上，也起到铠装保护，纵向抗拉，引导故障电流，作为外导体传输电磁波等作用。

电缆行业所采用的编织屏蔽工艺几乎都是一样的，即通过两组相反方向旋转的锭子交叉换位，实现内外交错覆盖。一个方向的编织丝的覆盖密度叫单向覆盖率，两个方向的编织丝共同实现的覆盖密度就是所称谓的编织密度。老式编织机是通过每个锭子走8字步实现编织的，编织速率慢，设备运行噪声大。新式的编织机经过对锭子轨道的改进，运行速率快，噪声小。

1 屏蔽的基本原理及屏蔽材料

按屏蔽的基本原理，电缆的屏蔽可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽等3种形式。

1.1 电场屏蔽

电场屏蔽包括静电屏蔽，近场电屏蔽等，在电气设备中，当各个电路和元器件中有电流通过时，在其周围空间会产生磁场；当电路和元器件上各部分具有电荷时，在其周围空间会产生电场。这种电场和磁场作用到周围的其他电路和元器件上时就产生感应电流和电压，而这些感应电流和电压又反过来影响原来电路和元器件中的电流和电压，这就是电气设备中电场和磁场的寄生感应干扰，是一种有害的静电干扰。抑制这种干扰的措施叫静电屏蔽。近场电屏蔽是为了抑制相邻两导电体间的寄生电容耦合。

电场屏蔽主要是干扰源产生的交变电场被终止于屏蔽体，从而切断了干扰源和敏感器间的传输路径；从电路的观点分析，屏蔽体起着减小干扰源和敏感器之间分布电容的作用。要想减少电场所引起的耦合，主要有两种措施：加金属屏蔽材料，且有良好接地；使相互耦合的两导体或两元器件远离，以减少分布电容。

电场屏蔽的材料应采用导电较好的非磁性金属材料，如铜、铝等制成。

1.2 磁场屏蔽

载流导体或线圈周围都会产生磁场，如果电流是随时间变化的，则磁场也随时间变化，这种变化的磁场往往会对周围的敏感元件、电路造成干扰。

在电子设备中，低频磁场干扰是一个棘手的问题，其原因是磁屏蔽体的屏蔽效能远不如电屏蔽。对于低频磁场的屏蔽，涡流的屏蔽作用很小。当工作频率低于100 kHz时，磁场屏蔽常用高磁导率的铁氧体材料，如铁、硅钢片和坡莫合金等，利用铁磁材料的高磁导率对干扰磁场进行分路。

高频磁场屏蔽采用低电阻率的导电材料，如银、铜等，利用电磁感应现象在屏蔽体表面产生的涡流的反磁场来达到屏蔽目的，也就是利用了涡流反磁场对原干扰磁场的反作用。

1.3 电磁场屏蔽

通常说的屏蔽，就是指电磁场屏蔽，即对电场和磁场同时加以屏蔽。电磁场屏蔽是用屏蔽体阻止电磁场在空间传输的一种措施。电磁波在通过金属或对电磁波有衰减作用的保护层时，会有一定程度的衰减，说明该屏蔽层有屏蔽作用。屏蔽效能与电磁波自身特性及材料特性有关。电磁波在金属屏蔽体内的传输与行波在传输线中传输过程相似，都会产生反射和损耗［2］。

屏蔽电线电缆一般应用于要求防干扰的各种电器、仪表、电信自动化装置的线路中。随着自动化控制技术和智能化的发展，对屏蔽电缆的需求和屏蔽效能提高均提出了新的要求。考察电缆屏蔽性能好坏的相关参数有屏蔽系数、转移阻抗、屏蔽衰减等。

在高频电磁场的场合应使用电磁屏蔽结构，电磁屏蔽结构是由交错放置的非磁性金属和磁性金属组成，其电磁屏蔽效果好。

屏蔽系数表示屏蔽作用的大小，其大小就是当有屏蔽层时，被它屏蔽的空间内某一点的电场强度（E1），或磁场强度（H1），与没有该屏蔽层时该点的电场强度（E）或磁场强度（H）的比值。所以，屏蔽系数（S）按：S＝E1／E或S＝H1／H计算。

屏蔽系数为复数，它的角度表示电磁波经过屏蔽层后的相移。屏蔽系数的绝对值在0～1范围，屏蔽系数越小，屏蔽效果越好。当屏蔽系数为零时，说明屏蔽点上没有电场或磁场存在。

电缆厂家生产最多的控制电缆、电子计算机电缆和通信电缆（同轴电缆除外）均属于对称电缆。

2 混合编织屏蔽工艺现状分析

目前，电线电缆行业采用编织工艺的产品主要有控制电缆、电子计算机电缆、通信信号电缆等产品。这些产品编织层的主要功能作用是电磁屏蔽，一方面起到减少屏蔽层内电磁场对外部的影响，同时也起到减少屏蔽层外部的电磁场对内部线芯的影响。屏蔽效果与屏蔽层材料种类、屏蔽层结构形式、编织密度是否均匀等直接相关。

在这些产品标准中对编织结构、工艺、节距等参数要求规定不够详细，其中，控制电缆、电子计算机电缆、通信电缆要占电线电缆行业编织量的70%以上。控制电缆的国家标准GB／T 9330—2020中对金属丝编织的要求是“金属丝编织屏蔽应采用标称直径相同的软圆铜线或镀锡圆铜线编织而成，编织密度不应小于80%”，这些产品标准要求全部用纯铜丝编织，从屏蔽效果来讲，这种要求其实过于笼统和粗糙。一些产品完全可以采用不同材料的混合编织达到其使用效果。

3 混合编织工艺的实践与探索

采用24锭高速编织机，本工作尝试了两种混合编织工艺方式：第一种为KVVP 450／750 V 14×1.5铜／铝合金丝混合编织，第二种为DJYPVP 300／500 V 6×2×1.5铜／钢丝混合编织。混合编织工艺参数见表1。

表1 编织工艺参数

编织密度的计算方法采用国家标准GB／T 9330—2020《塑料绝缘控制电缆》中编织密度的计算公式如下所示：

式中：P为金属丝编织屏蔽的编织密度（%）；p为单向覆盖系数；L为编织节距测量值（mm）；m为编织机同一方向锭数；n为每锭编织金属丝根数；d为编织金属丝直径测量值（mm）；D为编织层外径测量值（mm）。

GB／T 9330—2020《塑料绝缘控制电缆》中D定义为编织层外径测量值，该测量值为测量平均值还是中间值，标准中没有明确说明，以上两种对D定义的差异会影响到编织密度的结果；再者，2020年版本d及L的定义为编织金属丝直径测量值及编织节距测量值，该测量值是实际测量的平均值还是中间值，不同的取值结果均会影响到编织密度的计算结果，从而造成不同的测量者因对标准理解的不一致而导致结果偏差较大。

编织密度作为现行标准考核编织结果的重要依据，该结果的不确定性会增加企业在市场上的抽检风险，从而增加企业的隐形成本。

两条电缆生产完毕后，采用JDP-30型电缆屏蔽系数测试仪对两条电缆的屏蔽系数进行了测试，测试步骤如下：①从被测电缆上取样约1 300 mm；②将样品两端300 mm处的外护层剥去；③将样品两端95 mm处的金属剥去，并清理干净；④从样品缆芯中靠近中心处选定一根测量导体，将该导体两端剥去绝缘层其一端用细铜线缠绕数圈扎紧在金属套上，制成芯线电压环；⑤将样品夹紧在屏蔽系数测试仪上，一端芯线电压环与电压测量线相连；扎紧在金属管上。开始测试，测量结果为0.27，要优于纯铜丝编织测量值0.29。

4 混合编织工艺推荐结构

经过实际生产和检验，得出的结论是，不是所有的产品都适合混合编织工艺，可以对个别不同用途的产品进行针对性的结构设计，以达到特殊性能提高的效果。

混合编织工艺应用推荐场合：①有纵向落差敷设场合推荐铜丝与细钢丝混合编织；②传输高频信号的电缆推荐铜丝与铜包钢丝混合编织；③工地临时用线推荐铜丝与铜包铝丝混合编织。

5 结束语

撰写本文的目的不是为了证明哪种结构的产品屏蔽效果更好，而是希望能够起到抛砖引玉的作用，技术人员根据不同的使用场合设计针对性的产品，不仅提高了产品性能，同时减少材料消耗。当然，技术人员在设计和生产产品的时候会受到不同层面和角度的制约，制订工艺的时候既要满足产品性能要求，又能够最大限度的降低产品成本，满足不同用户的需求。如RVVP产品，标准规定中的铜丝编织屏蔽，编织密度不小于80%，如果改变工艺，改成纵包铝塑复合薄膜和铜丝编织，降低铜丝编织密度，虽然也达到了同样的屏蔽效果，但从标准角度考核，该种产品是不合格产品。所以，提高产品性能和利润需要从标准制定、设计院型号选配和生产厂等共同配合。