電纜

電纜內部示意圖
電纜與製電線

電纜,是連接兩個設備傳輸電信號的組件,由兩條或更多的導線粘合、扭曲或編織在一起形成。電纜的用途廣泛並且每個用途都需特製,它的功能大至傳輸電能、電信號和實現電磁能轉換的線材產品。

電力纜通常由傳輸電力或電信號的纜芯和起到保護、絕緣作用的護套組成。只含有一條纜芯且直徑較細的電纜通常被稱為電線。而沒有絕緣護套的電線,被稱為裸線。電纜中的纜芯由導電性能良好的金屬材料製成,通常使用導電性能良好的或成本較低的

1836年世界上製造出第一根銅線外用橡皮帶包紮的低電壓(600伏特以下)電力用電線。

歷史

一、發現「電」可沿金屬線傳輸(1800年前)

公元前500年,希臘泰勒斯發現摩擦生電。 1729年,英國人格雷發現「電」可以沿金屬線傳輸,人類有了「導體」的概念。 1740年,法國的德札古利埃規定了導體與絕緣的定義。 1744年,德國人溫克勒用電線把放電火花傳輸到遠距離,宣告了電線的誕生。 1752年,美國人富蘭克林發明了避雷針,並用電線接地,這是電線的首次實用化。 1799年,義大利人伏特發明電池,獲得了持續電流。

二、「電報機」的發明推動了電報電纜的研發、應用(1875年前)

十九世紀初,丹麥的奧斯特、英國的法拉第、德國的歐姆、美國的亨利等大批歐美物理學家不斷發現和創立了現代電學、電磁學的許多基礎理論,為今後的電力、信息傳輸打開了閘門。 1833年,高斯和韋伯製成了第一部電磁指針電報機,用於1公里長的線路上,用了6年。 1835年,美國莫爾斯發明了有線電報機,促進了通信電纜的發展。 1839年,庫克、惠斯登在倫敦建成了第一條21公里長的電報線路。1841年紐約港敷設了橡皮絕緣的海底電報電纜。 1851年,英國敷設了穿越英吉利海峽的海底電纜。此後,歐美各國競相發展;二三十年間,電報電纜幾乎遍連各國的主要大城市。至1920年,英國建成了連接大英國協各國、環繞世界的電報電纜網,引發了美、日等國敷設海底電報電纜的高潮。 1871年,英國大東公司在中國上海與日本長崎之間敷設了橡皮絕緣海底電報電纜。

三、線纜產品在三大領域遍地開花(1980年前)

(一)電磁線

1875年,美國人亨利取得了第一個絕緣漆和纖維專利。美國GE公司在1902年製成醋酸纖維漆包線;1909年製成油性漆包線;1925年製成聚乙烯醇縮甲醛線;1938年發明了縮醛漆包線;1954年發明了聚酯漆包線。 日本在1939年開發了玻璃漆包線;1954年製成了矽酮漆包線。德國在1940年製成了聚氨酯漆包線。 美國道奇公司在1951年發明了自粘性漆包線;1963年製成了複合漆包線。 美國杜邦公司在1957年發明了丙烯酸漆包線;1961年製成聚酯亞胺漆包線和聚醯亞胺漆包線;1964年製成聚醯胺-醯亞胺漆包線。 上海電纜研究所在1966年製成聚醯亞胺漆包線;1970年製成聚醯胺-醯亞胺漆包線。

(二)通信電纜

1876年,美國貝爾發明有線電話機,美國製造市內通信電纜。1878年,美國在紐約與波士頓之間開通了第一條長途話纜線路。 1889年美國WE公司開始大批量生產紙帶繞包絕緣鉛包市內通信電纜。 1891年英法海峽敷設最早的海底話纜。 1898年英國在倫敦與伯明罕之間敷設了一條長達46公里的19個四線組成的長途通信電纜;用至1938年又改為載波通信。 1921年,美國與古巴間敷設了第一條同軸海底話纜。 1932年,英國與比利時之間敷設了第一條載波傳輸的海底同軸電纜。 1936年,德國製造寬帶同軸電纜用以傳輸電視。 1939年,德國、美國開發了聚乙烯料,應用於各種通信電纜。 1944年,美國與法國間敷設了距離最長的(100海里)海底電纜。 1949年,美國製成公用天線電視電纜(CATV)。 1950年,美國製成全塑(PE)皺紋鋁帶綜合護層電話電纜。 1956年,英、美、加三國合作敷設了第一條跨越大西洋的對稱式電話電纜,全長4300公里;1959年,美、法、加三國合作敷設了第二條大西洋海底通信電纜(同軸式)……。至1976年,共敷設6條跨越大西洋的海底通信電纜。此後,在大西洋及各個海域陸續又敷設了大量的海底通信電纜,使世界各地區、各國之間信息傳輸全部暢通。 1976年10月,中日之間的海纜系統開通,有480話路。

(三)電力系統用線纜

1879年,美國愛迪生發明了白熾電燈,製成黃蔴瀝青絕緣電力電纜,敷設於紐約。同年,瑞士博雷爾發明壓鉛機,可製造鉛包電纜。 1887年,美國布魯克斯用低粘度絕緣油浸漬紙作為電力電纜的絕緣。 1888年,英國費倫蒂製成10KV油浸紙絕緣電纜(二芯,同芯式)。 1890年,美國製成三芯油浸紙絕緣電力電纜。 1893年,英國BICC公司開始生產紙力纜。 1910年,德國在柏林敷設30KV三芯電纜,1911年敷設60KV單芯電纜。 日本於1911年生產10KV紙力纜。 1877年,美國托馬斯發明了銅線冷拉工藝,使銅線抗拉強度和導電率大幅提高,可用於作架空導線。 1882年,德國採用銅架空線輸送直流電,1886年採用美國用架空線傳輸交流電。 1895年,美國首次製成鋁架空線;1908年採用鋼芯鋁絞線。1915年首次生產銅包鋼線。 1922年瑞典研製出1號鋁合金架空線。 1903年,IEC制定了靱煉銅的導電率國際標準(IACS)。 1917年,義大利發明了自容式充油電纜。 1923年,美國敷設66KV充油電纜;1924年敷設132KV充油電纜。 1932年,義大利在米蘭敷設220KV充油電纜。 1938年,瑞典南方電廠敷設380KV充油電纜;1955年敷設425KV充油電纜。 1957年,法國製造500KV充油電纜。 1972年,美國製成500KV鋼管充油電纜。 1959年,中國研製出66/110KV和220KV自容式鉛包電纜試樣;66KV電纜於1964年在大連第二電廠應用。110KV電纜在1968年用於南京長江大橋旁(過江電纜)。1973年,製成330KV充油電纜用於劉家峽電站二期工程。 1937年德國首次研製出PVC絕緣電線,很快在各國得到發展。 1946年,美國首次製成15KV聚乙烯絕緣電纜;1952年採用輻照交聯聚乙烯製造電線。1958年美國採用了DCP後,發明化學交聯法;1967年美國康寧公司發明矽烷交聯法。這些,使各種交聯型線纜產品得到迅速發展。 1961年日本購得美國專利首先製造化學交聯聚乙烯電力電纜,1962年製成66KV級,1973年試製275KV級交流電力電纜和500KV直流電纜。1980年研製500KV級交流電力電纜;並於2000年在東京安裝,開通使用(39.8公里)。 1983年,中國由上纜、沈纜和電纜所合作研製成500KV充油電纜及附件,在遼錦線上掛網試運行。

四、向著更高、更廣、更精的目標前進

(一)輸電電壓更高,從架空線網開始

1964-1968年間,美國、前蘇聯架設了±800KV直流輸電線路,採用鋼芯鋁絞線。 1973年,中國湘潭電纜廠製造鋼芯鋁絞線,敷於南京長江大橋旁,長1.93公里;1978年研製鋁-鎂-矽稀土架空導線。 1980年,武漢電線廠生產稀土鋁合金導線。 1999年,日本建設交流1000KV、8分裂架空線網,長250公里。 2007年,中國開始建設±800KV直流架空輸電線網。

(二)光通信擴展著信息傳輸的未來

1966年,英籍華人高錕首次提出用石英纖維遠距離傳輸光波的概念;1970年,美國康寧公司研製出低損耗石英玻璃纖維。1976年,美國貝爾與西點公司建成光通信實驗室;同年,法國安裝了19芯光纖的光纜線路,美國安裝了144芯光纖的光纜線路,供試驗用。 1974年,日本用光纜傳輸彩色電視成功。1978年,中國上海電纜研究所研製成功短波長松套層絞光纜,隨後在上海電話局線路中運行。 1983年,英國電信公司首次正式應用了8芯單模光纖的光纜線路,長27公里。 1985年,日本建設貫通全國的、長達3400公里的光纜線路網。 1986年,英國-比利時建成第一條海底光纜線路。1988年又開通第一條跨大西洋的海底光纜線路,長6500公里。至1996年,共建成7條跨大西洋的光纜線路。 1989年,美國與日本間的第一條太平洋光纜線路開通。至1997年全球光纜互聯線路網(FLAG)投入運行,光纜線路總長2.8萬公里。 1993年10月,世界最長的一條陸上光纜(成都514廠制)在中國開通;從北京到海南,全長4700公里。隨後又與亞太9個國家或地區聯合建成亞太海底光纜網,總長1100公里。

(三)超導電纜方興未艾,正走向實用

1962年,美國開發出超導電磁線。 1967年,英國進行超導電纜通電試驗,並於1970年建立超導交流試驗線路。 1972年,美國研製成可繞性帶絕緣超導電纜。 1995年,美國超導公司建成首條30m長的高溫超導電纜線路。 2002年,日本完成一組100m、66KV/1KA的平行三芯超導電纜試驗系統;2003年又完成500m,77KV/1KA的高溫超導電纜試驗。 2004年,中國北京英鈉超導技術有限公司研製的30m、35KV、2KA高溫超導電纜,在雲南普吉變電站併網試運行。 2006年,美國超導公司研製出600m、3相、138KV、2.4KA的冷絕緣高溫超導電纜開通運行。

電纜用金屬材料

金屬種類 電阻率(20°C) 電阻溫度係數(20°C) 備註
1.678×10-8 Ω·m 0.0039 導電性僅次於銀,導熱性僅次於金、銀;抗腐蝕,無磁性,塑性好,易於焊接,用途廣泛。銅合金主要為提高銅的耐磨性,耐腐蝕性及機械物理性能。
1.59×10-8 Ω·m 0.0038 金屬導電性及導熱性最高,具有良好的耐腐蝕性及耐氧化性,易於焊接;主要用於鍍層和包複層;主要用做耐高溫線及(註:依照集膚效應原理)用做高頻通訊電纜導體。
2.82×10-8 Ω·m 0.0039 導電性僅次於銀、銅、金;導熱性好,耐腐蝕性好,機械強度一般,塑性好,比重小。缺點是抗拉強度低,不易焊接。鋁合金主要為提高鋁的機械強度,耐熱性及可焊性。
2.44×10-8 Ω·m 0.0034 用做耐高溫線。
6.99×10-8 Ω·m 用做耐高溫線。
不銹鋼 1.00×10-7 Ω·m (7.40×10-7 Ω·m) 0.005 常作複合導體的加強材料,如鋼芯鋁絞線,銅包鋼,鋁包鋼線等。
6.02x10-8 Ω·m 用做鋼絲/鋼帶/鐵導體的鍍層,用以防腐蝕
1.09×10-7 Ω·m 用做鋼絲/銅線的鍍層,用以防腐蝕,並有利於銅線的焊接。

應用類別

  • 電力電纜
    電力系統中用來傳輸和分配大功率電能的電纜。如常見的額定運行電壓低於1000V的低壓電纜、額定運行電壓在3.6/6~26/35kV之間的中壓電纜,額定運行電壓高於110kV的高壓電纜等。架空輸電線常使用裸線以節約絕緣材料的成本,如絞線鋼芯鋁絞線、鋁絞線、鋁包鋼絞線、鋁合金絞線)、軟接線、型線和型材等。
  • 架空電纜
    用於鐵路電氣化,是鐵路電氣化的方法之一。
  • 控制電纜
    主要用於傳送控制、測量信號等的電纜。適用於工礦企業、能源交通部門、供交流額定電壓450/750伏以下控制、保護線路等場合使用。
  • 繞組線
    實現電磁轉換所使用的導電線材。如漆包線、絲包線等。常用於電動機發電機變壓器等電磁轉換設備中。
  • 通訊電纜
    用以傳輸電信號(如電話話音信號、電視圖像信號、網絡通訊信號等)的電纜。常見如電話電纜、同軸電纜、網絡電纜等。
  • 電氣裝備用電纜
    裝配設備用的安裝線和控制線等產品。如民用電線、控制電纜、儀表線、電子線、加熱電纜、熱電偶補償線等,通常對產品的最大外徑有要求。
  • 電纜地下化
    電纜地下化技術,可降低路上城市的干擾度,增加路上空間使用度,同時電纜地下化能保護電纜,增長電纜的使用壽命,為世界各地規劃研究重要議題。
  • 網絡電纜
    常用的網絡電纜有三種:雙絞線電纜同軸電纜光纖電纜(或簡稱光纜)。

種類

電線電纜按照有沒有絕緣層可以分為裸導線和絕緣導線

  • 裸導線:只有導體的部分,沒有絕緣層和保護層的導線。裸導線按照不同的形狀和結構可以分為
    • 圓單線:主要用於電線、電纜的導電線芯,或是直接用於架空的通信廣播線等。
    • 軟接線:主要用於電動機、電器的電刷連接線,移動式電器的連接用線等。
    • 型線:指橫截面不是圓形的裸導線,主要用於安裝配電設備及其他的電工製品。
    • 絞合線:由多股裸導線絞合在一起製成的,比較軟,但有強度。主要用於架空線路的連接。
  • 絕緣導線:由導電線芯、絕緣層和保護層組成,導線線芯有單芯、雙芯、三芯和多芯等幾種。又可分為:
    • 電磁線
    • 電氣設備用電線電纜
    • 電力電纜
    • 通信電線電纜

相關組織與標準

  • 中華民國國家標準(CNS)
    1. CNS 670 鍍錫軟銅單電線
    2. CNS 672 鍍錫軟銅絞電線
    3. CNS 679 600V聚氯乙烯絕緣電線
    4. CNS 689 塑膠絕緣電線電纜檢驗法
    5. CNS 1364 裸軟銅單電線
    6. CNS 1365 裸軟銅絞電線
    7. CNS 2655 交連聚乙烯絕緣聚氯乙烯被覆電力電纜
    8. CNS 3301 600V聚氯乙烯絕緣聚氯乙烯被覆電纜(VV)
    9. CNS 11174 耐燃電線
    10. CNS 11175 耐熱電線
  • 美國國家標準協會(ANSI)
    1. ANSI C2 國家電機安全法規
  • 美國材料和試驗協會(ASTM)
    1. ASTM B3 軟或軟化銅電線
    2. ASTM B8 同心層銅導體絞線、硬、中硬及軟抽銅
    3. ASTM B33 電機用鍍錫軟銅或軟化銅線
    4. ASTM B189 電機用鍍鉛及鍍鉛合金軟銅線
    5. ASTM E622 實心材料燃燒時釋放煙濃度試驗
    6. ASTM D2863 測量可維持塑膠如同蠟燭燃燒狀況所需氧氣指數最低氧氣濃度
  • 絕緣電纜工程師協會(ICEA)
  • 國際電工委員會(IEC)
    1. IEC 60331 電纜之防火特性
    2. IEC 60332 測試電纜線在火中之狀態
    3. IEC 60332-1 一條垂直的絕緣導線或電纜上測試
    4. IEC 60332-3 成束導線及電纜 B 類測試
    5. IEC 60540 電纜、電線之絕緣及被覆試驗方法
    6. IEC 60754 電纜燃燒時釋放氣體之試驗
  • 電氣電子工程師學會(IEEE)
    1. IEEE 383 CLASS IE 電纜現場接續、連接,以供核能發電廠之型式試驗
  • 日本產業規格(JIS)
    1. JIS C3102 軟銅線
    2. JIS C3105 硬抽銅絞線
    3. JIS C3307 600V聚氯乙烯絕緣電線(IV)
    4. JIS C3401 600V控制電纜
    5. JIS C3605 600V交連聚乙烯絕緣電纜
  • 美國電氣製造商協會(NEMA)
  • 美國消防協會(NFPA)
    1. NFPA 70 美國國家電機法規

參見

參考文獻

外部連結

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