通信电缆课程设计_范文大全

通信电缆课程设计

【范文精选】通信电缆课程设计

【范文大全】通信电缆课程设计

【专家解析】通信电缆课程设计

【优秀范文】通信电缆课程设计

范文一:通信电缆课程设计 投稿:高刚创

聚烯烃绝缘聚烯烃护套室内通信电缆设计任务书

一·设计任务及要求

所 设计的电缆型号及规格:HYA×1000×2×0.5(聚乙烯绝缘的介电常数为 =2.3,tanɡ=2×10¯4) 全色谱单位式结构 工作电容52±2nf/km 二·结构元件的选择: ㈠铜导体的性能要求及公差

铜导体采用3952—2008《电工用圆铜杆》规定的圆铜杆制造。制造绕组用的细铜线,应选用优质铜杆。 其性能指标如下表:

铜导体公差为±0.005mm 其计算用物理参数:

密度: 8.89g/c㎡; 线胀系数:17×10-60c-1 ㈡选用绝缘材料及性能要求:

绝缘采用高密度聚乙烯,绝缘结构为实心聚烯烃,绝缘赢连续第挤包在导体上,并具有完整性,绝缘厚度应使成品电缆符合规定的电气要求,

绝缘线芯应采用颜色识别标识,颜色应符合GB6995.2规定。绝缘线芯颜色应补迁移。

㈢缆芯由若干个单位绞合而成。

次单位或基本单位的排列应顺层顺序,第1个次单位或基本单位在最内层,顺序方向与基本单位绝缘线芯的顺序方向一致。

采用100对单位,100对单位有4个25对基本单位星绞而成组成 基本单位有25个线对通过同心式绞合而成。基本单位中所有线对的绞合节距应不相同。

线芯应包覆非吸湿性的绝缘带,并可在外面用非吸湿性丝带扎紧,包袋应具有足够的隔热性能和机械强度,以防绝缘线芯粘结和变形、损伤。 缆芯的结构形式为(2+10)×100 基本单位绝缘线芯色谱符合下表

⑷线芯包带‘铝塑复合带外部护层结构及材料的选择

线芯包带采用0.2mm后的聚乙烯薄膜,铝塑复合带的标称厚度为0.27±0.038mm,铝带应双带复合塑性聚合物薄膜,薄膜厚度0.058±0.038mm,复合带不轧纹,聚乙烯中应含有(2.6±0.25)%的碳黑,碳黑分布均匀。 三·结构设计:

⑴ 据导电线芯直径·工作电容以及电缆的有效直径(D=d1√2nk)确

定标称绝缘厚度及公差:

⑵ 设∆=0.18mm λ1=1.005 λ2=1.008 λ3=1.008 λ4=1.04

D=32.24mm

⑶ λ=λ1λ2λ3λ4=1.005×1.008×1.008×1.04=1.062

计算等效介电常数Εd;

S1=4 𝐷2−2𝑛d1 =286.42mm2; S2=4 𝑑12−𝑑2 ×2𝑛=422.39mm2; Εd=

𝜀1𝑆1+𝜀2𝑆2𝑆1+𝑆2𝜋𝜋

=1.774

ψ

𝑑1+𝑑2−𝑑 2−𝑎2

= 𝑑2+𝑑1−𝑑 +𝑎;d2=2d1; d1=d+2∆; a=d+2∆=d1;

经计算ψ=0.722

𝜆𝜀𝐷×10-6

工作电容С=

ln 𝜓 36

×10-9𝐹 𝐾𝑀

符合条件。

同理可求得:当∆=0.19时 С=49.52×10-9𝐹 𝐾𝑀

-9

当∆=0.17时С=54×10𝐹 𝐾𝑀

所以:绝缘厚度∆=0.19±0.02mm

2选择和计算队绞节距

3 确定线芯尺寸及包带外径;

线芯尺寸;D= d1√2nk=32.24。

包袋外径D0=32.24+2×0.2=32.64mm(包带采用0.2mm厚的聚酯薄膜)

铝塑复合带外径D1=D0+2×0.27=33.58mm

4 确定护层尺寸和电缆外径;

护层采用铝塑复合带标称直径为0.27mm,铝塑复合带不轧纹。

护层采用低密度聚乙烯护套吗,厚度为0.3mm

电缆外径为D2=D0+2×0.2+2×0.27=39.58mm。 5 电缆截面图(最小单位25对基本单位); 电缆截面图

四.电缆传输参数的计算 ㈠ 一次参数计算; 电阻R

R=R0+R- ; R0=2λρ𝑠R-=R集-+R金。

𝑑2𝑑1−𝐻(𝑋)

𝑙

回路有效电阻的计算公式;R=R0 1+F 𝑋 +/KM)

式中 R0——回路直流电阻值(Ω/KM) d——导电线芯直径(mm) a——回路两导线中心间距离(mm) P─各种四线组的修正系数 X─k=√ F(X) G(X).H(X)─均为x的特定函数;

kd

𝑃𝐺 𝑋 (Ω

电感

对称电缆回路的总电感:L=λ 4ln

2𝑎−d𝑑

+𝑄(𝑋) ×

10(H/KM)

-4

式中 λ─总的绞合系数

a——回路两导线中心间距离(mm) d——导电线芯直径(mm) Q(X) 为x的特定函数 电感的计算如下

电容;

多芯电缆,工作电容计算公式;C =

𝜆𝜀×10−4

36ln (F/KM)

式中 λ---总的绞合系数;

εD---组合绝缘介质的等效介质常数;

a---回路两导线中心间距离(mm) d---导电线芯直径(mm);

ψ—由于接地金属套和邻近导线产生影响而引用的修正系数,

𝑑2+d1−d 2−𝑎2

电容的计算如下52×10-9F/KM 绝缘电导 G;G=G0+G-;G0=

1

当距离相当大时ψ=1,式中ψ=

𝑅绝

G-=ωCtan−1𝜎;

绝缘电导的计算公式;G≈G-=ωCtan−1𝜎;(S/KM) 式中

ω---角频率,ω=2𝜋f,f为频率(hz)

C---回路工作电容(F/KM)

tan−1𝜎--- 组合绝缘介质的等效介质损耗正切值。 Tan

−1

𝜎

=

𝜀𝐾𝑆𝐾tan𝜎𝐾+𝜀𝐺𝑆𝐺tan𝜎𝐺

𝜀𝐾𝑆𝐾+𝜀𝐺𝑆𝐺

式中

εK---空气的相对介电常数,等于1; Εg---介质的相对介质常数; SK----空气所占的截面积; SG----介质所占的截面积;

tan𝜎𝑘----空气的介质损耗角正切值正切值,等于0;

tan𝜎𝐺---介质的损耗角正切值。

经计算tan𝜎=1.54

二次参数计算; 波阻抗ZC;

波阻抗ZC与一次参数及频率的关系可按下列式计算;

2+𝑊2𝐿2𝑅

ZC= ZC e−iφ= 𝐺+𝐽𝑊𝐶𝐺+𝑊𝐶

𝑅+𝐽𝑊𝐿

4

e

−i

𝜑1−𝜑2

因此ZC= Φc=

4

𝑅

2+𝑊𝐿

𝐺+𝑊𝐶

𝜑1−𝜑22

φ φ

−1𝑊𝐿

1=tan;

𝑅−1𝑊𝐶

2=tan;

𝑅

1,在直流时(f=0)

Z= ZC = 𝑅;Φc=0; 𝐺

C

2, 在音频时(f≤800hz)

因频率较低,电缆回路中感抗较小相对于回路有效电路电阻

可以忽略,同时因绝缘电导G 与wc比较也可以不考虑,即 R≧WL 和G≦WC,这是

ZC≈ 𝐽𝑊𝐶 𝑊𝐶e−i45; 𝑍 ≈ 𝑊𝐶ψC≈-45o

3,在高频时(f>30khz)

因频率高,回路的一次参数间存在下列关系;ωL≧R,ωC≧G.

则ZC= ZC ≈ 𝐶;ψC≈0o;

1

𝐿

𝑅

𝑅

𝑅

衰减常数和相移常数的计算

衰减常数 α= 2 𝑅𝐺−𝜔𝐿𝐶2 ;

相移常数

β= 2 − 𝑅𝐺−𝜔𝐿𝐶2 在直流时(f=0); α=√ ,β=0;

2.在音频时(f≤800khz)

在此频率范围内,R≧ωl,G≧ωC, 可略去ωl和G,则α= β=

𝑊𝐶𝑅2

WCR2

1

;

3.在高频时(ff>30khz) 在高频时,ωL≧R,ωC≧G所以 α= + β=ω√2

22

𝐶

𝑅

𝐶𝐺

𝐿

二次参数的计算结果如下

一.绝缘生产工艺要点;

导电线芯的绝缘是为了防止电缆内各单位导电线芯之间的接触,保证电磁波的顺利传输,同时还可以使线芯的相互位置固定,减少回路之间的串音。

绝缘材料要求有稳定而优良的电气性能,良好的柔软性和一定的机械强度,同时也要求易于加工。

绝缘应连续地挤包在导体上,并且有完整性,绝艳厚度使成品电缆符合规定的电气性能要求。

绝缘完整性采用直流火化实验检验,试验电压为1.5-6kv。每12km绝艳线芯上允许有一个小孔或类似的缺陷。当针孔或缺陷超过规定时,允许修复,修复后的绝缘线芯应满足条件规定。

绝艳线芯应采用颜色识别标志。绝艳线芯颜色应补迁移。 二.对绞生产工艺要点;

对绞组;分别称作a 线和b线的两根不同颜色的绝缘线芯均匀的绞合成线对.成品电缆中任意对的的绞合节距在3m长度上测得的算术平均值应不大于155mm。 对绞节距的选择原则如下;

1,最大节距应不大于155mm,最小节距应不小于30mm。 2,相邻节距差要大,而且节距差要均匀。

节距差的计算公式;∆=h1−ℎ2,ℎ2−ℎ3,……ℎ24−。

1

1

1

1

1

1

三 成缆工艺要点

① 电缆端别规定;

a除20 对及以下的电缆外,电缆应分端别。面向电缆端头,如组成缆芯的单位或基本单位的色谱顺序为顺时针方向,则此端为A端,另一端为B端。 b电缆A端端头应用红色标志,电缆B=端端头应用绿色标志。 ② 撕断绳

a 根据双方的协议,可以在电缆内放置撕断绳。

b 撕断绳应不吸湿,不吸油,连续的贯穿整根电缆。为了保证开启护套时撕断绳裂伤不断裂,撕断绳应具有足够的强度。 四 护套生产工艺要点

①铝塑复合带;

a铝塑复合带的铝带标称厚度应为0.20mm,铝带应双面复合塑性聚合物薄膜。铝塑复合带可以轧纹也可以不轧纹。 b铝塑复合带总包重叠部分宽度应不小于6mm。小直径(电缆直径9.5mm以及下)电缆的纵包重叠部分宽度应不小于履带中心线圈周长的20%。

c铝塑复合带连续性;铝塑复合带可以接连。接续是,应先去除塑性聚合物,并净化金属表面,使铝带接头的机械,电气性能良好,其抗张强度应不小于相邻段同样长度无接续铝塑复合带抗张强度的80%,接续后应恢复接续出的塑性复合物层。 ②聚乙烯套

a 聚乙烯套应采用低密度或中密度聚乙烯。聚乙烯应含有(2.6±0.25)%的炭黑,炭黑分布应均匀。

b。聚乙烯套应粘附在铝塑复合带上,两者之间的剥离强度应不小于0.8N/MM.含非填充式电缆及有内护套的填充式电缆的铝塑复合带重叠部分。

c。聚乙烯护套应表面光滑平整,不应有空洞,裂缝,凹陷等缺陷。 d。聚乙烯套的机械物理性能应符合下表规定。 六.原材料用量计算机每公里质量的计算 (一)铜导体用量 绞入系数λ=1.062;

每公里单根铜导体的长度l=1000×1.062=1062m; 600对铜导体总长度L=600×2×1062=1.27×106m; 铜的总体积V= 0.4×10 2×1.27×106=0.159m3

铜的总重量M1=ρ.V=8.89×0.159×106×10-3=1.41×103kg (二)绝缘用聚乙烯用量 绝缘采用的高密度聚乙烯;

单根铜导体的聚乙烯绝缘长度与铜导体长度相同1062m;

单根聚乙烯绝缘的横截面积S= d12−d2 =0.328×10-3m3

π4

𝜋4

聚乙烯绝缘的总体积V=0.0.328×10-6×1062×2×900=0.627m3; 聚乙烯绝缘的总重量为M2=ρ.V=0.941×0.627×106×10-3=0.59×103kg (三)铝塑复合带用量

铝塑复合带宽度B=3.14×(D+t)×sin𝛼/(1−𝑘);

式中 B –铝塑复合带的宽度;D-绕包前的直径;t-复合带厚度

Sinα-绕包角度α的正弦值;K-绕包搭盖率(k>0)取α=35;k=0.10 t=0.27 D=32.24+0.2×2=32.64mm;则 B=3.14

o

×

32.64+0.27 ×sin35

1−0.10

=65.37mm

选用65.77mm宽的铝塑复合带;

铝塑复合带长度为L=1000/sinα=1743.38m; 铝的总体积V=0.03M

铝的总质量M=ρ.V=2.703×0.03×10×10=0.08×10kg; PE的总体积V=1743.38×0.06577×0.07×10=0.00704M; PE的总质量M=ρ.V=0.941×0.00704×103=6.62kg; 铝塑复合带的总质量M3=M+M=86.62kg; (四)聚乙烯护套的质量

聚乙烯护套采用低密度聚乙烯;低密度聚乙烯密度为ρ=0.925g/cm3 聚乙烯护套的横截面积S= 𝐷2−𝐷02 =0.368m3

由于聚乙烯护套内含有少量的碳,经计算聚乙烯护套密度应采用ρ=0.93g/cm;

聚乙烯护套的重量M4=0.93×0.368×106×10-3=0.342×103kg 每公里电缆的总质量;

M=(1.41+0.59+0.0862+0.342)×103=2.43×103kg

𝜋4

-3

3

6

-3

3

3

范文二:通信电缆设计概论 投稿:洪貜貝

数据电缆的结构设计和性能控制概论

目录

第一章 概述

第二章 数据电缆主要性能指标控制

2.1 衰减

2.2 串音

2.3 阻抗和回波损耗

2.4 相延时和时延差

第三章 网线在TIA/EIA 568.B2 与TIA/EIA 568.A中色对连接的差别

第一章 概述

我们一舟生产的数据电缆主要有UTP 5E、FTP 5E、U/UTP 5E、SFTP 5E、UTP 6、FTP 6、UTP 6A、CAT 3多对数电缆等常见的高频对称电缆。这些电缆都是采用单线对绞、对绞线成缆的结构。在这里,我分别对这种电缆结构作详细地分析。

我们公司采用高速串联机以1200-1400m/min的速度高效率的生产出绝缘芯线。然后根据不同线对的识别标志、绝缘厚度和导体直径将芯线有规则的绞合成一定节距的对绞线。数据电缆的线芯在工作状态下产生开放的电磁场。开放的电磁场将按照信号电流频率从低频到高频对外释放电磁能。也就是说,本来用于信号传输的电能以电磁场能的形式向网络线路周边的空间布点的释放出去。如果这些能量不经过必要的装置给予回笼那么用于传输信息的电流能量将迅速衰竭从而使信号强度无法与各种原因产生的噪音识别。同时因为电流能量衰竭也会使电子克服电阻壁垒的能力减弱,从而使信息传递减速。一旦信源到信宿的超过5120纳秒,那么信息处理器就会把脉冲信号识别为反射脉冲信号而不予处理。也就是说网络传递信息的功能失去了。因此,我们要采用必要的工艺设计来解决开放电磁场带来的这些影响。

对绞结构普遍应用于数据电缆生产。在我们已经能够投产的CAT 7 UTP电缆中我们采用的也是对绞线外拖包铝箔的屏蔽结构。在处理开放电磁场问题上,我们目前采用的是对绞结构和金属层(带、网)结构。在电磁场理论中,针对开放电磁场能量控制问题,大部分采用的是屏蔽和电磁场能量集中和均化的理论。在电缆设计中我们都能用到。后面第三部分中我还要详细论述屏蔽结构。

为什么采用对绞结构能够有效的控制开放电磁场的能量释放呢?数据电缆中采用的细铜导体是这个开放电磁场中的两个电极。这两个电极就是电场的两极。两极之间积蓄了电场的能量。但在实际环境中,任何携带载流子的电介质都可以成为一个电极,大到恒星、星系小到一个空气粒子甚至是游离的离子。因此我们生产的电缆带电工作时是处于一个多电极的不规则的复杂的电磁场中的。如果我们不能正确认识电磁场的复杂运动形式我们就不能设计出高性能的数据电缆。在对绞结构中,我们要保证两个绞合在一起的芯线a、b相互之间的距离最近而且距离一致,才能保证芯线a、b之间的电磁场能量大部分集中在两根芯线之间。然而在电缆内部还有其他三对芯线。因此电缆内部就有多个电极和磁极。因此尽量减小两根对绞线之间距离与线对之间的距离的比值对改善数据电缆近端串音、远端串音、衰减、等电平近端串音功率和等指标都是非常重要的。沿照这种思路,我们在线对之间加入骨架就增大了线对之间的距离而开发出了CAT 6数据电缆。同时在线对之间加入介电常数与绝缘介电常数一致的骨架还会进一步均化电场减弱了电场能量集中也就降低了串扰的能量。

对绞线利用邻近效应和交叉效应,保证了稳定的结构回波损耗参数和合理的衰减值。同时我们利用两根邻近导体传输同一种信号,对于其他线对来说,线对就是传输信号的理想载体。简言之,

利用屏蔽结构采用一根导体就可以解决信号传输的问题。为了降低成本,我们采用两根导体对绞来解决了开放电场的问题。

大家都知道不同线对尤其是邻近线对不能采用相近的对绞节距。在这里我把相关理论简单阐述一下。车间里众多设备制造的噪音让我们无法在车间清楚地听到手机的声音。这是因为声音是一种机械波。不同频率的机械波混杂在一起使手机声音的频率与其中的同一频率的噪声共振让我们无法识别是设备的声音还是手机的声音(手机的音乐频率是不断有规律变化的,因为车间噪音源多而使不同频段的声音都可以产生;声音的频段主要在20-20KHZ之间)。只有手机的声音比噪音还大时,我们才会清楚地听到手机的声音。这种现象在电磁波中也是存在的。

为了降低这些共振感应效果,我们要让同一频段的电流不能同时出现在同一段电缆中。也就是说当同一频段的电流在电缆的同一段出现时它们会相互进入对方的导体尤其是能量较大的信号进入导体会让对方信源处理器误认为这是自己发出的信号。也就是说,这样增加了信号中的噪音。

在电缆结构设计中,我们采用改变机械结构形式的方法来实现对电磁场运动形式的变化。采用不同的对绞节距,一是使信号在电缆内部运动的时间不同,二是使相同频段信号在同一电缆段中出现的概率减少,三是使电缆线对之间的阻抗有细微不同从而改变了信号传输速率、频率和振幅(也就是说即使相同的信号分别进入数据电缆的两个线对,线对中的信号速比、频率和振幅也会有细微差别)。为了配合这三种效果,我们还可以让不同线对采用不同直径的导体、不同厚度的绝缘等。

M.法拉第在电磁感应理论中告诉我们,不断变化的电场产生不断变化的磁场,反之不断变化的磁场也能产生不断变化的电场。这里的不断变化是随着时间的推移电磁场有强变弱再由弱变强,这个变化过程如果是有规律的,那么这个电磁场的变化就有了规律的频率。我们按照这些理论可以知道数据电缆内部传输的1-1000MHZ数据信息电流,而且数据电缆内部至少有两组这样的高频数据电流。频率越高必然引起越高的感应电流和磁场,因此要提高数据信息的频段必须考虑高频感应的一系列问题。相关的结构微调在后面的主要性能指标部分给予介绍。

对绞节距的大小是有技术要求的。根据电磁波传播理论,当阻抗沿传播方向

上变化的周期小于等于八分之一波长时,电磁波将不易觉察到这种变化。因此,

为了保证阻抗稳定在100±10Ω范围内,我们在选择对绞节距时最大对绞节距不

能大于最高频率信号电流波长的八分之一。通过控制对绞节距保证了电缆的阻抗

性能,同时也基本消除了绝缘偏心对SRL的影响。

对绞过程中普遍采用了退扭工艺。退扭会造成单线细微的损伤并会造成特性

阻抗不均匀。但是退扭(预扭)工艺使单线和对绞线产生了内在的预应力,当电

缆在后续加工和布线过程中受到机械作用时预应力可以和作用力相持从而避免

了不可预期的作用力对电缆结构一致性的破坏,保证了SRL、阻抗等指标的稳定性。事实表明,退扭工艺有利于改善电缆的输入阻抗等性能。同时我也发现由于对绞节距不同,线缆内四对线组内在的绞合应力是不同的。这就容易造成成缆线的单组翘起和松弛变形,因此在成缆时要调整放线张力,并保证该张力大于线组内的预应力。

数据电缆成缆节距一般控制在最大传输脉冲电流波长的1/8以下。大节距成缆有利于提高信号传输速度、控制高频段电缆阻抗偏高的趋势,最重要的是降低生产成本。但是同时会造成结构回波损耗(SRL)增大、回波损耗指标不稳定等不利影响。

CAT 7 属于屏蔽星绞组电缆。7类数据电缆是我公司开发的优势新型产品,在传输频段上达到了0.7—1000MHZ。由于7类缆采用了较好的铝箔分屏蔽结构代替了CAT 6、

CAT5E电缆的无屏蔽结构,因此7类电缆的高频电磁性能有了很大改观。7

类电缆线对设计在一个相对封闭的电磁场中,比CAT 6、CAT5E的对绞结

构解决开放电场的方法更完善一些。同时由此也对阻抗、近端串音(NEXT)、

远端串音(FEXT)、等电平近端串音(ELNEXT)、衰减(ATT)、回波损耗

(RL)和结构回波损耗(SRL)、相时延(DOP)、时延差(SKEW)等指标也

带来了一些变化从而要求我们增大导体的直径、增大绝缘厚度和降低绝缘介电常数等。同时这些结构设计增强了电缆的抗拉和抗压的机械性能,使电缆

在生产过程和安装使用过程中保持稳定的成缆结构。由于增大了导体直径和绝缘厚度,电缆的电气性能也有了很大改善。线组屏蔽使导体与屏蔽间的距离发生变动的幅度减小,线对内芯线之间距离因扭曲发生变化而对电缆性能的恶化大大降低。不足的地方就是生产成本大幅提高,在市场开拓失去了价格优势让用户更愿意接受CAT6、CAT5E这些价格较低但能够满足使用要求的电缆。目前我公司在CAT7电缆上还处于开发阶段。在高频性能改善和成本优化上面还要做大量工作。

目前公司开发的350MHZ CAT 5E数据电缆是国际领先产品。这表明合理的调整电缆结构,采用低成本的五类电缆设计理念还有很大的带宽提升空间。对于FTP、SFTP和CAT 7电缆的结构在其他方面的内容在后面的各工序设备性能介绍和各指标实现的论述中还有详细说明。

如果条件允许,我们也可以采用芯线a与芯线b粘连同时押出的方法生产线对。其优点是抗拉、抗压能力较强,电缆安装前后的结构稳定性和电气一致性好。绝缘相互粘连,单导体无法实现独立旋转,确保导体间距的一致性,而达到极其稳定的阻抗和线对间优异的平衡性能。线对的两导体中心距波动较小,因而具有较好的SRL值。另一方面,此充分利用了间距手段改善TEM传播的模式,故其线组间的串音也改善很多。但是目前我们的设备还不能实现这种芯线的高速生产。在高频下还是需要控制线对间距或者采用线对屏蔽技术的。但是因为采用了这种稳定的产品结构,可以使电缆的传输频段提高到1000MHZ以上。采用完善的发泡工艺还可以使用单根导体发泡绝缘线芯代替对绞线将频段提高到3GHZ。但这需要采用更加完善的单芯屏蔽结构。

第二章 数据电缆主要性能指标控制

因为数据电缆传输信号必须采用高频交变电流,所以高频交变的电磁场是必然要产生的。但是对于信号传输来讲,这种高频交变的电磁场带来的能量交换引起的信号能量的衰减、串音和反射回波等复杂的电磁运动就成为设计中考虑的重要因素。

2.1 衰减

在这种电磁场中引起衰减的因素很多,主要有三种类型:电介质衰减、屏蔽反射和感应涡流衰减、外电极感应形成复杂电磁场中的能量衰减。

电介质衰减与介质的损耗角正切值、工作频率和工作电容有关,其值近似与频率成正比。一般电介质中的电磁偶极子、游离电荷、电离子或基团、材料电磁缺陷都会获得电缆中的电磁能量而将这种能量转变成自身的动能。一般这种能量转换是不可逆转的,也是电缆设计中必须重点考虑的控制因素。选用介电常数尽量小的绝缘材料、填充材料、屏蔽材料和护套材料等材料是频段尽量高的通讯电缆设计的首要课题。

同时金属导体内部的电阻产生的衰减也是能量衰减的重要因素。因此我们在导体选料时选用导电率较高的99.99%纯度的铜丝作为CAT5E、CAT6、CAT7数据电缆的导体。在一些对信号精度要求较高的高性能数据电缆中还可利用高频电流的趋肤效应采用镀银、镀金材料做导体。减小信号衰减对于提高信噪比是非常有益的。

在复杂的数据电缆电磁场中,屏蔽材料还会产生感应电流。这种感应电流是金属屏蔽层中的不断绕原子核旋转的电子切割磁力线产生涡流电流并在金属屏蔽层表面形成电荷的积累。这种电荷积累会使电磁场分布更加复杂。因为信号电流频率和强度是不断变化的,所以金属屏蔽层上的感应电压也是不断变化的。电压发生变化后就会形成电荷流动。在FTP数据电缆设计中我们设计了一根接地线就是为了把这些电荷及时引走,避免电荷积累引起电场集中。同时我必须说明,屏蔽材料产生的感应磁场能量损失也是不可逆的。但是金属屏蔽层给数据电缆提供的相对完善的闭合磁场对于改善电缆衰减性能、回波损耗等指标所作出的贡献是远远大于这点弊病的。

在非屏蔽电缆中临近导体对线组内电磁场能的吸收转换和反射散射对线对能量衰减的影响也是很大的。因此频段越高的电缆采用的屏蔽结构就越完善。光在不同的介质中传输的速率是不同的,会在不同介质界面上产生折射、反射,并产生能量传递和转换。电磁波(场)在阻抗不均匀的数据

电缆中传输时也会在阻抗发生变化的界面上发生折射、反射、能量传递和转换,从而使向前传输的信号能量矢量减弱,使信噪比变小。这是沿网络线路介质、结构等不同而引起的“衰减”,这也是造成衰减曲线在高频下出现“波纹”的主要原因。这种“波纹”可能导致个别频率点上衰减不合格。同时它还会造成回波损耗在不同频率点上的反射回波累计能量值的极大变化。

在设计中降低数据对称电缆衰减的主要途径是:

a. 选用介电常数和tg δ都低的绝缘料;

b. 采用合理的绝缘型式,如采用泡沫实心皮或泡沫或皮-泡-皮的绝缘型式;

c. 足量的导体尺寸、减小电缆结构偏差和缺陷。

在实际工程测量中还要了解衰减常数计算的知识,衰减常数表示电磁波在均匀电缆上每公里的能量衰减值。它的单位为奈培Np/km或分贝dB/km(1Np=8.686dB)。信号衰减通常是由金属导体中的能量损耗和介质中的能量损耗引起的信号能量减少而产生的衰减,在开放式数据对称电缆电磁场中,逃逸到电缆之外被外界电介质捕获的能量也是相当可观的。

衰减常数α=1RG2LC(R22L2)(G22C2)2 式(2-1-1)(引自《电线电缆手册》)单位是NP/km(1NP/km=8.686dB/km),其中R是电缆导体的直流电组,G是电缆导体的电导,L是电缆的对称回路电感,C是电缆的工作电容,ω是电缆中信号电流的角频率。

五类和六类数字通信电缆在芯线设计理念上采用的是同轴电缆的原理尽管对绞数据电缆的电场不是同轴规则的。在高频下(0.6MHZ以上)时,R

RCG缆的衰减常数计算公式可以简化为α=2L2LCL 式(2-1-2),ZC= 式(2-1-3)。 C

虽然我认为这两个公式在高频下即ω值非常大时没有合理性和准确性,但是众多工程设计人员仍然乐意采用这两个公式作为电缆结构设计的依据。

在数据对称对绞电缆中,因为G和L的值比较小,所以α=RCG

2L2LC公式中后面的

GLRCRC

和导体间工作电容C就是减小衰减常数α的有效方法。减小直流电阻R可以通过增大导体截面积、选用高电导率的金属材料。增大导体的截面积会造成工作电容增大。为了达到同时降低电容C的目的,我们还要同时按比例增大绝缘的厚度,以保证导体间工作电容保持不变甚至减小。减小导体间工作电容也可以通过采用介电常数较小的绝缘材料来实现。发泡绝缘工艺就是尽量采用空气绝缘的思路来降低绝缘体的介电常数的。

在实际检测中,还是要参照权威的技术标准来设定各规格电缆的衰减标准值。国内数据电缆行业普遍推行的《YG-T 1019-2001数字通信用实心聚烯烃绝缘水平对绞电缆》通信行业标准、《ISO/IEC 11801 信息技术-通用电缆用户要求概要》、《PN-3727 TIA/EIA-568-B.2-1标准草本 ——4对100Ω 6类数据电缆传输性能规范 》等标准对衰减、阻抗、回波损耗、时延差的检测标准线的确定是有切实的指导意义。下面是这些标准的相关资料。金属屏蔽对对称电缆衰减的影响是明显的。这将在生产工艺中继续详细介绍。下面分别对对称电缆在射频下的衰减常数按高频下的条件给出计算公式:

2.6106rfKK1d无屏蔽对称电缆:α=d2adr2a2lgdr

屏蔽对称电缆:α=

89.110frtgr 式(2-1-5) 

22DSK2K2.6106rfK3KK1d214244d2aDSa22aDaSlg22drDSa4a2DSK2K44Das9.1108frtgr

式(2-1-6)中,f是频率(HZ);dr是绞线导体的电气等效直径(mm);d是绞线导体的直径(mm);Ds是屏蔽内径(mm);a是对称电缆导体的中心距(mm);εr是绝缘的等效介电常数;tgδr是绝缘的等效介质损耗角正切;Kρ1是导体的射频电阻系数;Kρ2是屏蔽的射频电阻系数;Kα是绞合导体的电阻系数,取1.25;Kβ是编织屏蔽的电阻系数,取2.0;K3是编织对阻抗影响的系数,取0.98~0.99。

100Ω电缆的衰减(20℃)标准标定公式 表2-1-1

(选自《YG-T 1019-2001数字通信用实心聚烯烃绝缘水平对绞电缆》通信行业标准)

永久连接数据电缆网络的最大衰减值表 表2-1-2

选自《ISO/IEC 11801 信息技术-通用电缆用户要求概要》

数据电缆网络信道的最大衰减值表 表2-1-3

选自《ISO/IEC 11801 信息技术-通用电缆用户要求概要》

Class A、Class B 、Class C、 Class D分别表示永久连接网络信道在0-100kHZ、0-1MHZ、0-16MHZ、0-100MHZ的频段等级范围。《PN-3727 TIA/EIA-568-B.2-1标准草本 ——4对100Ω 6类数据电缆传输性能规范 》对cat 6数据电缆的衰减指标没有给出明确强制性要求。

2.2 串音

串音是造成信号噪音的主要原因,不论在数据电缆中产生杂乱电磁信号的电磁场来源于电缆的其他线对还是周围电磁场。就像前面举的例子,周围有很多设备都在产生声音,我们想听的手机声音就无法听清楚了。同样数据电缆中的杂乱信号太多,中央处理器对需要处理的信号电流就无法识别了。为了保证处理器能够及时有效的识别有效的脉冲信号,我们一般从以下几个方面入手:

A、 保证数据电缆作为信道的长度,一般在100米以内。信号在电缆中传输的距离越短,受到外在

和内在电磁影响就越小;

B、保证电缆有稳定一致的阻抗性能。实现稳定一致的阻抗指标,就要保证生产材料的稳定性、绝缘单线的均匀性、对绞线对称性和节距一致性,尽可能降低线对间电容不平衡;

C、在高性能数据对称电缆中采用骨架、绕包、填充等方法尽量加大线对间的距离,同时保证线对两线芯紧密接触、中心距稳定;

D、在选择对绞节距时最大对绞节距不能大于最高频率信号电流波长的八分之一,并且不同线对采用不同的对绞节距并适当拉大绞线节距的差异,以提高串音防卫度;

E、还可以采用线对屏蔽技术。屏蔽层会产生感应涡流,需要适当增加绝缘外径以弱化感应电场的强度;

F、另外,个别学术文件中发现有强调保证相邻线对维持TEM横向电磁场穿透式电磁波传输的平衡性也可有效地减少串音的论断。这也是高频对称电缆设计中可用的另一种理念。

我们知道,传统对绞线结构的电缆中,在对绞线的中心有很强的电场,并有很大一部分泄漏于绝缘层外。如果将对绞线用与绝缘具有相同等效相对介电常数且损耗角正切值低的材料挤一层内护套(采用挤压式以保证圆整与缆芯接触密实)则大部分电磁场分布在绝缘和护套内,几乎没有电力线从绝缘体散发出去,因而从源头上减小了对相邻线对的串音。

另一方面,电磁波在绝缘体周围的空气中传播速度比在绝缘体内的传播速度快就造成电缆内部电磁场的不均匀。电磁场产生沿传播方向的电磁矢量以及垂直于传播方向的电磁矢量,电磁场的不均匀性换言之阻抗的不均匀性会使垂直于传播方向的电磁能量增加从而引起串音增加。围绕线对的护套愈厚,串音改善就愈明显。然而, 由于介质损耗的原因,用这种方式来控制串音会导致衰减增加,因为任何护套材料、绝缘材料中都含有电磁偶极子、带电基团和粒子。因为挤制内护套的工艺繁琐很少被厂家采用。但这种理念却可以应用在外被上,并会起到很好地改善串音的作用。

为保证电缆的特性阻抗值需要增加绝缘外径或增加绝缘的发泡度,最终电缆的衰减并不会增加多少,有时反而略低。当串音得到有效控制时,即使信号衰减增加了但是能够进入电缆线对产生噪音的电磁波也减弱了,最终传输信号时的信噪比SNR增加了。为了尽可能降低衰减,采用此思路设计电缆时通常采用增大导体和绝缘厚度的方法。

串音主要是由系统性耦合和机遇性耦合造成的。当原材料性能稳定一致结构均匀的情况下,机遇性耦合造成串音的影响就比较小。有时由于设备磨损、员工操作失误、绝缘厚度不均匀、导体直径不一致、绝缘偏心、对绞成缆节距不稳定等都会造成机遇性耦合。但在工程设计中着重考虑系统性耦合。

解决好系统性耦合的问题主要是考虑如何确定导体直径、绝缘厚度、对绞节距、成缆节距,既确定成熟的生产工艺。计算多组电缆四线组的节距时,一般采用公式

h14V1≠正整数(或正整数的倒数) 式(2-2-1) h24W

h1、h2是第一组、第二组的扭绞节距;V、W是任选的正整数。在高频屏蔽电缆不适宜用这个公式。

串音计算涉及到多个指标,其中近端串音值得计算公式是:

《PN-3727 TIA/EIA-568-B.2-1标准草本 ——4对100Ω 6类数据电缆传输性能规范 》中

对CAT 6类数据电缆的线对间近端串音损耗功率检测标准给出如下公式:

NEXTcable44.315log(f/100)dB/100m(328ft) 式(2-2-2) 频率f区间为(0.772MHZ,250MHZ)

标准同时给出CAT 6类数据电缆线对间最差近端回波损耗指标如下: 表 2-2-1

数据电缆在完成布线之后近端串音损耗值会发生变化,它的指标计算公式为: 网络信道近端串音损耗值NEXTchannel20log(10

NEXTCONN是连接器组件近端串音损耗值:

式(2-2-4)频率f区间为(1MHZ,250MHZ)

下面是近端串音功率和标准值的计算公式,我们可以与NEXTcable、NEXTchannel、NEXTperm-link

的标准计算公式进行比较:

NEXTcable20NEXTCONN202*10)dB 式(2-2-3)

式(2-2-5)

式(2-2-6)

式(2-2-7)

《PN-3727 TIA/EIA-568-B.2-1标准草本 ——4对100Ω 6类数据电缆传输性能规范 》给出永久性网络连接线近端串音损耗值的标准计算公式:

式(2-2-8)

我们可以看出网络的串音损耗值与网络信道(网络线)的串音损耗值是不同的。

这是《YG-T 1019-2001数字通信用实心聚烯烃绝缘水平对绞电缆》通信行业标准给出的

100Ω电缆的近端串音功率和PSNEXT的指标曲线公式图表: 表 2-2-2

100Ω电缆的近端串音损耗值NEXT的指标曲线公式图表 表 2-2-3

《ISO/IEC 11801 信息技术-通用电缆用户要求概要》标准给出的串音损耗标准是主要频率点上的串音损耗值。本文主要论述数据电缆设计和性能,因此在本文不做赘述。

2.3 阻抗和回波损耗

阻抗、回波损耗与电缆的原材料和结构是息息相关的,均匀稳定的原材料和产品结构才能保证生产出具有稳定一致的阻抗和回波损耗值的数据电缆(参见第一部分的论述)。在本部分我们一起熟悉阻抗和回波损耗两个重要性能。

回波损耗是布线系统阻抗不匹配产生的反射能量,对双向传输的影响是很大的。回波损耗以反射信号电平的对应分贝(dB)来表示。在实际布线网络测试中,应当按照ASTM D4566标准及其附件G的要求对网络的回波损耗进行测量。连接硬件所有线对的回波损耗按照附件E的要求进行测量。

模块化跳线所有线对的回波损耗按照TIA/EIA 568.B2-1附件标准J的要求测量。

回波损耗RL的计算公式如下:

RL20lgp

pZ1Z2

Z1Z2Z2Zc 式(2-3-1)

其中p是反射系数。Z1是入射波阻抗,Z2是反射波阻抗。

《PN-3727 TIA/EIA-568-B.2-1标准草本 ——4对100Ω 6类数据电缆传输性能规范 》中给出明确的6类数据电缆回波损耗须达到的标准。

《YG-T 1019-2001数字通信用实心聚烯烃绝缘水平对绞电缆》通信行业标准

100Ω电缆的回波损耗 dB 表 2-3-7

《YG-T 1019-2001数字通信用实心聚烯烃绝缘水平对绞电缆》通信行业标准

100Ω电缆的结构回波损耗 dB 表2-3-8

在《ISO/IEC 11801 信息技术-通用电缆用户要求概要》中介绍的最高等级电缆是cat 5,与上述标准重合,故在此不作专门介绍。在射频对称电缆二次传输参数阻抗的计算中,我们首先要掌握特性阻抗的计算。在这里参照高频简化公式

式(2-3-2)

推出无屏蔽对称电缆特性阻抗计算公式和屏蔽对称电缆计算公式:

无屏蔽对称电缆计算公式:

Zc120

r

1202ad2762adlnlgddr式(2-3-3) 金属层屏蔽对称电缆特性阻抗计算公式: Zcr22a2a22aDa2762aDaln(.)lg(.) 2222dDaadDaar

式(2-3-4)

a是两导体的中心距(mm);d是中心导体直径(mm);Da是外导体平均内径(mm)。

屏蔽为编织结构、中心导体为绞线结构的对称数据电缆特性阻抗计算公式:

Zc276

r22adta22762aDalg()lg(.) 22dtdtDaaK3r

式(2-3-5) Dt=K1d,K1是绞合系数;K3是编织影响的经验修正系数,可取0.98——0.99。

特性阻抗是反映数据电缆电磁信号传输一致性的重要参数。因此,数据电缆具有均匀一致的特性阻抗对保证电缆具有良好的结构回波损耗性能有着重要的意义。通过下面论述,说明两者之间的关系:

特性阻抗是电缆回路上任意点电压波与电流波之比,并有

UZcIRjL

GjC 式(2-3-6)

式中R、L、G、C分别为对称回路的交流电阻、电感、导体间介质电导和导体间电容;ω为信号的角频率。

由传输理论知,当频率超过一定值时(例f >30 kHz时),特性阻抗Zc可由下式算出。

式(2-3-7)

回路电感:

aL4lnQ(x)104亨/公里 式(2-3-8) b

回路工作电容:

CD

2a36ln.d106法/公里 式(2-3-9)

式中:

λ——线对总绞合系数;

a——两绝缘导线间的距离(mm);

d——单线的导体直径(mm);

εD——相对介电常数;

φ——绞合方式的修正系数;

的特定函数(随频率的增加而减小)

在高频下无屏蔽对称电缆的特性阻抗近似表示为

Zc120

eln2add 式(2-3-10)

式中εe值与绝缘材料、绝缘类型、线对间填充介质的相对介电常数有关;a为回路两导体的中心距;d为导体直径。2-3-10式较完善的阐述了原材料电气性能、电缆各组件结构尺寸对特性阻抗的影响,是对工程设计比较有指导意义的公式。通过该式,我们可以看出增大导体中心距、减小导体直径可以增大产品阻抗。而且产品的特性阻抗遵守对数函数的数理逻辑,既无论怎样调整产品导体中心距和减小导体直径产品的阻抗总不会超过一个上限(在S>d时)。这个公式告诉我们当S=d时,产品的特性阻抗可以为零。也就是两个导体接触在一起时产品特性阻抗为零。在实际中常用输入阻抗Zin来表述电缆的特性阻抗。其定义如下:

ZinZ0Zs 式(2-3-11)

式中Z0为终端开路时的阻抗测量值;ZS为终端短路时的阻抗测量值。另外大连通信电缆厂的姜廷运工程师在《关于改善数字电缆输入阻抗的探讨》论文中给出了一个计算输入阻抗的计算式,我认为对工程设计有较大的帮助,在这里一块介绍。

式(2-3-12)

γ——电缆的传播常数;ZH——负载阻抗;l——电缆的长度;Zc——特性阻抗。

由于电缆结构的不均匀性,信号在传输过程中会产生波的反射,反射波在某些频率点相互迭加,当反射波幅值极大时,电缆的传输性能会在这些频率点上甚至整个频宽范围内急剧恶化。因此,输入阻抗频率扫描曲线是一条起伏颇大的随机分布曲线。通常用结构回波损耗来描述这种波动情况。结构回波损耗SRL定义如下:

SRL20lgZinzm

ZinZm 式(2-3-13)

式中Zm为拟合阻抗。

由此定义可见,SRL实质是描述Zin围绕Zm波动大小的一个指标。引起Zin 波动的原因是电缆部件存在着机遇性或周期性的结构偏差或缺陷。如绝缘外径波动、导体直径波动、绞对时绝缘单线在节点处周期性压伤,绝缘发泡不均匀、绝缘偏心及导体或绝缘不圆时绞对过程因单线的自转造成导体中心距S呈周期性波动等。其中周期性的结构偏差或缺陷对SRL危害最大。

下表是衰减常数α、相移常数β、特性波阻抗Zc在不同频段的计算公式: 表

2-3-9

结构效应,是指电缆的结构元件的结构要素,是不均匀的,并在不均匀点处引发电磁波反射的现象。

在实际使用中,由于电缆的长度很短(l<100m),电缆在制造过程中又不可能做的绝对均匀,因此实际的电缆线路100%都是不均匀的。而每一个不均匀点都将必然不同程度地引发电磁波的反射。这时在线路始端测得的电压U0应为入射电压波U入和反射电压波U反之和,即:U0=U入+U反;同时测得的电流I0应为入射波电流I入和反射波电流I反之差,即:I0=I入-I反。此时的输入阻抗Zin可用下式计算:

式(2-3-14)

从物理概念上来说,由于线路具有衰减常数α和相移常数β,电磁波在传输过程中,幅值和相角必然会发生变化。因此当反射波在始端与入射波相叠加时情况就变得非常复杂:在某些频点上可能同相位,在有些频点上可能是反相位,于是有些U入+U反为最大而I入-I反为最小,在另外一些频点上情况完全相反,或在两者之间交互出现,而使Zin的频率曲线发动不对称无规则的波动——这是导致输入阻抗频率特性曲线波动的主要原因。

从上式中我们可以清楚地看出:输入阻抗波动范围的大小取决于反射波电流的大小,若U反、I反均为零(无反射时)此时Z入=Zc;而U反、I反的幅值越大,β越大输入阻Zin的波动就越大。

数据电缆最基本的结构元件是绝缘单线和绞合线对,电缆基本的结构元件示意图如下:

图 2-3-1 绞合线对截面图

图 2-3-2 绝缘单线输向示意图

前面我们已经叙述过,输入阻抗Zin波动的大小主要取决于反射波辐值的大小及衰减常数α和相移常数β,其中起主导作用的还是反射波辐值的大小,我们用反射系数P来表示反射波的大小。反射系数P有两种情况:

由于负载不匹配引起的反射系数:P负=ZHZCZHZC 式(2-3-15)

由于特性阻抗ZC不相等引起的反射系数:PZC=ZC2ZC1ZC2ZC1 式(2-3-16)

因负载不匹配引起的反射前面已经说过了,这里主要分析各段电缆的特性阻抗Zc不相等与反射波大小的关系。

特性阻抗与输入阻抗是不同的两个物理量。特性阻抗Zc与输入阻抗Zin只是在电缆线路是均匀且无反射波存在时在数值上是相等的。由于测量原因只有将输入阻抗Zin的实测结果,用数学方法进行函数拟合而得到的拟合函数渐近线,在一定精度范围内,才可以用来代替特性阻抗Zc的频率特性曲线,而用于设计和参数调整的目的。

在电缆的制造过程中,要保证结构元件各要素如:导体直径d、绝缘外径D、两线间的距离a、导体与绝缘层的同心度等各要素都100%的均匀是不可能,如图5所示的绝缘单线在某一点(或区段)前后直径不相等的情况,在实际制造中是相当普遍的。这一点前后直径的变化将导到该点前后的特性阻抗不相同,即Zc1≠Zc2。由式(3-9)可以看出,Zc1与Zc2的差越大反射系数Pzc也就越大,因而反射波也就越大反射系数越大,此时的输入阻抗波动就越大。

从前面的叙述中我们可以看出,导致输入阻抗的恶化有三个较大的方面:

其一:元件结构要素制造过程中的不均匀;

其二:工艺要素的不均匀;

其三:原材料性能及色母粒的分布不均匀。

因此,各结构元件的要素和工艺参数应控制在一定的范围之内以保证结构稳定和性能均匀一致,

例如:

导体直径d:应控制在±0.001(mm),且几何要素应正确;

绝缘外径D:应控制在±0.002(mm),且几何要素应正确;

导体与绝缘层的同心度:应控制在≥90%;

导体的软化:应控制在±2%;

绞对成缆放线涨力:应控制≤2 N;

护套松紧应均匀一致。

2.4 相延时和延时差

信号电流在数据电缆中传输时,会受到诸多因素的影响而降低电流的传输速度、电流的强度(幅值)和频率。这些因素对信号的改变不仅会造成信号干扰、衰减增加、阻抗不均匀,还会造成脉冲的相位改变、传输时间增长。改善相延时和延时差,最终有利于延长网络电缆信道的长度,提高信号带宽。

《YD/T 1019-2001数字通信用实心聚烯烃绝缘水平对绞电缆》通信行业标准对相延时和延时差做出详细说明。

我们首先了解信号传播速度。传播速度为信号在电缆中的传播速度,以m/s表示。传播速度也可以用波速比表示。波速比是电波在电缆中传播速度与波在真空传播速度之比,后者取299792458m/s。传播速度通常由相角和角频率确定。传播速度(相速度)由下式确定:

2..fV=P 式(2-4-1) f为波频率;β为相移常数;ω为角频率。

传播速度也与电缆的有效介电常数εD有关:

VP3105

D 式(2-4-2)

如下是各频段上传播速度的计算公式: 表

2-4-1

相延时定义为电缆长度与传播速度之比,即信号在电缆中传输需要的时间。

LTVP 式(2-4-3)

T为相延时,单位为s;L是电缆长度,单位为m;VP是传播速度,单位为m/s。

《YD/T 1019-2001数字通信用实心聚烯烃绝缘水平对绞电缆》通信行业标准对相延时提出明确的范围要求:T534

率,单位MHZ。

相移常数在频率f >30kHZ时,可以采用下式计算:36f 式(2-4-4) T是相延时,单位ns/100m;f是频CL 式(2-4-5)

时延差又称相时延差和相偏斜(skew),定义为电缆任意两线对之间的相时延的差值。时延差由下式确定:

11TLVPP2P1式(2-4-6)中:ᅀT为时延差,单位为s;VP1是第一

对线的传播速度,单位为m/s;VP2是另一对线的传播速度,单位为m/s;L是电缆长度,单位是m。《YD/T 1019-2001数字通信用实心聚烯烃绝缘水平对绞电缆》和《PN-3727 TIA/EIA-568-B.2-1标准草本 ——4对100Ω 6类数据电缆传输性能规范 》通信行业标准对数据电缆在频率>100MHZ时要求两线对间的最大延时差不大于45ns/100m。

《PN-3727 TIA/EIA-568-B.2-1标准草本 ——4对100Ω 6类数据电缆传输性能规范 》给出了6类数据电缆最大相延时、最小速比、最大延时差的具体指标,可以作为其他两个标准的补充。

100Ω 6类数据电缆相延时和延时差的标准范围(20℃±3℃) 表2-4-2

相时延是决定高频对称电缆通信距离的关键参数之一。有些通信协议对数据帧的最小长度有明确规定,如果链路的相时延过大(与电缆的相时延和链路上设备延时有关),在冲突发生时容易造成数据帧的丢失。从传播速度可知使用等效相对介电常数较小的绝缘结构是降低相时延的重要途径。线对间的相时延差过大会导致并行传输数据时帧的错误。减小线对间总的绞合系数差值或调整绝缘发泡度或微调绝缘外径是解决相时延差的主要措施。

解决时延差主要考虑如下因素:

1.信号在双绞线中传输时,会由于电阻和电容的原因而导致信号衰减或畸变。累积的信号衰减将不能保证信号稳定地传输。

2.信号在导线传输过程中既会产生彼此之间的相互干扰,也会受到外界电磁波的干扰,当背景噪声过大时,误码率也将随之而增高。

3.以太网络所允许的最大延迟为512比特时间(1比特时间=10纳秒)。也就是说,从信号发送到最后得到确认的时间不能超过512比特时间,否则,将认为该信号在传输途中丢失,没有到达目的地。因此,最大延迟时间也在很大程度上制约着信道长度。

4.根据IEEE 802.3标准要求,集线设备和网卡端口的PHY芯片只保证驱动100米的铜缆,对更远的传输距离则不作保证。

当双绞线信道长度超过100米极限时,轻则导致传输速率大幅下降、网络延迟明显增加、网络应用无法保障,重则无法实现与远程终端的通信,甚至导致网络瘫痪。也就是说,当布线长度超过100米后,就应当采用光纤取代双绞线。通过选择优质的布线产品和网络设备,可以最大限度地减少信号衰减和延迟时间,从而将信道长度延伸至150米。

1. 优质布线产品

综合布线中的所有组件和接插件都会影响到整个信道的电气性能,进而最终影响信道的长度。因此,对于那些传输距离较远的信息点,不仅应当选择具有良好电气性能的配线架、信息模块、端接跳线、双绞线和水晶头,而且还必须采用同一厂商的产品,使之完美地相互匹配和兼容,保证阻抗的稳定性和EMC性能,降低信号衰减和传输延迟,减少误码率,取得最佳的通信效果。超五类或者六类非屏蔽系统都是非常好的选择。

另外,必须严格按照施工要求实施水平布线,严禁对双绞线进行挤压、扭曲、打折,避免影响其固有的电气性能。跳线应当尽量选择制式产品,自己手工压制的跳线往往工艺有问题,水晶头质量也不过关。最后,接插件之间的连接一定要紧密,以最大限度地减少信号损耗。

注意:如果没有采用综合布线,而是直接使用跳线将计算机连接到集线设备,那么,也可以通过在计算机端以端接信息插座的方式,获得10米左右的延长距离。

2. 高品质的网络设备

高品质的网络设备除了可以保证驱动100米双绞线外,往往还有余力驱动更长的铜缆,可以将信号传输至更远的距离。因此,集线器、交换机和网卡的选择对传输距离也有着非常重要的影响。实验表明,国际知名品牌的网络设备往往能够到达更远的距离。如Net-3824NS交换机采用CRC校验削减错误帧,拥有超强容错能力,明确表示可以支持150米传输距离。

3. 降低传输速率

传输速率越高,对线路质量的要求越高,传输距离也就越短。因此,适当地降低传输速率,把网卡和交换机的速率由100Mbps降为10Mbps,工作模式由全双工降为半双工,也可以在很大程度上扩展信道长度。

若欲将网络延伸至比150米更远的距离,只有借助专用的网络设备才能实现。

1. 延伸至700米

使用网络延伸器扩展网络是一种非常经济的解决方案,国内许多厂商都有生产,价格只比交换机稍贵一些,5端口还不到600元。网络延伸器采用LRE(Long Reacher Ethernet)长线以太网驱动技术,可以使10Base-T的五类双绞线传输扩展至300米~750米(上联口400米、下联口350米)。有些网络延伸设备还拥有远程供电功能,无须在中间位置接插电源,从而使网络的远程扩展变得更加简单。网络延伸器使用一个上联端口实现与局域网的连接,下联端口则用于连接远程计算机。

2. 延伸至1500米

在Cisco Catalyst 2950 LRE系列交换机中,提供了一种称作长距离以太网的新型创新技术,可以将以太网扩展到5000英尺(1524米)的距离。它是一种极为强大且易于部署的解决方案,适用于超远程、节点分散的网络环境。在全双工状态下,每端口拥有5到15Mbps的带宽,从而为远程节点提供远程快速接入,实现Internet连接共享、交互式游戏、视频点播(VoD)、IP电话等各种网络服务。这种交换机甚至可以不必使用五类非屏蔽双绞线,而通过现有电话线即可执行全部功能,也就是说,即使只有一条电话线也能够安装LRE。不过,每个端口都应当安装一个Cisco LRE客户端设备(CPE),用于实现与以太网的桥接。

《ISO/IEC 11801 信息技术-通用电缆用户要求概要》参照IEC 61935-1给出相延时和延时差的测试标准,在这里给予介绍。

表 2-4-3 永久式连接最大相延时

表 2-4-4 单信道最大相延时

表 2-4-5 永久连接最大延时差

表2-4-6 单信道最大延时差

第三章 网线在TIA/EIA 568.B2 与TIA/EIA 568.A中色对连接的

差别 标准568A:绿白--1,绿--2,橙白--3,蓝--4,蓝白--5,橙--6,棕白--7,棕--8。

标准568B:橙白--1,橙--2,绿白--3,蓝--4,蓝白--5,绿--6,棕白--7,棕—8。(目前多用568B)

1、2线芯为发送数据 ,3、6线芯为接收数据,如果要是做交叉线就是一端为568A,另一端为

568B

插到2台电脑就可以互通了。

1000M网线如6类网线制作接头时,直通线要采

用T568B的接线方式,交叉线就不一样了 。

传统的百兆网络只用到4 根线缆来传输,而千兆网

络要用到8 根来传输,所以千兆交叉网线的制作与

百兆不同,制作方法如下:1对3,2对6,3对1,4

对7,5对8,6对2,7对4,8对5 。即一端为:

白橙、橙,白绿、兰,白兰、绿,白棕、棕; 另一端:白绿、绿,白橙、白棕、棕,橙,兰,白兰 。

选自《ISO/IEC 11801 信息技术-通用电缆用户要求概要》

选自《ISO/IEC 11801 信息技术-通用电缆用户要求概要》

引录上图主要为了介绍T568B接线方式白绿/绿线对在接头中的交叉布线情况。

满负荷运作就是达到1000Mbps带宽流量,所以传输的数据就是1000Mbps/8= 125MBps。125MBps是每根网线导体的数据传输流量。

下图为智能建筑(小区)的配线柜:

【选修资料】

近端串音(NEXT)是一种当连接器被安装到双绞线上时,出现的错误状态。近端串音通常是由交叉或变形

的电线对所产生的,但错误的状态并不要求电线变形到暴露出内部导线的程度。相反,两条导线只要足

够的接近以致于从一条电线放射出来的信号能与在另一条线路上传输的信号相干扰。大多数的中高端电

缆测试器就能够测试出NEXT错误。

1、串音机制

串音是由高频信号所引起的电磁场交互作用而产生的;包括芯片(Chip)内部、PCB(Printed Circuit Board)板、链接器(Connector)、芯片封装,以及通信电缆中,都可能出现。

过度的导线耦合,即串音噪声过大时,将造成不良的影响有:

1.改变信号的完整性

2.改变传输线的时序(timing)

3.改变传输线的特性阻抗。

针对以上所提的串音问题,可以利用SPEED2000或是HSPICE进行时域模拟与分析,观察其在电路板上的电气特性行为。图1.1为两耦合导线间的等效电路架构,导线1代表干扰线、导线2代表受扰线。在此已考虑了传输线效应,所以可用离散模型以一个()LC网络来描述耦合传输线的结构,实际上等效电路应包含R、L、G、C四个组件,但因此处暂不考虑传输线损耗的情形下,所以只需考虑L、C两组件即可。值得注意的地方是整条传输线应是由不断延伸多对的LC网络所组合而成的,并非只有一段L、C电路( 此方式有一个要素就是每个LC网络的导线延迟时间须远小于信号的波长或是上升时间 )。由图可看出两耦合导线间的等效电路中存在着互感(Lm)、自感(Ls)、互容(CM)与自容(Cs)。

图1.1 耦合导线间的等效电路架构

互感Lm感应电流从干扰线到受扰线,感应电流是因为磁场的缘故。事实上,如果受扰线很邻近于干扰线,那么磁场将传递到达了受扰线(如图2.2所示),受扰在线便会感应出电流噪声。互感Lm注入一个噪声电压

扰线,噪声电压的大小取决于干扰线电流对时间的变化率。其计算式为: 到受

-------------------------(1)

的大小和

的变化率成正比。Lm则是和导线间回路的距离成反比;导线间距越大,Lm越小。

图1.2 磁场的分布

互容Cm感应电压从干扰线到受扰线,感应电压是因为电场的缘故。基本上,如果受扰线很邻近于干扰线,那么电场将传递到达了受扰线(如图1.3所示),受扰在线便会感应出电压噪声。

图1.3 电场的分布

互容Cm注入一个噪声电流其计算式为:

到受扰线,噪声电流

的大小取决于干扰线电压

对时间的变化率。

----------------------(2)

的大小和

的变化率成正比。Cm则是和导线间的距离成反比;导线间距越大,Cm越小。

此外,在多导体的系统中,则必须考虑电感和电容系数来全面评估传输线的电气特性。而用以描述反映寄生耦合效应影响传输线系统性能的典型方法便是,电感矩阵和电容矩阵( 被通称为传输线矩阵 )。 在此举一个实际PCB板上两导体的例子来说明电容与电感矩阵。参照(图 1.1)。

Capacitance matrix Inductance matrix

其中

所以可知

若有N个导体,则其矩阵应改写为:

由于目前大部分的数字电路中,要求时序控制时间已达到 psec 的范围。因此,在这些系统中,各种组件相互链接的导体不应再只被看作是一根简单的导线,而应将视之为呈现了高频效应的传输线。如果这些传输线没有经过合理的设计,而仍然以低频的角度来看待这些传输线,那么 2、串音噪声分析

串音是由于临近两导体之间的互容和互感所引起的。因而在临近传输在线引起的感应噪声大小和他们之间的互感和互容大小都有关系,而其大小是由两导体的几何参数与介质系数所决定。串音噪声一般分为两种:近端串音(Near-End Crosstalk)和远程串音(Far-End Crosstalk)。近端串音是指在受扰在线靠近干扰线的驱动端的串音(有时候也将这个串音称为后向串音(Backward Crosstalk)。

将受扰在线靠近干扰线接收端方向的串音称为远程串音(有时候也称为前向串音(Forward Crosstalk)。如图2.1所示,如果一信号进入导线1,由于互感Lm互容Cm的作用,将在导线2上产生感应噪声电流,而由互容引起的电流经由两导体间的电容分流后分别向受扰线的两个方向流动,远程和近端。而由互感引起的电流从受扰线的远程流向近端,这是因为互感是由磁场所引起产生的以及因为冷次定律的关系,所以会使得电流总是与干扰线中的电流方向相反。

图2.1 互容互感引起的串音电流示意图

当时间t=TD时( 表示干扰线的延迟时间),信号上升缘由导线1传播到达右边端点,而当时间

时,

最后的近端噪声信号才会传递到达受扰线的左端,因为它必须传送整个导线的长度返回。延迟时间(Time Delay)的计算式:

---------------------------------(3)

X表示导线的长度,L、C表示每单位线长的自感值、自容值。

近端串音其波形开始于时间t=0,且持续两倍的延迟时间(2TD )。而振幅的大小为近端串音系数和输入电压(Vi)的乘积(如图2.2),其近端串音计算公式为:

---------------------------------(4)

图2.2 近端串音波形

远程串音开始于一倍的延迟时间之后(t=TD),且持续大约为导线的上升时间(rise time;tr)。而振幅的大小为远程串音系数和输入电压的乘积(如图2.3),其远程串音计算公式为:

------------------------------(5)

图2.3 远程串音波形

由式(4)、(5)可以知道,近端串音噪声大小与电容(感)系数有关,而波宽与导线长度有关;远程串音噪声的大小与电容(感)系数、输入信号的上升时间与导线长度有关。

上述的情形都是假设在传输线阻抗匹配之下。假设受扰线的负载与传输线的特性阻抗不匹配,在此一条件之下的近端反射、远程反射必须加上一个串音电压的修正量(反射系数),其计算式

:

----------------------------- (6)

Z0是指导线的特性阻抗(Characteristic Impedance) 计算式为:

----------------------------- (7)

L、C表示每单位线长的自感值、自容值。

是受扰线的串音在近端或远程非理想状态下被调整过后的值, 为受扰线的负载,Z0是传输线的特性阻抗,是假设在理想状况(无反射)的近端或远程电压值。

在不同的结构中,近、远程串音值都会有不同的变化,那是因为不同的结构决定了传输线中的耦合系数C、Cm、L、Lm这四个参数。在不同结构中这些耦合系数的变化趋势是一个设计者必须要知道的,因为这些认知可以于设计时间时考虑在内,可避免掉一些日后烦杂的Debug程序。以下就针对(图2.4)的串音结构图,在微带线的结构中改变S(Spacing)、H(介质层高度)以及W(线宽)对串音值的影响绘制了曲线图以供设计时参考。

图2.4 串音结构图

图2.5 微带线结构中S与串音噪声的关系

图2.6 微带线结构中H与串音噪声的关系

图2.7 微带线结构中W与串音噪声的关系

上述的讨论中,Source端都是输入一个理想的步阶信号,这是为了方便分析与探讨。当有了这些观念后,便可引用这些观念来探讨实际PCB上的数字信号所造成的串音干扰。因为一个完整的数字信号有上升及下降时间,因此便不难想象到受扰在线之近远程串音噪声也会产生一正一负的情形,如(图2.8)所示。就(图2.6)的电路将输入信号改为数字信号,振幅不变。

图2.8 连续数字信号传送时的串音噪声

3、多导体信号切换模式的效应

当多根传输线相互之间靠得很近的时候,传输线之间的电场和磁场将互相交互作用的更为复杂,传输在线的信号切换(switching)状态决定了以何种模式的传输,这种相互作用的重要性在于会改变传输线有效的特性阻抗和传输速率。特别是当很多非常靠近的传输线同时切换,这种现象尤为严重,它会使总线出现特性阻抗和延迟时间产生变化,从而影响总线的传输效能。因此,在系统设计中必须考虑到这些方面的影响。以下说明两种改变特性阻抗和传输速度的结构。 奇模(Odd Mode)

当两根耦合的传输线相互之间的驱动信号振幅大小相同但相位相差180度的时候,就是一个奇模传输的模型。此情况下,传输线的等效电容增大,但是等效电感变小。为了算出两相邻的传输线在奇模传输模式下,传输线特征阻抗和传输速率的变化情况,我们可以参考(图3.1)与(图3.2)。利用KCL与KVL导出其计算式。

图 3.1奇模等效电感 图 3.2奇模等效电容

其计算式为:

---------------------------(8)

---------------------------(9)

偶模(Even Mode)

当两根耦合的传输线相互之间的驱动信号振幅大小相同且相位也相同时,就是一个偶模传输的模型。此情况下,传输线的等效电容减小,但是等效电感增大。为了算出两相邻的传输线在偶模传输模式下,传输线特征阻抗和传输速率的变化情况,我们可以参考(图3.3)与(图3.4)利用KCL与KVL导出其计算式。

图3.3 偶模等效电感 图3.4 偶模等效电容

其计算式为:

-------------------------------(10)

-------------------------------(11)

而奇、偶模在传播时的电场与磁场示意图,如图(3.5)所示。

图3.5 奇、偶模电磁场分布图

另外有关于阻抗的探讨,奇模的特性阻抗 将比单一条导线的特性阻抗 来的小,是因为

:

而偶模的特性阻抗 将比单一条导线的特性阻抗 来的大,是因为

:

另外,延迟时间TD也有所改变: 奇模偶模

接着在此利用仿真软件( SPEED2000或HSPICE )实际模拟上述之奇、偶结构于微带线与带线中,分别观察TDT端点的波形,并验证上述之结果。其仿真结构示意图与仿真结果分别,如图3.6、3.7与3.8所示。

图3.6 奇、偶模仿真电路示意图

图3.7 微带线结构下,奇、偶模之TDT端点波形

图3.8 带线结构下,奇、偶模之TDT端点波形

4、抑制串音的方法

在相同的介电系数之下,较低特性阻抗导线的串音阻抗变化会小于高特性阻抗导线。这是因为低特性阻抗导线呈现大量的耦合到相关的板层。一个传输线对板层有较强的耦合现象时,则对于相邻的导线将呈现较弱的耦合;因此串音的大小亦可以说是取决于互容、互感的大小来决定,而互容和互感的大小随着导线与导线之间的距离也将呈现近乎指数衰减。

基于之前的探讨与研究,以下列出一些重要的规则将可以有效地减少串音。请参照图4.1所示。

图 4.1 六层板串音结构图

1.在布线可以允许的条件下,加宽线与线之间的距离(S)。

2.将传输线设计于靠近Ground层(例如缩短H),因为电磁场会被吸引到Ground层。 3.在设计的允许下紧邻的导线使用不同的布线方法,例如频率系统。

4.若是耦合的信号彼此是不同层的(例如M3和M4),布线时将其设计成彼此正交,即布线时邻近的板层间上下走线垂直,例如微带线直向布线,带线横向布线。 5.如果可以,将信号的走线设计在带线的板层结构。

6.导线之间减短彼此平行的长度。尽量平行布线在较短线段的旁边。若无可避免,在导线间提供适当间距或接地线(点),降低耦合的发生。

7.适当的配置在板上的组件,减少导线的拥挤。 结论

在分析与仿真的过程中,发现到电路中的线长、线宽、线距、介质厚度、介电系数„等等参数,都左右着高速数字电路的性能,因此设计时非常强调被动组件(passive element)的行为,被动组件包括电路板、导线、via„等等。此外,上升时间和延迟时间这两个参数也是高速数字电路设计必须注意的重点。

由前面可知道减少耦合(串音)的设计方法,但是在业界,其抑制噪声方法大多是用一金属导体包覆于噪声较高的地方,然后接地来减少噪声,此法虽可行,不过这是治标不治本,应当从源头的电路设计时就先行将噪声去除掉的方法考虑在内,此才为治本的方法。在未来的研究分析中若能绘制各参数之间的相对曲线图,则于设计分析时将大大帮助匪浅;而除了设计分析图表辅助外,再藉由计算机软件辅助分析其电气特性,将可以缩短电路设计周期,降低成本。

史密斯圆图

本文的主要目的是复习史密斯圆图的结构和背景知识,并且总结它在实际中的应用方法。讨论的主题包括参数的实际范例,比如找出匹配网络元件的数值。当然,史密斯圆图不仅能够为我们找出最大功率传输的匹配网络,还能帮助设计者优化噪声系数,确定品质因数的影响以及进行稳定性分析。

图1. 阻抗和史密斯圆图基础 基础知识

在介绍史密斯圆图的使用之前,最好回顾一下RF环境下(大于100MHz) IC连线的电磁波传播现象。这对RS-485传输线、PA和天线之间的连接、LNA和下变频器/混频器之间的连接等应用都是有效的。 大家都知道,要使信号源传送到负载的功率最大,信号源阻抗必须等于负载的共轭阻抗,即:

Rs+ jXs= RL- jXL

图2. 表达式Rs+ jXs= RL- jXL的等效图

在这个条件下,从信号源到负载传输的能量最大。另外,为有效传输功率,满足这个条件可以避免能量从负载反射到信号源,尤其是在诸如视频传输、RF或微波网络的高频应用环境更是如此。

史密斯圆图是由很多圆周交织在一起的一个图。正确的使用它,可以在不作任何计算的前提下得到一个表面上看非常复杂的系统的匹配阻抗,唯一需要作的就是沿着圆周线读取并跟踪数据。

史密斯圆图是反射系数(伽马,以符号Γ表示)的极座标图。反射系数也可以从数学上定义为单端口散射参数,即s11。 史密斯圆图是通过验证阻抗匹配的负载产生的。这里我们不直接考虑阻抗,而是用反射系数ΓL,反射系数可以反映负载的特性(如导纳、增益、跨导),在处理RF频率的问题时ΓL更加有用。 我们知道反射系数定义为反射波电压与入射波电压之比

:

图3. 负载阻抗

负载反射信号的强度取决于信号源阻抗与负载阻抗的失配程度。反射系数的表达式定义为:

由于阻抗是复数,反射系数也是复数。

为了减少未知参数的数量,可以固化一个经常出现并且在应用中经常使用的参数。这里Zo(特性阻抗)通常为常数并且是实数,是常用的归一化标准值,如50Ω、75Ω、100Ω和600Ω

。于是我们可以定义归一化的负载阻抗:

据此,将反射系数的公式重新写为:

从上式我们可以看到负载阻抗与其反射系数间的直接关系。但是这个关系式是一个复数,所以并不实用。我们可以把史密斯圆图当作上述方程的图形表示。

为了建立圆图,方程必需重新整理以符合标准几何图形的形式(如圆或射线)。

首先,由方程2.3求解出;

并且

令等式2.5的实部和虚部相等,得到两个独立的关系式:

重新整理等式2.6,经过等式2.8至2.13得到最终的方程2.14。这个方程是在复平面(Γr, Γi)上、圆的参数方程(x-a)2+ (y-b)² = R²,它以(r/r+1, 0)为圆心,半径为1/1+r.

更多细节参见图4a。

图4a. 圆周上的点表示具有相同实部的阻抗。例如,r=1的圆,以(0.5, 0)为圆心,半径为0.5。它包含了代表反射零点的原点(0, 0) (负载与特性阻抗相匹配)。以(0,0)为圆心、半径为1的圆代表负载短路。负载开路时,圆退化为一个点(以1,0为圆心,半径为零)。与此对应的是最大的反射系数1,即所有的入射波都被反射回来。 在作史密斯圆图时,有一些需要注意的问题。下面是最重要的几个方面: 所有的圆周只有一个相同的,唯一的交点(1, 0)。 代表0Ω、也就是没有电阻(r = 0)的圆是最大的圆。 无限大的电阻对应的圆退化为一个点(1, 0)

实际中没有负的电阻,如果出现负阻值,有可能产生振荡。 选择一个对应于新电阻值的圆周就等于选择了一个新的电阻。 作图

经过等式2.15至2.18的变换,2.7式可以推导出另一个参数方程,方程2.19。

同样,2.19也是在复平面(Γr, Γi)上的圆的参数方程(x-a)² + (y-b)² = R²,它的圆心为(1, 1/x),半径1/x。 更多细节参见图4b。

图4b. 圆周上的点表示具有相同虚部x的阻抗。例如,x=1的圆以(1, 1)为圆心,半径为1。所有的圆(x为常数)都包括点(1, 0)。与实部圆周不同的是,x既可以是正数也可以是负数。这说明复平面下半部是其上半部的镜像。所有圆的圆心都在一条经过横轴上1点的垂直线上。 完成圆图

为了完成史密斯圆图,我们将两簇圆周放在一起。可以发现一簇圆周的所有圆会与另一簇圆周的所有圆相交。若已知阻抗为r + jx,只需要找到对应于r和x的两个圆周的交点就可以得到相应的反射系数。 可互换性

上述过程是可逆的,如果已知反射系数,可以找到两个圆周的交点从而读取相应的r和x的值。过程如下: 确定阻抗在史密斯圆图上的对应点 找到与此阻抗对应的反射系数(Γ) 已知特性阻抗和Γ,找出阻抗 将阻抗转换为导纳 找出等效的阻抗

找出与反射系数对应的元件值(尤其是匹配网络的元件,见图7) 推论

因为史密斯圆图是一种基于图形的解法,所得结果的精确度直接依赖于图形的精度。下面是一个用史密斯圆图表示的RF应用实例:

例:已知特性阻抗为50Ω,负载阻抗如下:

Z1= 100 + j50Ω Z2= 75 -j100Ω Z3= j200Ω Z4= 150Ω Z5= ∞ (开路) Z6= 0 (短路) Z7= 50Ω Z8= 184 -j900Ω 对上面的值进行归一化并标示在圆图中(见图5): z1= 2 + j z2= 1.5 -j2 z3= j4 z4= 3

z5= 8 z6= 0 z7= 1 z8= 3.68 -j18S

图5. 史密斯圆图上的点

现在可以通过图5的圆图直接解出反射系数Γ。画出阻抗点(等阻抗圆和等电抗圆的交点),只要读出它们在直角坐标水平轴和垂直轴上的投影,就得到了反射系数的实部Γr和虚部Γi (见图6)。

该范例中可能存在八种情况,在图6所示史密斯圆图上可以直接得到对应的反射系数Γ: Γ1= 0.4 + 0.2j Γ2= 0.51 - 0.4j Γ3= 0.875 + 0.48j Γ4= 0.5 Γ5= 1 Γ6= -1 Γ7= 0 Γ8= 0.96

- 0.1j

图6. 从X-Y轴直接读出反射系数Γ的实部和虚部

用导纳表示

史密斯圆图是用阻抗(电阻和电抗)建立的。一旦作出了史密斯圆图,就可以用它分析串联和并联情况下的参数。可以添加新的串联元件,确定新增元件的影响只需沿着圆周移动到它们相应的数值即可。然而,增加并联元件时分析过程就不是这么简单了,需要考虑其它的参数。通常,利用导纳更容易处理并联元件。

我们知道,根据定义Y = 1/Z,Z = 1/Y。导纳的单位是姆欧或者Γ-1(早些时候导纳的单位是西门子或S)。并且,如果Z是复数,则Y也一定是复数。

所以Y = G + jB (2.20), 其中G叫作元件的“电导”,B称“电纳”。在演算的时候应该小心谨慎,按照似乎合乎逻辑的假设,可以得出:G = 1/R及B = 1/X,然而实际情况并非如此,这样计算会导致结果错误。

用导纳表示时,第一件要做的事是归一化, y = Y/Yo,得出 y = g + jb。但是如何计算反射系数呢?通过下面的式子进行推导:

结果是G的表达式符号与z相反,并有Γ(y) = -Γ(z).

如果知道z,就能通过将的符号取反找到一个与(0,0)的距离相等但在反方向的点。围绕原点旋转180°可以得到同样的结果(见图7)。

图7. 180°度旋转后的结果

当然,表面上看新的点好像是一个不同的阻抗,实际上Z和1/Z表示的是同一个元件。(在史密斯圆图上,不同的值对应不同的点并具有不同的反射系数,依次类推)出现这种情况的原因是我们的图形本身是一个阻抗图,而新的点代表的是一个导纳。因此在圆图上读出的数值单位是姆欧。

尽管用这种方法就可以进行转换,但是在解决很多并联元件电路的问题时仍不适用。 导纳圆图

在前面的讨论中,我们看到阻抗圆图上的每一个点都可以通过以Γ复平面原点为中心旋转180°后得到与之对应的导纳点。于是,将整个阻抗圆图旋转180°就得到了导纳圆图。这种方法十分方便,它使我们不用建立一个新图。所有圆周的交点(等电导圆和等电纳圆)自然出现在点(-1, 0)。使用导纳圆图,使得添加并联元件变得很容易。在数学上,导纳圆图由下面的公式构造:

解这个方程

接下来,令方程3.3的实部和虚部相等,我们得到两个新的独立的关系:

从等式3.4,我们可以推导出下面的式子:

它也是复平面 (Γr, Γi)上圆的参数方程(x-a)² + (y-b) ² = R² (方程3.12),以(-g/g+1, 0)为圆心,半径为1/(1+g)。 从等式3.5

,我们可以推导出下面的式子:

同样得到(x-a)² + (y-b)² = R²型的参数方程(方程3.17)。

求解等效阻抗

当解决同时存在串联和并联元件的混合电路时,可以使用同一个史密斯圆图,在需要进行从z到y或从y到z的转换时将图形旋转。

考虑图8所示网络(其中的元件以Zo= 50Ω进行了归一化)。串联电抗(x)对电感元件而言为正数,对电容元件而言为负数。而电纳(b)对电容元件而言为正数,对电感元件而言为负数。

图8. 一个多元件电路

这个电路需要进行简化(见图9)。从最右边开始,有一个电阻和一个电感,数值都是1,我们可以在r=1的圆周和I=1的圆周的交点处得到一个串联等效点,即点A。下一个元件是并联元件,我们转到导纳圆图(将整个平面旋转180°),此时需要将前面的那个点变成导纳,记为A'。现在我们将平面旋转180°,于是我们在导纳模式下加入并联元件,沿着电导圆逆时针方向(负值)移动距离0.3,得到点B。然后又是一个串联元件。现在我们再回到阻抗圆图。

图9. 将图8网络中的元件拆开进行分析

在返回阻抗圆图之前,还必需把刚才的点转换成阻抗(此前是导纳),变换之后得到的点记为B',用上述方法,将圆图旋转180°回到阻抗模式。沿着电阻圆周移动距离1.4得到点C就增加了一个串联元件,注意是逆时针移动(负值)。进行同样的操作可增加下一个元件(进行平面旋转变换到导纳),沿着等电导圆顺时针方向(因为是正值)移动指定的距离(1.1)。这个点记为D。最后,我们回到阻抗模式增加最后一个元件(串联电感)。于是我们得到所需的值,z,位于0.2电阻圆和0.5电抗圆的交点。至此,得出z=0.2 + j0.5。如果系统的特性阻抗是50Ω,有 Z = 10 + j25Ω (见图10)。

图10. 在史密斯圆图上画出的网络元件

逐步进行阻抗匹配

史密斯圆图的另一个用处是进行阻抗匹配。这和找出一个已知网络的等效阻抗是相反的过程。此时,两端(通常是信号源和负载)阻抗是固定的,如图12所示。我们的目标是在两者之间插入一个设计好的网络已达到合适的阻抗匹配。

图11. 阻抗已知而元件未知的典型电路

初看起来好像并不比找到等效阻抗复杂。但是问题在于有无限种元件的组合都可以使匹配网络具有类似的效果,而且还需考虑其它因素(比如滤波器的结构类型、品质因数和有限的可选元件)。

实现这一目标的方法是在史密斯圆图上不断增加串联和并联元件、直到得到我们想要的阻抗。从图形上看,就是找到一条途径来连接史密斯圆图上的点。同样,说明这种方法的最好办法是给出一个实例。

我们的目标是在60MHz工作频率下匹配源阻抗(ZS)和负载阻抗(ZL) (见图12)。网络结构已经确定为低通,L型(也可以把问题看作是如何使负载转变成数值等于ZS的阻抗,即ZS复共轭)。下面是解的过程:

图12. 图11的网络,将其对应的点画在史密斯圆图上

要做的第一件事是将各阻抗值归一化。如果没有给出特性阻抗,选择一个与负载/信号源的数值在同一量级的阻抗值。假设 Zo为50Ω。于是 zS= 0.5 - j0.3, z*S= 0.5 + j0.3, ZL= 2 - j0.5。 下一步,在图上标出这两个点,A代表zL,D代表Z*S

然后判别与负载连接的第一个元件(并联电容),先把zL转化为导纳,得到点A'。

确定连接电容C后下一个点出现在圆弧上的位置。由于不知道C的值,所以我们不知道具体的位置,然而我们确实知道移动的方向。并联的电容应该在导纳圆图上沿顺时针方向移动、直到找到对应的数值,得到点B (导纳)。下一个元件是串联元件,所以必需把B转换到阻抗平面上去,得到B'。B'必需和D位于同一个电阻圆上。从图形上看,从A'到D只有一条路径,但是如果要经过中间的B点(也就是B'),就需要经过多次的尝试和检验。在找到点B和B'后,我们就能够测量A'到B和B'到D的弧长,前者就是C的归一化电纳值,后者为L的归一化电抗值。A'到B的弧长为b = 0.78,则B = 0.78 x Yo= 0.0156姆欧。因为ωC = B,所以 C = B/ω = B/(2πf) = 0.0156/(2π607) = 41.4pF。B到D的弧长为 x = 1.2,于是X = 1.2 x Zo= 60Ω。 由ωL = X, 得L = X/ω = X/(2πf) = 60/(2π607) = 159nH。 总结

在拥有功能强大的软件和高速、高性能计算机的今天,人们会怀疑在解决电路基本问题的时候是否还需要这样一种基础和初级的方法。

实际上,一个真正的工程师不仅应该拥有理论知识,更应该具有利用各种资源解决问题的能力。在程序中加入几个数字然后得出结果的确是件容易的事情,当问题的解十分复杂、并且不唯一时,让计算机作这样的工作尤其方便。然而,如果能够理解计算机的工作平台所使用的基本理论和原理,知道它们的由来,这样的工程师或设计者就能够成为更加全面和值得信赖的专家,得到的结果也更加可靠。

参考文献

[1] S. H. Hall, G. W. Hall and J. A. McCall, “High-Speed Digital System Design,” New York: Wiley, 2000, Ch 3.

[2] Mark I. Montrose, “EMC AND THE PRINTED CIRCUIT BOARD,” New York: Wiley, 1998, Ch 7. [3] David M. Pozar, “Microwave Engineering,” Second Edition, New York: Wiley, 1998. [4] David K. Cheng, “Field and Wave Electromagnetics 2/e,” 二版,台北伟明图书,2002。 [5] 谢金明 “高速数字电路设计暨噪声防治技术 ”,初版,台北全华科技图书,1999。 [6]《YG-T 1019-2001数字通信用实心聚烯烃绝缘水平对绞电缆》通信行业标准 [7]《ISO/IEC 11801 信息技术-通用电缆用户要求概要》

[8]《PN-3727 TIA/EIA-568-B.2-1标准草本 ——4对100Ω 6类数据电缆传输性能规范 》 [9]《电线电缆手册》

范文三:通信电缆故障测试仪的设计 投稿:丁驻驼

【摘 要】通信电缆是指用于近距音频通信和远距的高频载波和数字通信及信号传输的电缆,是我国五大电缆产品之一。 它主要用于近距音频通信和远距的高频载波和数字通信 ,广泛应用于多种领域。如何快速准确探测通信电缆故障,减少故障历时,提高通信电缆的工作稳定性,是当前通信线路领域一项重要的研究课题。本文将提出电缆故障检测仪硬件电路设计的基本方案。

  【关键词】通信电缆 故障 测试仪 设计

  1引言

  通信电缆是指用于近距离音频通信和远距离高频载波数字通信及信号传输的电缆。广泛应用于通信线路传输、仪器仪表、电力等重要领域。由于多种因素可引起通信电缆发生短路、断线等故障。如何快速准确探测通信电缆故障,减少故障历时,提高通信电缆的工作稳定性,是当前通信线路领域一项重要的研究课题。

  2理论基础部分

  2.1研究背景

  通信电缆在传输电话、有线电视线传输、宽带网接入专用电缆、智能楼宇信息网、有线电话配线网、计算机数据传输线及重要交通运输控制领域广泛用。通信线路从明线发展到通信电缆,再到目前广泛应用的光缆,是社会经济发展和科技进步的重要标志之一。从目前的发展趋势可见,光缆仍然没有全部取代通信电缆,通信电缆与光缆混合使用更为合理,其中用户对称电缆和射频同轴电缆在通信接入网中的使用尤其广泛。合理的使用通信电缆和光缆能够提高信息传输质量和扩大数据的流量。

  2.2通信电缆故障种类

  接地故障,通信电缆传输线芯与地连接。通常接地电阻小于100欧姆的为低阻接地故障,大于100欧姆的为高阻接地故障。

  短路故障,通信电缆传输线芯发生短接。通常电阻在小于100欧姆的为低阻短路故障,大于100欧姆的为高阻短路故障。 断线故障,通信电缆线芯断开。

  闪络故障,电缆绝缘层承受过电压信号,导致暂时性击穿,最终导致造成绝缘层破损.

  2.3故障点及故障性质确定

  确定电缆故障类型的方法是用兆欧表在线路一端测量各相的绝缘电阻及对地绝缘电阻。一般根据以下情况确定故障类型:

  (1)当测到电缆一芯或几芯对地绝缘电阻,或线间绝缘电阻低于100 Ω时,为低电阻接地或短路故障。

  (2)当测到电缆一芯或几芯对地绝缘电阻,或线间绝缘电阻低于正常值很多,但高于100 Ω时,为高电阻接地故障。

  (3)当测到电缆一芯或几芯对地绝缘电阻较高或正常,应进行导体连续性试验,检查是否有断线,若有即为断线故障。

  (4)当测到电缆有一芯或几芯导体不连续,且低电阻接地时, 为断线并接地故障。

  (5)闪络性故障多发生于预防性耐压试验,发生部位大多在电缆终端和中间接头。闪络有时会连续多次发生,每次间隔几秒至几分钟。

  3系统方案确定

  3.1故障的测试方法

  3.1.1二次脉冲法

  在故障点起弧的瞬间通过内部装置触发发射一低压脉冲,此脉冲在故障点闪络处(电弧的电阻值很低)发生短路反射,并将波形记忆在仪器中,电弧熄灭后,重新发一正常的低压测量脉冲到电缆中,此低压脉冲在故障处(高阻)没有击穿产生通路,直接到达电缆末端,并在电缆末端发生开路反射,将两次低压脉冲波形进行对比,非常容易判断故障点(击穿点)位置。仪器可自动匹配,自动判断计算出故障点距离。

  3.1.2闪测法

  分为高压直流闪测法和冲击闪测法,分别测试间歇故障及高阻故障,.电压取样法可测率高,波形清晰易判,盲区比电流法少一倍,但接线复杂,分压过大时对人及仪器有危险。电流取样法正好相反,接线简单,但波形干扰大,不易判别盲区大。

  我们设计的检测仪主要实现功能是检测1芯至10芯电缆的各芯线的通断及各芯线之间的绝缘情况。可以采用高压通过电缆,通过电缆的信号输出来确定电缆的通断情况,对于绝缘情况则是通过相邻电缆的信号输出情况来判断,所以本电路采用闪测法。

  3.2电缆测试仪的设计

  我们采用主从控制器检测电缆。用主控制器产生电压,从控制器进行电压检测,主从控制器通过电缆相连接,从而达到对电缆的检测。

  若施加电压的芯线上电压达到预定值则说明该线导通情况良好;若其它芯线上电压低于限定电压则说明绝缘良好。

  3.2.1主控制器

  单片机最小系统为本系统的控制核心。为了保证系统工作的稳定性,我们购买了单片机最小系统板K60 系列的MK60FX512ZVLQ15。这个最小系统板引出了其几乎所有功能引脚,板上自带晶振电路、复位电路、单片机电源电路,指示灯[4]。

  (1)电压产生电路。高压产生电路主要用于产生100~200V的高压,以提供检测绝缘电阻所需的电压。从实际出发我们用开关电源替代高压产生电路,达到电路稳定的效果。我们在实际中采用了WD990微机电源。用正弦信号发生器电路产生了1000hz的交流信号。

  (2)高压检测电路。检测200V的高压是否正常,就要用到了高压检测电路。此电路为单片机提供了自检信号,用大液晶显示,基准电压是3.3V。高压检测电路由电阻R3~R15、比较器U1(TL062):A和U1:B组成。R3、R4、W1组成分压电路,根据高压值产生5.1V的电压,以便与5.1V的基准电平(分别由+24V通过R5、R6和W2分压形成)比较,判断高压是否正常:正常情况下比较器U1:A和U1:B均应输出低电平;高压过低则U1:A输出变高,高压过高则U1:B输出变高。这样k60单片机通过其P2.3的电平即可判断出高压是否正常。其中TL062利用一个电压跟随器和一个反向器将-12V转换为正电压(4V左右)之后送给单片机,从而达到对电压检测的功能。该电路利用多个检测电路对+200V、+24V、+19V、+12V、-12V电压进行了检测,从而使电路能够正常工作。   (3)继电器组。继电器组的主要功能是将高压加到某一路芯线上,以检测该芯线的通断及与其它芯线的绝缘情况。主控制器上共有8个继电器,它们的一端通过隔离电阻R2(1K)接到高压上,常开触点分别与被测电缆的各芯线连接。每个继电器的线圈两端并联1个二极管,其作用在于防止继电器释放时线圈两端产生很高的电动势,损坏继电器驱动电路。继电器组电路如图1所示:

  (4)继电器控制电路。继电器控制电路的主要功能是通过4个IO口选择并驱动继电器吸合。(U4~U8为继电器选择电路)U4~U8由k60单片机控制,通过4个IO口输出的高低电平控制74LS138再通过74LS138进而控制7407经驱动后使对应的继电器吸合。

  (5)通信电路。通信电路的作用是以串行方式与从控制器进行数据交换,采用NRF2401接口,主从机分别有一个NRF接口。采用单片射频收发芯片NRF2401,通信的低功耗收发器,每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。NRF的驱动器摆率不受限制,可以实现最高2.5Mbps的传输速率。这些收发器在驱动器禁用的空载或满载状态下,吸取的电源电流在120A 至500A 之间。

  NRF芯片在2.4Ghz 全球开放ISM 频段免许可证使用,最高工作速率2Mbps,高效GFSK调制,抗干扰能力强,特别适合工业控制场合,内置2.4Ghz 天线,体积小巧15mm X29mm,模块可软件设地址,只有收到本机地址时才会输出数据(提供中断指示),可直接接各种单片机使用,软件编程非常方便,内置专门稳压电路,使用各种电源包括DC/DC 开关电源均有很好的通信效果,具有可选的内置包应答机制,极大的降低丢包率。

  (6)+5V电源。+5V电源采用了WD990微机电源。

  3.2.2 从控制器

  从控制器包括单片机、显示电路、通信电路、电阻分压网络、信号选择电路、信号检测电路等。

  (1)整流电路。整理电流的作用是将检测到的电缆输出的交流信号,转化成直流形式,然后经过分压网络,转化成单片机能够识别的信号。主要由二极管,稳压管,电容以及电阻构成。

  (2)信号检测电路。信号检测电路的作用在于检测信号选择电路送来的电压信号,从而判断出电缆芯线的到同情况以及其它芯线的绝缘情况。通过交流信号接整流电路,输出2,5v左右直流信号,经过单片机对比3和0来识别电路的通断。单片机输出,经过138译码器和缓冲器选择各路状态,单片机显示电缆号、测定通路、断路、短路,以及对应的短路号。

  3.3 寻迹

  寻迹器的信号源,音频信号振荡器的振荡频率约1kHz。音频信号振荡器的输出端接有一只电感,其作用是防止测试过程中发生探头短路而损坏555电路。音频信号输出端连接一只信号输出插孔CKl,用来与被测电缆的芯线连接,以便输出测试信号。运算放大器Al组成一个电压跟随器。运算放大器A2与R7~Rll及C5~C8组成四阶有源高通滤波器,它的截止频率约1kHz,用来滤除50Hz的交流信号。运算放大器A3组成一级信号放大器,将有源滤波器输出的信号进行放大、输出后通过一只晶体式耳机放出。信号放大器的放大倍数由R12与R13的比值确定,约为34dB。

  该仪器在使用时,首先将被测电缆的一端用插头连接至CKl,将测试探头插入CK2,然后使测试探头沿电缆线移动。当电缆线完好时,音频振荡器输出的信号通过电缆线与探头之间的分布电容进入放大器,使耳机发声。一旦耳机发声停止,说明电缆已断,探头所在处便是它的断点。

  4方案分析讨论及合理改进方向

  经过实际电路的测试发现高压产生电路设计复杂,且最终输出的电压被电路实际应用的必须经过电阻隔离才能送给电路,电压输出实际为200V利用开关电源可直接实现产生200V电压。方法简单容易实现,所以在后期电路设计过程中我们将高压产生电路改为200V开关电源,整体电路能够实现对多路电缆的检测是否有断点,以及电缆的绝缘情况,但是没有对于电缆的类型的判定,不能对电缆进行高精度的检测,在下一步设计过程中我们要合理设计方案,增强电路的功能,使其更好的解决电缆存在的问题,使其功能更加完善,更好的为工程领域发挥作用,更好的解决实际问题。

  5结语

  本方案采用闪测法诊断电缆的故障,成功解决了多芯电缆检测中的下列技术难点:①多芯电缆快速检测技术;②潜在电缆故障预测技术;③高精度电缆故障点定位技术;④多路模拟开关切换技术。随着多芯电缆在武器装备以及其他民用器件中应用范围的扩大,对其安全性和可靠性的要求也越来越高。本检测仪对提高大型装备的整体可靠性和减少电缆资源的浪费意义重大,有着广泛的应用前景。

  参考文献:

  [1]蔡元宇.电路及磁路(下册)[M].高等教育出版社,1995.

  [2]王世一. 数字信号处理[M].北京工业学院出版社,1987.

  [3]胡庆.通信光缆与电缆工程[M].人民邮电大学出版社,2005.

  [4]李胜祥.通信电缆线路障碍测试技术[M].北京邮电大学出版社,2006.

  [5]李全利.单片机原理及应用技术[M].高等教育出版社,2001.

范文四:通信光缆工程设计探讨 投稿:沈谈谉

技术方案 

2 0 1 4. 1   数 据 通 信 

Te c h n o l o g y   S c h e me  

通信光缆工程设计探讨 

应 闽( 厦 门华络通信 设计有 限公司 福建厦 门 3 6 1   0 0 8)  

要 :文章以某大型运营商的光缆工程为例 , 分别讲解 了大户通信光缆工程和接入 网光缆工程的设计 

流程, 并着重分析 了通信光缆设计中重点需要关注的几个方面。   关键词 :通信光缆; 光纤通信 ; 配线光缆 ; 防雷  

1 引 言 

略手 描 , 但 制 图时一 定要 绘 制 户机 房平 面 示 意 图 , 并 

, 然后充分 了解客户此次申请的业  随着4 G 建设 、 三网融合 、 智慧城市 的大力推进 ,   尽量按比例绘制 ) 是否有潜在需求 ( 若客  运营商都在加紧进行通信光缆 的工程建设。通信光  务类型是否与立项申请相符 , 应第一时 间通知客户经 理 ) , 以便  缆工程设计的优劣对于通信光缆工程 的质量起着相  户有新业务需求 , 记录完机房尺寸后 , 应确  当大的影响。而实 际工作 中要做到设计质量高并非  在做设计方案时一并考虑。 若用户 已有机柜 , 且留有  易事 , 它必须既要符合 国家的标准和规范 , 还要符合  认光终端设备的安装位置 。 根据进缆芯数所需 的光终端熔接框大小 ,   现状以及现实的需求 。本文 以某大型运营商 的光缆  足够空间, 当场与用户确认光终端设备 的安装位置及所需机柜  工程设计为例讲解 了设计流程及其重点。本文 的组  若用户没有机柜或机柜空间不足时 , 在芯数小  织 如下 :第二 部分 分 析 大户 光 缆工 程 设计 的流 程及  空 间;

  其重点 ;第三部分提 出了接人层光缆设计的流程及  的情况 下可 以设 计使 用 光终端 盒 。 然后去接人点机房勘察。 先查找O D U 的位置。 若  其 重点 ; 第 四部分 对 全文进 行 总结 。   是 启用 已放 配线光 缆 纤 芯 ,首先 需 确认 局 端 资源 占 

用情况与已有资料是否存在差异 ,如果没有差异则  D U 所 在机 架 的立 面 图。若 是第 一 次 进入  下面以某大型运营商的大户光缆工程设计流程  可 以记 录O 该机房 , 还需勘察记录配线光缆的出局路 由; 与计划  为例 对 流程 及其 重点 进行 简单 介绍 。   以局端面板为准 , 但需与相关  接 到设 计任 务 , 设 计 人员 首 先 与 客户 联 系 , 确 认   启用纤芯不存在差异 ,

2 大户光缆 工程设计 

大致的用户端地址 ,然后根据当地城域网光缆规划  部 门人员 了解该缆 的最新分布情况 ,以便对 比手 中  资料 , 考虑暂定方案是否需调整 ;

计划启用纤芯已被  的光交接点范围, 确认用户 的接人点 。   与相 关部 门人 员 了解 该 缆 的最 新 分布 情 况 , 若  确认接入点后 ,对其所有已布放的配线光缆资  占用 ,

源 进行 调 查 , 了解 配线 光 缆 的纤 芯 分 布情 况 , 结合 用  其 它 可用 封存 纤 芯足 够 满 足此 次设 计 方 案 ,则 变更  不行则新放配线光缆。 新放配线光缆芯数  户 业 务 类 型 所 需 的纤 芯 数 目及 当 地 的管 线 分 布 情  设计方案 ,

需与该接入点所辖范围的潜在需求 , 以及其  况, 暂定一个设计初步方案 , 准备齐所需 资料 。上述  的取定 , 一   配线 光 缆 ( 设在小 区、 大楼 ) 是指光交接点O D F 或 光  主干光缆芯数 占用情况联系考虑 ,此时只需记录0 D U 所在机架的立面 图及机房平面图即可 , 待外线路  交 接箱 至 光终 端点 分线 箱 的光缆 。  

再确 认 芯数 。   接着应该去现场勘察。应先 向客户介绍勘察的  由勘 察完 毕后 , 确认用户业务类型所需的纤芯数 目是设计 的重  目的( 可 向客户索取室 内平面 图。若布局简单 , 可省 

3 7  

技 术 方 案 

T e c h n o l o g y   S c h e me   数据通信 2 0 1 4 . 1  

点之 一 。 大 户需求 主要 有 网吧接 人 、 MP L S — V P N、 光 纤  上 ,以满足S D H 等设备 的技术要求和重大用户 的网   + L A N、 裸 纤 租用 、 多点组 网、 传输业务 ( 常 用 设备 包  络安全要求 。光交接点 的容量 以4 8 芯( 2 4 进2 4 出) 为  括 光MO D E M、 P D H 等) 等 。 网吧接 人 通 常需 2 c, 一 般  基本单元 , 看业务量及所管范围以1 2 芯为单位增减 ,   设计4 C , 考虑备 用2 C; MP L S — V P N、 光纤+ L AN 需2 C ,   以利于采用带状光缆。 基础网络 中, 采取以2 0 0 m 为半 

资源充分时一般设计6 c ,考 虑会有新增业 务需求 ;   径, 在其左右地域应设不少于一个光交接点 , 每个光  裸纤 租 用 、传 输业 务勘 察 时 需 了解 用户 端 的光 终 端  接点 以带4 至8 个 光终 端 点 的容 量 为 宜 。光 交接 点 至 

设备接人芯数 , 是1 c 还是2 c, 连接 器 需 F C 头或s C 头  终 端点 应根 据用 户 使用 要 求 和接 人设 备 特 点 ,采 用 

等, 以便设计时取定芯数 ; 多点组网勘察 时需了解客  星 型结 构 ,但重 要 用户 应 该用 两 个 不 同的 物理 路 由  户组网采用的方式 ,是在 电信局端汇聚后再接至中   进纤 , 形 成 环 型结构 , 确 保 光通 路 安全

。对 暂形 不 成  心点 , 还是全部接人 中心点后 , 由中心点设备汇聚 ,   环 的地 方 ,应 按规 划 逐步 实施 ,主 干光 缆 芯数 不 递 

然后 了解 该 用户 端 的 网络地 位 , 若 为 中心 点 , 且 为后  减 、 成 环 。光缆 环在 初建 时 , 主干光 缆 的芯数 配 置 , 要 

者组网方式 ,则需清楚分支点数 目以便设计时取定  有 一定 的备 用 ( 3 0 %一 5 0 %) 。   芯数 , 最后再参照裸纤租用方式勘察其余情况( 母局  光 交接 点 是光 纤 物 理 网 的基 础 ,它是 主 干 光缆  交越 地段 方案 应严 格按 区域 划分 设计 ) 。   与配 线 光缆 的交 汇点 ,并 通 过设 置 光 交 接箱 或 O D F  

设 计 当中要 重 点注 意 准备 齐 所需 资 料 。所 需 资  架 进 行跳 接 , 以实 现灵 活 、 多 变 的要 求 。光 交 接点 位  料应包 含 以下 图纸 : 暂 定方 案 中计划 启用 光 缆 的最新  置宜选 在其 覆 盖 区的业务 密集 处 。原模 块局 、 用 户交  路 由 图和 系统 图 , 接 人 点机 房 平 面 图 , 客 户 所在 楼 层  换 机 房 、 小 区交 接 间或无 线基 站点 等为 首选 位置 。 光  确 实 因条 件 限制 , 也 可 设 在室  平面图等 。 若有客户所在地 的管线分布图, 也一并带  交 接 箱一 般设 在 室 内 ,

上。  

外。  

光 交 接 间 的 面 积 要 结 合 近 中 期 的业 务 发 展 确 

定, 有条件的要争取达到远期要求 , 当光交接点本身  应在 l 5 至2 5 平方米之间。 光交接间的  仍以某大型运营商 的接人层光缆工程设计为例  需安装设备时, 选址 , 宜 在 环境 较好 、 安全 、 方便 、 便 于进 线 的地 方 。   对流程及其重点进行简单介绍 。  

3 接入 层 光 缆 工 程 设 计 

接入 层 光缆 工 程 的设 计 ,在初 期应 先 了解 建 设  在 不具备 条 件设 立光 交 接 间和 光 交接 箱 地 区 ,可 以  C O 作 为光 交接 点 。   单 位 建设 的 背 景 、 目的 、 建设理念 , 并 作 为设 计 的重  考 虑利用 在人 井 中采用 G 要 依据 之一 。  

光 缆线 路 的 防雷措 施 是设 计 重 点之 一 。防雷 措 

  选择 光 缆路 由, 应 以现有 的地 形 、 地物 、 建 筑设 施  施 包括 : ( 1 )光 缆 的金 属 护套或 铠装 不进 行 接地 处 理, 使  和既定 的建 设规 划 为主要 依据 , 并 考 虑有 关部 门的发 

展要求. 应选择线路路 由最多、 弯 曲较少的路 由。  

新 建局 点 的 主干 光 缆芯 数 确定 ,应根 据 其覆 盖 

之 处 于悬浮 状态 。  

( 2 )光 缆 的所 有 金属 构 件在 接 头处 不 进 行 电气 

局、 站 内的光缆 金

属 构件 全部 连接 到保 护地 。   范 围的 网络现 状 和业 务 潜力 。新建 局 点接 人 应尽 量  连 通 , ( 3 ) 在 平均 雷暴 日数 大 于2 0 天 的地 区 , 光 缆 防雷  直 接 接人 目标 局 点 , 以便 节 省局 间纤 芯 , 避 免 多 级转    接 。上述 主 干 光缆 是 指局 端 O D F 至光 交 接 点 或光 交  应 符合 下列 要求 : 1 )土壤 电阻率 小 于 l O O f  ̄ ・ m的地段 可不 设 防雷  接箱间的光缆。如主干光缆为环状 , 称一级环。  

  典型实用的网络结构以环型为主、 线型为辅 。 接  线 ; 2 ) 土壤 电阻率为 1 0 0 至5 0 0 Q・ m 的地段 , 设一条  人层 光 环 上 , 光 节 点 就是 分 布在 各 个 大 楼 、 小 区、 街    边、 村边 的光缆交接箱或O D F 架; 各个光节点通过 占   防雷 线 ;

用 光 纤形 式 到 服 务 节 点 ( 端局) 星型连接 , 各 个 光 节 

3 ) 土壤电阻率大于5 0 0 f  ̄ ・ m的地段 , 设两条防雷 

  点通过共享光纤形成各个光节点 和服务节点之间的  线 ; ( 4 ) 架空 光缆 还可 选用 下列 防雷 保护 措施 :   环型连接。光缆环 中, 选择纤序1 至l 2 ( 双向2 4 芯) 为 

每个交接点的公用纤 ,接人每个 交接点的光交接箱 

1 ) 光缆 吊线每隔一定距离进行接地处理 ;  

( 下 转 第5 4 g)  

3 8  

论 坛 

F Or um 

数据通信 2 0 1 4. 1  

换 为 三 维 图像 ,再 利用 三 维 A no r l d 变换 对 其 进 行 置 

2 0 1 3 , 1 5 2 ( 2) : 3 6 — 3 7  

3 ]黄慧青, 许鸿儒 . 基于三维A no r l d 混沌系统 的图像加密算 法  乱, 置乱效率高 , 并获得较高的置乱度 , 再使NL o g i s —  [ f J 1 . 嘉 应学院学报旧 然科学) , 2 0 1 2 , 3 0 ( 1   1 ) : 2 3 — 2 6   t i c 混沌序列与图像进行异或运算 , 改变图像像素值 。   【 4 】杜翠霞 , 张定 会. 彩色数字 图像 的混 沌加 密算 法『 J 1 . 数据通  仿真分析表明 , 本 算 法 置 乱效 果 好 , 隐 蔽性 强 , 具 有 

很 好 的加密 性 能 。   参 考 文献 

[ 1 】申小蓉, 汪洁. A HP 法在城市政府 管理 评估指标体 系中的应 

信, 2 0 1 3 , ( 3 ) : 1 9 — 2 1  

【 5 ]S u   J   K , G i r o d   B . P o w e r - s p e c t r u m   c o n d i t i o n   f o r   e n e r g y - e f f i —  

c i e n t   w a t e r — ma r k i n g【

J J . I E E E   T r a n s   o n  M u l t i m e d i a , 2 0 0 2 , 4  

0 ) : 5 5 1 — 5 6 0  

作者简 介 : 杜翠 霞 : 女 上 海理 工 大 学光 电信 息 与 计 算机 工 程  【 2 ]唐素 娟,张定 会 .音频 的混沌 置 乱加 密 【 J J _数据 通 信 ,   学院硕士研 究生 研 究 方 向 : 信 息 安全 。- 

, ,

用f J ] . 电子科技大学学报, 2 0 0 7 , 3 6 ( 1 ) : 1 5 4 — 1 5 7  

( 上接 第3 8 页)  

2 ) 雷害特别严重或屡遭雷击地段可架设架空地  4   结 束 语 

线;  

本文第二部分分析了大户光缆工程设计 的流程  3 ) 如 与架 空 明线 合 杆则 应 架设 在 架 空 明线 回路   及 其重 点 ;第 三 部分 提 出 了接入 层 光 缆设 计 的 流程  的下 方 。   及 其重 点 。本 设计 流 程及 其 重 点 已用 于作 者 单位 内 

光缆线 路 防强 电也 是设 计 的重 点 之 一 。防 强 电  部员工培训及员工的实践工作 , 效果 良好。   的措 施包含 :   ( 1 )光缆 线 路应 尽 量 与高 压输 电线 或 电气 化铁  参考 文献  路馈 电线 保 持 足够 的距 离 ,如 需要 穿 越 时应 尽 量 与  它们 保持 垂直 。  

【 1 ]徐世 涛.浅议 通信 光缆线 路工 程施 工要点 , 《 无 线互联 科 

技》 , 2 0 1 3 年第 8 期 

( 2 )光缆线路及其设备距发电厂或变电站 的接 

5 0 米;   ( 3 ) 光缆 的 金属 护套 、 金 属加 强 芯在 接 头处 不 进  行 电气 连通 ;   ( 4 ) 在接 近 交流 电气化 铁 路 的地 段 , 当进行 光 缆 

2 】李 鑫慧 . 试 论通 信建设 工程光 缆施 工质量 控制 探讨 , 《 神  地装置应大于2 0 0 米, 距高压电杆的接地装置应大于  [ 州} , 2 0 1 3 年第1 期  【 3 ]李立高.本地网通信光缆线路的工程设计及实例分析, 《 长 

沙通信职业技术学 院学报》 , 2 0 0 2 年第2 期 

线路施工或检修 时,应将光缆的所有金属构件 I 临时  作者简介 : 应闽 , 男, 1 9 8 0 年 生, 毕业 于厦 门大学 , 目前担任 厦  接地 , 以保证参加施工或检修人员的人身安全 。   门 华络 通 信 设 计 有 限公 司部 门 经理 。■ 

范文五:光缆通信线路工程的设计 投稿:郭漀漁

安徽工业大学

毕业设计(论文)说明书

专 业 机械设计制造及其自动化

学 院

班 级

姓 名

学 号 指导老师 继续教育学院 业机11本 姚其伟 11100006 王秀珍

二○一五年十月十二日

安徽工业大学 毕业设计(论文)任务书 课题名称

学 院

专业班级

姓 名

学 号

光缆通信线路工程的设计 继续教育学院 机械设计制造及其自动化 姚其伟 11100006

毕业设计(论文)的工作内容:

1、 收集资料,准备论文材料;

2、 光缆线路设计;

3、 设备配置安装;

4、 光缆传输性能的优势,线路施工质量;

5、 了解工程概、预算的内容和必要性等;

6、 准备答辩。

起止时间:

2015 年 9 月 1

指 导 教 师

签 字 日至 2015 年 11 月 21 日共 10 周 系 主 任

签 字 院 长

签 字

摘 要

光纤通信工程设计是指在现有通信网络设备规划、整合、优化的基础上,

根据通信网络发展目标,综合运用工程技术和经济方法,依据技术标准、规范、规程,对工程项目进行勘测和技术、经济分析,编制作为工程建设依据的设计文件和配合工程建设的活动。随着时代的进步高速光纤通信是提供大容量传输信道的主要手段。随着我国经济建设的不断发展,对通信业务的需求增长是必要趋势,光缆线路施工与测试是光纤通信系统建设的主要环节;光缆传输性能的优势,线路施工质量的好坏均直接影响系统的通信质量,而光纤线路工程设计施工的指导方案和参考依据,有助通信系统更好的建设。本论文就是针对光缆线路工程的研究,分析光缆线路工程设计的流程和原理,对光缆线路不同设计阶段,了解工程概、预算的内容和必要性等。

关键词:光纤通信;线路设计;光缆架设;路由选择。

Abstract

optical fiber communication engineering design is based on the existing communications network equipment planning, integration, optimization, according to the communication

network development goals, comprehensive use of engineering technology and economic method, according to technical standards, specifications, regulations, the project to carry out survey and technical and economic analysis, the preparation of engineering construction as the basis for the design and construction of the project. With the development of high speed optical fiber communication is the main means to provide large capacity transmission channel. With the continuous development of China's economic construction, the demand for communication services is a necessary trend. The construction and testing of optical cable line is the main link in the construction of optical fiber communication system. This paper is for the research of optical fiber cable line engineering, analysis of the process and principle of optical fiber cable line engineering design, the cable line of different design stage, understanding the engineering concept, the content and necessity of the budget and so on.

Key words: optical fiber communication; line design; fiber optic cable erection; route selection

目 录

第1章 绪论 .......................................................................................................................... 6

1.1 光纤通信发展现状及趋势 ............................................................................. 7

1.2 本论文的研究内容 ......................................................................................... 8

第2章 光缆线路工程的设计简介 ..................................................................................... 8

2.1 工程设计概述 ................................................................................................. 9

2.1.1 光缆线路工程设计的一般要求 .............................................................. 9

2.1.2 设计阶段的划分 ...................................................................................... 9

2.1.3 设计文件的组成 .................................................................................... 11

2.2 光缆线路设计 ............................................................................................... 12

第3章 光缆线路工程设计实例 ....................................................................................... 12

3.1 光缆线路设计说明 ....................................................................................... 13

3.1.1工程概况 ................................................................................................. 13

3.1.2 地理概况 ................................................................................................ 13

3.1.3 对环境的影响 ........................................................................................ 14

3.1.4 设计依据 ................................................................................................ 14

3.2 光缆线路路由 ............................................................................................... 14

3.2.1 工程沿途自然条件 ................................................................................ 14

3.2.2 光缆线路主要路由方案 ........................................................................ 14

3.3 光缆结构应用及光纤主要技术指标 ........................................................... 15

3.3.1 光纤性能指标 ........................................................................................ 15

3.3.2 接头盒主要性能指标 ............................................................................ 15

3.3.3 中继段长度计算 .................................................................................... 16

3.4 光缆敷设安装标准、技术措施和一般要求 ............................................... 17

3.4.1 设计原则 ................................................................................................ 17

3.4.2 施工方法 ................................................................................................ 17

3.4.3 光缆端别 ................................................................................................ 17

3.4.4 杆路设计 ................................................................................................ 18

3.4.5 光缆的敷设 ............................................................................................ 19

3.4.6 光缆接续 ................................................................................................ 21

3.4.7 光缆线路防护要求与措施 .................................................................... 22

3.5 预算 ............................................................................................................... 22

3.5.1 预算总值 ................................................................................................ 22

3.5.2 预算编制依据 ........................................................................................ 23

3.5.3 有关费率及费用的取定 ........................................................................ 23

3.5.4 投资分析 ................................................................................................ 24

第4章 总结与展望 ............................................................................ 错误!未定义书签。

参考文献 .............................................................................................................................. 26 致谢 ...................................................................................................... 错误!未定义书签。

附录 主要英文缩写语对照表.......................................................................................... 28

第1章 绪论

光纤通信技术自20世纪70年代开始不断的发展进步,世界IP业务每年

都在以100%的速度增长,这就迫使原本以话音服务为主的电信网络开始进行深刻的变革,ATM、千兆以太网和MPLS等宽带技术逐渐成为骨干网络的核心技术,而这些核心技术的应用和发展都离不开光通信技术的支持。很多国家和地区不遗余力地巨资发展光纤通信技术及其产业,光纤通信事业得到空前的发展。因此掌握光纤线路的工程设计的基本知识是十分重要的。本章对光纤通信的发展现状及趋势作了介绍,从而提出了光缆线路设计的必要性。

1.1 光纤通信发展现状及趋势

光纤的发明,引起了通信技术的一场革命,是构成21世纪即将到来的信息社会的一大要素。

1966年出生在中国上海的英籍华人高锟,发表论文《光频介质纤维表面波导》,提出用石英玻璃纤维(光纤)传送光信号来进行通信,可实现长距离、大容量通信。

于1970年损失为20db/km的光纤研制出来了。据说康宁公司花费3000万美元,得到30米光纤样品,认为非常值得。这一突破,引起整个通信界的震动,世界发达国家开始投入巨大力量研究光纤通信。1976年,美国贝尔实验室在亚特兰大到华盛顿间建立了世界第一条实用化的光纤通信线路,速率为45Mb/s,采用的是多模光纤,光源用的是发光管LED,波长是0.85微米的红外光。在上世纪70年代末,大容量的单模光纤和长寿命的半导体激光器研制成功。光纤通信系统开始显示出长距离、大容量无比的优越性。

按理论计算:就光纤通信常用波长1.3微米和1.55微米波长窗口的容量至少有25000GHz。自然会想到采用多波长的波分复用技术WDM(WavelengthDivisionMultiplex)。1996年WDM技术取得突破,贝尔实验室发展了WDM技术,美国MCI公司在1997年开通了商用的WDM线路。光纤通信系统的速率从单波长的2.5Gb/s和10Gb/s爆炸性地发展到多波长的Tb/s(1Tb/s=1000Gb/s)传输。当今实验室光系统速率已达10Tb/s,几乎是用之不尽的,所以它的前景辉煌。

如今光纤通信发展趋势:

未来光通信发展的主要趋势是传输链路容量继续按光纤定理前进,成本与比特之比率将继续下降;组网方式从简单的点到点传输转向光层联网方式,

以改进组网效率和灵活性;光联网则将从静态联网开始向智能化动态联网方向发展,以改进网络响应和生存性;网络核心趋向传送层和业务层分别独立发展,整个网络正向高智能的3T(Tbit/s Transmission Links,Tbit/s Transport Nodes,Tbit/s Service Nodes)网发展;网络边缘趋向传送和业务一体化的融合方向发展(one boxsolution)。

图1.1光缆图

1.2 本论文的研究内容

光纤通信系统的工程设计,事关国家通信建设的大局,因此工程设计在通信建设中具有很重要的地位。光纤通信设计又分为光缆线路设计和设备配置安装两大单项工程。本论文只是对光缆线路设计进行研究讨论。掌握线路设计的有关理论,了解路由选择及中继站站址选定的考虑,掌握再生段距离的计算和光纤光缆选型的方法等。

第2章 光缆线路工程的设计简介

2.1 工程设计概述

2.1.1 光缆线路工程设计的一般要求

光缆线路工程设计,是通信基本建设的重要环节,其要求有:

①工程设计必须遵守相关法律法规,全面贯彻国家基本建设方针政策、法规、标准和规范,并进行多种方案比较,提出优选的方案。保证建设项目的安全、经济合理,满足施工和使用要求。

②在城镇以及路权资源受到限制的地区,新建、扩建和改建电信管道、电信杆路等电信基础设施时,应考虑不同电信业务经营者的统筹规划、联合建设、资源共用。

③电信基本建设中涉及国防安全,应执行信息产业部颁发的《电信基本建设贯彻国防耍求技术规定》。

④工程设计必须保证通信网整体通信质量,技术先进、经济合理、安全可靠。设计中应当进行多方案比较,努力提高经济效益,降低工程造价。 ⑤工程设计应与通信发展规划相结合。建设方案、技术方案、光缆及配套设备的选型应以网络发展规划为依据,充分考虑远期发展的可能性。 ⑥工程设计中采用的电信设备应取得信息产业部电信设备入刚许可证,末获得信息产业部颁发的电信设备入网许可证的设备不得在工程中使用。

⑦在我国抗震设防烈度7烈度以上(含7烈度)地区公用电信网中使用的传输设备,应取得电信设备抗震性能检测合格证,未获得信息产业部颁发的通信设备抗震性能合格证的不得在工程中使用。

⑧工程设计中必须按照丁程建设标准中的强制性条款进行勘察、设计,并对勘察、设计的质量负责。

2.1.2 设计阶段的划分

光缆线路设计大致分为三个阶段,即准备阶段、设计阶段和验收阶段。

(一)准备阶段

在工程的准备阶段,主要是完成三个设计文件,即项目建议书,可行性研究报告和设计报告。

(1)项目建议书是工程建设程序中最初阶段的工作,是投资决策前拟

定该工程项目的轮廓设想。在建议书中主要阐述工程项目的必要性和主要依据,初步分析工程项目在技术上、经济上的可行性及能够产生的社会效益和经济效益。

项目建议书是有关部门进行工程决策的初步依据。

(2)可行性研究报告是项目建议书通过审批后,即可进行可行性研究和专家评估。所以可行性研究报告是在项目建议书基础上,进一步阐述工程规模、地点、方案的比较论证、技术条件、投资估算等;深入分析工程项目的技术可行性、经济可行性及深入评估社会效益与经济效益。

(3)设计任务书是在根据可行性研究报告推荐的最佳方案确定建基本的建设文件,是编制设计文件的主要依据。明确阐述工程规模、地点、线路线路选择、投资成本与经济效益评估等。

【提示】

(1)可行性研究报告和设计任务书的编制要符合国家、部委及地方的有关要求;

(2)中小规模的项目可以将项目建议书的提出与可行性研究报告合并进行;

(3)工程项目可行性研究报告,要提交给专家进行评估,而专家的评估报告是有关部门决策的主要依据[2]。

(二)设计阶段

光缆线路工程设计阶段的划分主要包括初步设计和施工图设计,但是对于大型、特殊工程项目或者技术上比较复杂而缺乏设计经验的项目,实行三阶段设计,即初步设计、技术设计和施工图设计。

(1)初步设计是根据批准的可行性研究报告、设计合同或者设计委托书、初步勘测资料及相关的光缆线路设计规范要求编制。光缆线路工程设计文件主要阐述设计依据、范围、分工;工程量、技术经济分析;线路选择及沿线的自然、地理和交通条件;中继段距离的计算、工程预算等。

初步设计要绘出有关图纸,即光缆线路路由示意图、进局管道光缆线路路由示意图、光纤分配图、局内布线图等

(2)技术设计是根据已批准的初步设计进行编制工程的设计标准、技术要求及措施。

(3)施工图设计是根据已批准的初步设计编者的,用来指导工程施工。其施工图预算则是确定工作预算造价,签订工程施工合同(或者工程总承包合同)和办理工程结算的依据。它用来阐述光缆的路由、光缆结构、单盘光缆技术要求及技术指标、、光纤色标、中继段主要指标、光缆敷设安装要求、光缆防护要求及措施等。 2.1.3 设计文件的组成

编制设计文件的目的是使设计任务的具体化,是勘察、测量收集所获得资料与设计合同设计委托书所提出的任务及要求的有机集合,也是设计规范、标准和技术的综合运用,它充分反映设计者的指导思想和设计意图,并工程的施工、安装建设提供准确可靠的依据,也是建设方固定资产投资的依据和长期档案管理的重要文档,因此,编制设计文件是十分重要的。

设计文件包括设计说明、工程投资概预算和设计图纸三部分。 (1)设计说明

设计说明应完全反映工程的总体概况,如设计依据、工程建设规模、对光纤光缆以及配套设备的技术要求、光缆的敷设和保护、光缆线路的传输性能指标的设计及验证、工程的主要工作量、摡预算说明、投资情况及其他需要说明的问题等都应该用简练、准确的文字加以说明。

(2)工程投资概预算

光缆线路工程建设概/预算是光缆线路工程设计文件的重要组成部分,它是根据工程对象存不同的设计阶段的内容,按照国家规定的概/预算定额、设备和材料价格、费用标准等相关规定,经过具体的计算所确定的某一固定资产投资项目或某项目中的一个单项目的价值,即固定资产投资建设工程的造价。这个造价不仅为等价交换原则办理工程价款的拨款结算提供依据,而且更重要的是为固定

资产投资项目的投资、决算、分配、管理和监督提供依据,也是签订工程承包合同、核定贷款额度及结算工程价款的主要依据。所以,及时准备地编制出工程建设项目的概/预算可以提高设计质量,加强固定资产投资项目的工程建设管理。

光缆线路工程概/预算的编制应按相应的设计阶段进行。当建设项目按两阶段进行设计时,概预算编制就分为初步设计阶段编制的总概算和施工图设计

阶段的编制的工程预算(含预备费)。对于技术复杂的特殊工程项目可增加技术设计。当采用阶段设计时,除了初步设计和施工图设计的概/预算外,还应增加技术设计阶段编制的修正总概算。当采用一阶段设计时,只编制施工图设计阶段的工程预算。 (3)设计图纸

设计文件中图纸是设计意图的符号,图形形式的具体表现。不同的工程项目,图纸的内容及数量各不相同。主要包括光缆线路路由示意图、光缆线路传输系统配置图、光缆线路进局管道路由图;水底光缆路由图(如果工程中没有水底光缆,可省略此图)、光缆结构剖面图等。

2.2 光缆线路设计

光缆线路工程设计的主要内容:

① 光缆线路路由的选择及确定。 ② 对近期及远期通信业务量的预测。 ③ 局/站选择及建筑方式。 ④ 光缆线路敷设方式的选择。 ⑤ 使用的光纤、光缆的选择及要求。 ⑥ 光缆线路的防护要求。

⑦ 光缆、光纤的接续及保护要求。 ⑧ 光缆线路终端的选择及要求。 ⑨ 光缆线路传输性能指标的设计。

光缆线路施工中应注意事项。

第3章 光缆线路工程设计实例

3.1 光缆线路设计说明

3.1.1工程概况

TD是由我国自主提出并主导完成的3G标准,是国际三大3G标准之一,是具有独特的优势,建网意义重大。整个项目在2009年全面开通,进一步满足武汉城市圈对高效的需求,建成后TD网络主要覆盖武汉市区、郊区城关、机场、高校、驻军所在地及热点地区,并实现2G和3G之间平滑切换,对提升武汉经济实力,加快城市圈“两型社会”建设起积极、巨大的促进作用。

本册共新建1段光缆传输线路共计0.982,其中管道光缆0.132公里,槽道光缆0.65公里,室内光缆0.2公里。

本工程设计根据各省市的实际情况及未来的业务发展需求,光缆采用24芯架空、管道GYTS通用型光缆。G652单模光纤光缆价格低,技术成熟,同时能满足移动未来接入网的业务发展需求,本次工程建设采用G652单模光纤光缆。 3.1.2 地理概况

绥化市的地势东北高,西南低,即由低丘陵、高平原过渡为河谷平原。全市地貌按其形态特征可分为低山丘陵、

岗丘状高平原、岗阜状高平原、微倾斜高平原、一级阶地、高漫滩

图1.2地理位置

绥化市在黑龙江省的位置和低漫滩绥化市辖北林1区,肇东、安达、海伦3个县级市及绥棱、青冈、庆安、兰西、望奎、明水6县

3.1.3 对环境的影响

本工程所采用的主要设备和材料为光缆、钢铁、水泥和少量塑料制品等。均为无毒无污染产品,对线路沿途自然环境没有影响和污染。 3.1.4 设计依据

(1)中国移动通信集团公司黑龙江分公司“关于委托编制2011年TD网络传输工程可行性研究和一阶段设计的函”。

(2)《中国移动3G(TD-SCDMA)网络2011黑龙江扩容工程可行性研究报告》。

(3)2010年5月14日关于《中国移动3G(TD-SCDMA)网络2011黑龙江扩容工程可行性研究报告》的批复。

(4)《关于中国移动3G(TD-SCDMA)网络四期黑龙江工程初步设计的批复》。

(5)绥化移动通信分公司提供的相关图纸资料。 (6)勘测设计人员现场勘测资料。

(7)原信部规[2006]141号文件发布《本地通信线路工程设计规范》YD5137-2005。

3.2 光缆线路路由

3.2.1 工程沿途自然条件

本工程大部分位于平原地区,部分为湖波、丘陵地区。地区外多采用新建杆路或利用原有杆路敷设,城区内的光缆建设方式多利用多利用管道电力槽道、电力杆、广电杆路布防。 3.2.2 光缆线路主要路由方案

本工程光缆线路路由根据网络今后的扩容、发展需要。以及便于维护施工的诸多方面考虑,光缆线路路由多选择沿公路、乡间路和村间路,以架空方式敷设安装,城市部分采用管道方式敷设安装。武汉城区光缆线路路由首先选择移动自有管道,其次为电力槽道最后是电力杆路,因为赔偿费用高,手续繁琐,时间长不能满足工期要求,因此尽量避免直埋。

3.3 光缆结构应用及光纤主要技术指标

3.3.1 光纤性能指标

表3-1 单盘光缆主要技术性能表(光纤部分)

3.3.2 接头盒主要性能指标

光缆接头盒具有3~4个进线口,分别适用管道光缆和直埋光缆的直通或分歧接续;可以在-40℃~+60℃温度范围内正常使用;接头盒内对两侧光缆加强芯和金属护层具有可断可连功能;接头盒应具有重复开启键,便于监测缆

的引出;接头盒的气闭性能和防水防潮性能优良;其外部金属构件及紧固件采用不锈钢材料;接头盒壳体塑料表面应光洁平整,塑化良好,具有抗腐抗老化性能。接头盒使用寿命不少于25年。

图1.3接头盒

3.3.3 中继段长度计算

中继段长度计算应该分别按衰减受限和色散受限计算,中继段距离应不超过计算出的最坏首先距离。 衰减受限系统:

Lmax=Ps-Pr-Me-2Ac/Af+As+Mc

Lmax——衰减受限再生段长度(km);

Ps ——S点发送功率(dBm),计算时一般为发送机最小发光功率; Pr ——R点接收灵敏度(dBm),计算时一般为接收机最差的灵敏度; Me ——设备富余度(dBm),一般取3dBm;

Ac ——S和R之间其他连接器衰减之和(dm),PC型平均0.5dB/个; Af ——光缆光纤平均衰减(dB/km),1310nm时Af≤0.36dB/km 1550nm时Af≤0.22dB/km;

As ——光缆固定接头平均衰减(dB/km),程中一般取0.05dBm/km; Mc ——光缆富余度(dBm),一般取3dBm。

由于光缆线路在每km长度上的衰减不大于0.28dB,此外Mc亦可考虑在Pr之内,故而上式可简化为:

L=Pr- Pr-PL/0.28

色散受限系统:

6

Lmax=ε*10 /B*D(λ)*△λ

Lmax —色散受限再生段距离;

ε—光源系数:对于多纵模激光器(MLM)ε=0.115

(SLM) ε=0.306;

,单纵模激光器

B—线路传输速率(bit/s);

D(λ)—光纤色散系数(ps/nm.km);

λ—光源谱线宽度(nm )。

也可简化为:

L=Dmax/D

Dmax—S点和R点之间允许的最大色散值(ps/nm); D—光纤色散系数(ps/nm.km)。

3.4 光缆敷设安装标准、技术措施和一般要求

3.4.1 设计原则

本工程以架空方式为主,市区局站采用管道方式。光缆布放时及安装后,其曲率半径及所受张力。侧压力不超过相关设计规范的规定。 3.4.2 施工方法

施工方法为人工或机械(有条件时使用)。3.4.3 光缆端别

表3-2 表光缆端别

3.4.4 杆路设计 1.负荷区的规定:

根据绥化所处环境地理位置的气象条件,其负荷区为中负荷区。杆线主要器材最小安全系数不得小于表。

表3-3杆线主要器材做小安全系数表

2.长档杆设置:

81—100米长档杆设单顶头拉线;101—150 米长档杆设三方拉线,吊线有7/2.2换7/3.0,大于150米长档杆应做做辅助吊线,其正吊线为7/2.2,辅助吊线为7/3.0,其长档杆侧正付吊线应增装加强装置;终端杆与跨越杆分设,终端杆为单杆,7/3.0顶头拉线两条;跨越杆设H杆装1875mm双槽钢担,杆高大于等于10米时应增装H杆腰梁,H杆设顶头拉线二层为7/3.0拉线,侧面和顺向拉线一层为7/2.6拉线。3.抗拉风线和防凌拉线设置:

抗风拉线每根8根电杆应设双方拉线;防凌拉线每根32根电杆设四方拉线一处。 4.泄力装置:

每个四方拉线杆设泄力装置一处。 5.拉线程序设置:

角杆拉线在小于35°转角时应设7/2.6镀锌钢绞线一条;大于等于35°

小于90°转角杆应设7/2.6镀锌钢绞线两条;终端杆的拉线设7/2.6镀锌钢绞线

6.拉线在电杆上装设位置:

角杆、双方、四方拉线侧面及长档杆侧面拉线应设在吊线以上10cm处;四方拉线和长档杆的顺线拉线应设在吊线下10cm处;终端拉线应设在吊线的同一位置处。 7.架空吊线:

(1)架空光缆距地面以及其他建设物的隔距应符合设计规范和“本地网通信线路工程验收规范”的相关规定。因现在在过往车辆过大,建议:国道、各省、市县级公路过路交越光缆垂直路面6.5米,一般村级公路过路交越光缆垂直路面5.5米。

(2)吊线程式的采用:

杆距小与等与100米时采用7/2.2吊线;101~150米是采用7/3.0。 (3)吊线安装:

a.吊线接续处及终端杆处加装大号绝缘电子,电气断开。

b.吊线采用三眼单槽夹板和吊线抱箍固定在水泥杆上,其安装应符合“本地网通信线路工程验收规范”的相关规定。 3.4.5 光缆的敷设 一、光缆敷设:

光缆敷设前应按本设计的施工图进行线路路由复测,标出线位,丈量划线,测出到各基站的准确长度,因外界条件变化,复测时可根据局部地段实际情况,在光缆路由长度变化不多的前途下,允许光缆路由做适当调整。本设计光缆线路以中继段为单位逐段进行,一般直埋部分从0开始连续计算公里数。

1.架空光缆的敷设与安装;

(1)架空光缆采用挂钩吊挂,在原吊杆线上加挂一条光缆,光缆挂钩程式换为35mm。原有一条吊线有两条以上光缆时,应另外架设吊线。光缆挂钩程式为35mm。本工程原有光缆挂钩为35mm,新增吊线的光缆挂钩为35mm,同钩加挂光缆,原则上不需要新增挂钩,但因使用时间、损坏、老化等原因,

需要更换新增挂钩。本工程原吊线上加挂光缆处,经与建设单位协商,按每公里1000个计算。其安装应符合设计规范和“本地网通信线路工程验收规范”的相关规定。

(2)光缆接头盒固定在电杆上,接头预留同时安装在同一根电杆预留架上,拆改光缆接头盒时,新给一个但光缆预留安装在接头盒的前一根杆上,预留本次新建光缆。

(3)光缆过电杆弯曲时用软塑料管保护,保护长度为0.5米。微弯曲应下垂20cm。

2.管道光缆的敷设与安装;

市区管道按人工敷设方式考虑,宜采用整盘敷设。推荐采用机械牵引敷设。为了减少布放张力,整盘光缆可盘8字由中间向两边布放,光缆在人孔中应有醒目的识别标志如光缆标志牌等,并用塑料软管保护。光缆进出管孔时应用自粘胶带封堵。 3.室内光缆的敷设与安装;

各局、站内光缆的安装根据各局、站现有条件采用爬梯和走线线架方式安装,经过进线室引人机房的光缆余留部分放在进线室内。局内光缆布放应整齐美观,绑扎固定要牢固,局。站内光缆成端接头安装在ODF架上。特殊ODF机架安位置及ODF端子板占有情况应与建设单位和地市分公司协商确定。光缆进出光缆终端箱或光配线架及预留圈上应加挂光缆标志牌,表明光缆的进出方向及容量,光纤应在醒目的位置上标明方向和序号。 4.直埋光缆的敷设与安装; (1)开沟

(2)沟底处理

一般地段的沟底处理填细土或沙石,夯实,其厚度约10厘米。 风化石和碎石地段应先铺约5厘米厚的砂浆(1:4的水泥和沙的混合物),然后再添细土或沙石,以确保光缆不被碎石的尖刃顶伤。 (3)光缆敷设

本工程直埋光缆采用人工抬放敷设方式。 (4)光缆布放与回填

直埋光缆敷设大多在野外进行,其敷设方式有人工布放和机械布放。本工程采用人工抬放敷设方式。施工时,严禁光缆受力过大,过分弯曲和背扣避免在水泥、尖石地面上拖拽擦伤外护层。特殊地段应该增加抬放人员,确保整条光缆安全无损放入沟底。

光缆沟首先在光缆两侧及上部15cm内,回填细土或沙土,再回填其他普通土质。坡坎前后2米范围内的回填土应分层夯实,其他穿越堤坝,路肩易冲刷的特殊地段也应分层夯实,或按有关部门的要求恢复。严禁在光缆上方直接夯实,以免铲伤光缆。 二、光缆配盘应考虑的几个因素:

(1)光缆配盘首先根据实际到货长度、路由复测、单盘测试结果,配置要求0.22dB/km长距离中继段,以保证传输指标。

(2)直埋光缆的接头尽量安排在地势平坦较高的地点。应避免在道路、河流、水塘等不便维修施工或易受外力损伤的地段。

(3)配盘长度=(敷设长度*1.015+室内光缆)向上取整,敷设长度=施工长度*1.05。 3.4.6 光缆接续

(1)管道光缆与架空光缆接续时,接头盒尽量安排在人(手)孔内 (2)光纤接续,按相同序号熔接。

(3)光纤接头衰减,一个中继段内平均值不大于0.05dB/个,单个光纤接头衰减最大值应小于等于0.1dB/个,接头盒内每册光纤余长应当不小于0.8米,并牢固固定在光纤熔纤盘内。

(4)光缆接头两端金属构件不作电气连接,在机房终端光缆的金属构件应单引接到交流电源保护接地端子上。

(5)接头每侧预留长度8~10m,设备侧15~20m。每个500m预留长度架空5m管道预留12m。人孔内弯曲长度0.5~1.0m。光缆在穿越高速或铁路涵洞时,按实际需要预留光缆长度。 3.4.7 光缆线路防护要求与措施 1.GYTX.GYTA光缆防雷和防强电:

(1)线路在穿越电力线时应用专用塑料保护,保护范围应为超出电力线各边外1米。

(2)光缆金属构件在接头处电气断开。

(3)架空杆路所有拉线均设防雷地线,各种各样防雷地线不应与掉线相连接。利用广电杆或其他运营商杆路架空,通信线路应符合《架空光缆杆路工程规范》的相关规定。 2.防机械损伤:

(1)引上光缆用镀锌钢管保护,内穿塑料子管。

(2)光缆过电杆微弯曲时用软塑料管保护,保护长度为0.5米,微弯曲应下垂20cm。 3.对外联系工作:

本工程各市及县分公司基站路由情况复杂,光缆线路由及位置虽然经相关部门同意,仍须请建设单位和施工单位与当地主管部门联系办理光缆路由审批准建手续;与当地相关主管部门(市政、绿化、公路)联系办理管道路由穿越手续;光缆线路穿越公路、部分管道开挖等,请施工前与相关部门联系,取得支持,落实相关协议和补偿事宜等。

3.5 预算

3.5.1 预算总值

本册为中国移动3G(TD-SCDMA)网咯2011黑龙江扩容工程施工图设计。工程总投资为2.3111元,平均每公里造价为2.24万元,平均每芯每公里造价为933元。

3.5.2 预算编制依据

(1)工程部规[2008]75 号“关于发布《通信建设工程概算、预算编制办法及费用定额》等标准的通知”及附件:

《通信建设工程概预算编制配套法规文件汇编》;

《通信建设工程预算定额》(第二册 有线通信设备安装工程); (2)中国移动通信集团公司黑龙江分公司“关于委托编制2011年TD网络传输工程可行性研究报告和一阶段设计的函”。

(3)《中国移动3G(TD-SCDMA)网络2011黑龙江扩容工程可行性研究报告》。

(4)2011年5月14日关于《中国移动3G(TD-SCDMA)网络2011黑龙江扩容工程可行性研究报告》的批复。

(5)《关于中国移动3G(TD-SCDMA)网络五期工程初步设计的批复》。 (6)器件价格:光缆价格按省公司招标价格计去取,其他材料按市场价格计取。

3.5.3 有关费率及费用的取定

本预算计算各项费用的相关费率是根据工程部规[2008]75号文件及其附件《通信建设工程概、预算编制办法定额》规定和黑移计[2009]869号、黑移计[2008]341号所确定。

(1)工程预备费;本工程不及预备费

(2)设备及其他材料不计取采购代理费、运杂费、运输保险费和采购及保管费。

(3)安全生产费安财企[2006]478号文件计取。

(4)工程监理费黑移工建传[2011]180号,文件《2010年5月31号黑移物流议[2011]9号专题会议纪要“关于2010-2011年通信建设工程监理费折扣等问题专题讨论的会议纪要”》执行国家发改委和建设部《建设工程监理与相关服务收费管理规定》(发改价格[2007]670号)。施工阶段工程监理基准将根据《建设工程监理与相关服务收费标准》计算。

(5)根据省公司要求建设单位管理费不计取。

(6)黑移计[2011]52号《关于下发黑龙江公司城域网传输网十一期一阶段线路扩容工程设计会审(第五批,新建站和SDH成环)会议纪要》要求

计取赔补费。

(7)根据省公司黑移计[2008]736号《关于下发黑龙江公司城域网传送网九期扩容工程相关建设费用标准的通知》要求不计取施工生产水电蒸汽费、特殊地区施工增加费、已完工工程及设备保护费;本工程为郊区工程,调遣费每个郊县的只在第一个预算中计取,调遣距离按100公里计算,其余的预算不计取。本设计预算中施工队伍调遣费按2*定额*调遣人数计取,大型施工机械调遣费按2*0.62元/吨8*100*5且只在第一批第一分册预算中计取一次。

(8)利用杆路施工测量工日系数按1计取,市区利用旧电力杆新做吊线工日系数按1计取,电力槽穿管工日系数按1计取,电力槽放缆工日系数按1.8计取。

(9)直埋光缆施工测量勘测费按管道光缆及市区架空光电缆线路工计算。利用旧杆路勘测施工费按正常计取。

(10)勘测费按国家计委、建设部《关于发布的通知》计价格[2002]10号计取。勘测设计费具体计算方法如下:

a.勘测费:

市内架空光缆线路(新建):管道光缆线路:

L≤1km 2000

1<L<10km [2000+1530*(L-1)]

b.设计费:工程费*0.045 c.编制施工图预算:设计费*0.1 3.5.4 投资分析

第4章 总结与展望

发展高速光纤通信是社会信息化的需要,也是信息措施基础设施的重要组成部分。技术的进步是层出不穷的,但都需要有好的设计文件将其实现,本论文只是对光缆线路设计进行研究讨论。掌我线路设计的有关理论,了解路由选择及中继站站址选定的考虑,掌握再生段距离的计算和光纤光缆选型的方法等。将新的技术和设计结合,把我国的通信网建成完整、统一、先进的网络。满足国民经济和社会进步的需求。

由于经济和历史的原因,早期的本地传输网光缆线路存在架空较多、光缆分布及路由凌乱、没有核心/汇聚层专用光纤/光纤、光缆芯数少等问题。因此,在传输系统优化的同时,应考虑对现在有光缆线路一并进行改造,优化主要应集中在以下几个方面:

(1)可以利旧已有管道和光缆线路,但应对管道和光缆资源进行详细调查,以便与新建光缆线路相结合。

(2)对一些光缆资源少,没有成环或结构不合理的区域和段落,应进行补充建设或改造,核心汇聚层等重要的环路应建有不同物理路由的光缆线路资源。

(3)城区架空光缆、微波线路原则上应尽可能采用管道进行入地改造。

参考文献

[1] 王加强.光纤通信技术[M].武汉:武汉大学出版社,2007.8:4-5. [2] 柳春锋,光纤通信技术[M].北京:北京理工大学出版社,2007.6:96-97. [2] 胡先志,刘泽恒.光纤光缆工程测试[M].北京:人民邮电出版社,2001.6:

190-218.

[3] 柳春锋,光纤通信技术[M].北京:北京理工大学出版社,2007.6:96-97. [4] 张宝富,赵继勇,周华.光缆网工程设计与管理[M].北京:国防工业出版

社,2009.2:84-127.

[5] 李立高.光缆通信工程[M].北京:人民邮电出版社,2004.8:26-65. [6] 陈世杯,浅谈通信工程概预算的审计方法[J].攀枝花市邮电局:四川通信

技术,1996(12):38-39.

[7] 李立高,本地网通信光缆线路的工程设计及实例分析[J].湖南长沙:长

沙通信职业技术学院学报,2002(2):39-42.

[8] 谢桂月,城域网的光缆线路设计[J].邮电设计技术部,2006(10):1-4. [9] 刘远琴等,地埋光缆电缆管道的实施方案[J].中国有线电视,2008(10):

1044.

[10] 王海清等,关于光缆网络设计方法的探讨[J].西部广播电视,2004(6):

59-61.

[11] 杨艳红等,基于PON的FTTH线路工程设计[J].电信技术,2008(12):

107-109.

[12] 程琪,浅谈陆地长途通信光缆线路工程设计中的几个问题[J].内蒙古科

技与经济,2008(162):103-106.

[13] 王立宣,高海拔高寒地区光缆线路的设计与维护[J].邮电设计技术,

2001(9):12-15.

致谢

时间飞逝,大学的学习生活很快就要过去,在这五年的学习生活中,收获了很多,而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。

感谢王秀珍老师,她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。在论文即将完成之际,我的心情无法平静,从不知道毕业论文怎么写,到开始进入课题到论文的完成,再到顺利完成了毕业论文答辩稿,有可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助,在这里请接受我诚挚的谢意!

附录 主要英文缩写语对照表

范文六:电线电缆课程毕业设计 投稿:周庑庒

绪 论

电线电缆有五大类产品:电力电缆、裸线、通信电缆与光缆、绕组线、电气装

备用电线电缆。它们是输送电能、传递信息和制造各种电机、电器、仪表所不可缺少的基础器材,是未来电气化、信息化社会中必要的基础产品。电线电缆制造业是国民经济中最大的配套行业,其产品必须满足各使用领域的技术性能和价格性能比要求,满足人民生活水平不断提高的要求。其发展具有超前于应用领域发展的必要性。电线电缆制造业作为配套行业,是各产业(尤其是基础性产业)的基础,其产品广泛应用于能源、交通、通信、汽车以及石油化工等基础性产业,其发展受国际、国内宏观经济状况、国家经济政策、产业政策走向以及各相关行业发展动态的影响。因此,与国民经济的发展密切相关。

20世纪90年代以来,中国电线电缆沐浴着国民经济快速稳步向前发展的东风,

飞速发展,被誉为城市“神经”和“血管”的电线电缆行业,肩负着为各行各业国民经济支柱行业配套的职能,业已成长为我国机械行业中位置仅次于汽车的第二大产业,而且我国是一个巨大而且还在不断成长壮大的市场,中国人口是世界人口的五分之一,但线缆产业的产值仅占世界线缆产业的15%左右,这个巨大的市场还有许多的发展空间和空白点,有待于开发。

十一五”期间,按国民经济的发展速度年递增7%~8%计算,电线电缆行业发展

速度将与国民经济的发展速度持平,预计在8.5%左右。从宏观上看,整个中国电线电缆行业正处于快速发展增长期。 在中国线缆行业快速发展的同时,电线电缆行业又开始面临着新的问题。

目前,电线电缆行业产品品种满足率和国内市场占有率均超过90%,全行业生

产能力已大大超过市场需求。总量过剩、有效供给不足、结构性矛盾突出、投入产出低、科技创新薄弱等问题日益严峻,开始严重阻碍电线电缆行业的健康发展。

2011年4-10月,国家质量监督检验检疫总局组织地方质量技术监督局开展了

全国电线电缆产品质量联动监督抽查和生产企业调查,共对30个省(自治区、直辖市)2603家企业生产的3803批次电线电缆产品进行了监督抽查。

本次抽查主要依据GB/T12706.1-2008《额定电压1千伏到35绝缘子避雷器电

力电缆及附件第1部分:额定电压1千伏和3千伏电缆》、GB/T5023.5-2008《额定电压450/750伏及以下聚氯乙烯绝缘电缆第5部分:软电缆软线》、JB/T8734.3-1998《额定电压450/750伏及以下聚氯乙烯电缆电线和软线第3部分:连接用软电线》等国家标准及行业标准,对绝缘与护套厚度、绝缘与护套老化前后拉力、绝缘与护套失重、绝缘热延伸、绝缘收缩、导体电阻、曲挠实验等项目进行了检验。抽查的2603家企业合格率为84.5%;合格产品3363批次,不合格产

品440批次,抽查产品合格率为88.4%。

而挤塑工艺更是关系到电缆的绝缘性能的好坏,是整个生产工程中极为关键的

一步。

第1章 挤塑材料及原理

1.1 挤塑的材料

电线电缆制造中所用的塑料都是热塑性塑料。电线电缆常用的热塑性塑料有聚

氯乙烯、聚乙烯、交联聚乙烯、泡沫聚乙烯、氟塑料、聚酰胺、聚丙烯和聚酯塑料等。

塑料是以合成树脂为基本成份,再添加各种配合剂,经捏合、切粒等工艺而塑

制成一定形状的材料。为了满足加工、贮存和使用的要求,合成树脂内一般都要添加各种配合剂,根据添加配合剂所起的作用不同,塑料的添加剂大致有以下几种:防老剂(它包括抗氧剂、稳定剂、紫外线吸收剂、光屏蔽剂等,这几种材料在塑料中所起的作用不同但又相互联系,同一种材料可起几种作用,所以统称为防老剂。);增塑剂;交联剂;润滑剂;填充剂;着色剂;发泡剂;防霉剂;驱避剂;阻燃剂;耐电压稳定剂;抑烟剂等。各种塑料既具有塑料共有的特性,又具有各不相同的各自独具的某些特性。各种塑料共有的特性有:比重小、机械性能较高、电绝缘性能优异并且化学稳定性好、耐水、耐油、加工成型方便,原料来源丰富。为了适应日益增长的电线电缆技术发展的需要,塑料将不断改进配方和性能,提高其耐热性和电压等级,提高材料的耐寒、耐大气老化性能、耐火阻燃性能,延长电线电缆使用寿命,同时,还将不断开发新型塑料并合理用于电线电缆上

1.1.1 聚氯乙烯(PVC)

聚氯乙烯塑料是以聚氯乙烯树脂为基础,加入各种配合剂混合而成的。其机械

性能优越、耐化学腐蚀、不延燃、耐气候性好、电绝缘性能好、容易加工、成本低,因此是电线电缆绝缘和护套用的好材料。

聚氯乙烯的主要性能

电绝缘性能:聚氯乙烯树脂是一种极性较大的电介质,电绝缘性能较好,但比

较非极性材料(如聚乙烯、聚丙烯)稍差。树脂的体积电阻率大于1015Ω·cm;树脂在25℃和50Hz频率下的介电常数ε为3.4~3.6,当温度和频率变化时,介电常数也随之明显的变化;聚氯乙烯的介质损耗正切tgδ为0.006~0.2。树脂的击穿场强不受极性影响,在室温和工频条件下的击穿场强比较高。但聚氯乙烯的介质损耗较大,因而不适用于高压和高频场合,通常用在15kV以下的低压和中压电线电缆的绝缘材料。

老化稳定性:从分子结构上看,氯原子都与碳原子相连,应具有较高的耐老化

稳定性。但在生产过程中,由于温度的直接影响和机械力的作用,易放出氯化氢,在氧的作用下,产生降解或交联,导致材料变色发脆,物理机械性能显著下降,电绝缘性能恶化,因此聚氯乙烯老化。为改善它的老化性,必须添加一定的稳定剂。

热机械性能:聚氯乙烯树脂为无定型聚合物,在不同温度下具有三种物理状

态,即玻璃态、高弹态、粘流态。聚氯乙烯树脂的玻璃化温度为80℃左右,粘流温度160℃左右。在常温下处于玻璃状态,这很难满足电线电缆使用要求。为此,必须将聚氯乙烯进行改性,使其在室温下具有较高的弹性,同时又兼有较高的耐热性和耐零性。加入适量的增塑剂能够调节玻璃化温度,以增加塑性,达到柔软性,提高机械性能。

电力电缆所用聚氯乙烯区分

绝缘有红、黄、绿、蓝、黑、白六种颜色,名称为J-70

护套有黑、白两种颜色,名称为H-70

注:另外还有柔软型聚氯乙烯料

1.1.2 聚乙烯(PE)

聚乙烯是一种乳白色的塑料,表面呈蜡状且半透明,是电线电缆较为理想的绝

缘和护套材料。其主要优点是:

1 优异的电气性能。其绝缘电阻和耐电强度高;在较宽的频率范围内,介电常

数ε和介质损耗角正切tgδ值小,且基本不受频率变化的影响,作为通信电缆的绝缘材料,是近乎理想的一种介质。

2 机械性能较好,富有可挠性,而且强韧,耐容性好。

3 耐热老化性能、低温耐寒性能及耐化学稳定性好。

4 耐水性好,吸湿率低,浸在水中绝缘电阻一般不下降。

5 作为非极性材料,透气性大,低密度聚乙烯的透气性是各种塑料中最为优良

的。

6 比重轻,其比重均小于1。高压聚乙烯尤为突出,约为0.92g/cm3;低压聚

乙烯虽其密度较大,也仅为0.94g/ cm3左右。

7 具有良好的加工工艺性能,易于熔融塑化,而不易分解,冷却易于成型,制

品几何形状和结构尺寸易于控制。

8 用它制作的电线电缆重量轻,使用、敷设方便,接头容易。

但聚乙烯还有不少缺点:软化温度低;接触火焰时易燃烧和熔融,并放出与石蜡燃烧时同样的臭味;耐环境应力龟裂性和蠕变性较差,在聚乙烯作为海底电缆和

落差较大(尤其是垂直敷设)电缆的绝缘和护套材料使用时应特别注意。

电线电缆用聚乙烯塑料

一般绝缘用聚乙烯塑料仅由聚乙烯树脂和抗氧剂所组成。

耐候聚乙烯塑料主要由聚乙烯树脂、抗氧剂、和碳黑组成。耐候性能的好坏取

决于碳黑的粒径、含量、和分散度。

耐环境应力龟裂聚乙烯塑料采用熔融指数0.3以下,分子量分布不太宽的聚乙

烯;对聚乙烯进行辐照或化学交联。

高电压绝缘用聚乙烯塑料高电压电缆绝缘的聚乙烯塑料要求高度纯净,还需要

添加电压稳定剂和采用特殊的挤塑机,避免气孔产生,以抑制树脂放电,提高聚乙烯的耐电弧、耐电腐蚀和耐电晕性。

半导电聚乙烯塑料是在聚乙烯中加入导电碳黑获得的,一般应采用细粒径、高

结构的碳黑。

热塑性低烟无卤阻燃聚烯烃电缆料该种电缆料是以聚乙烯树脂为基料,加入优

质高效的无卤无毒阻燃剂、抑烟剂、热稳定剂、防霉剂、着色剂等改性添加剂,经混炼、塑化、造粒而成。

1.1.3 交联聚乙烯(XLPE)

交联聚乙烯继承了聚乙烯击穿场强高、介质损耗小、绝缘电阻大、重量轻等优点,通过改变聚乙烯分子的线性结构为体型网状结构,来提高机械和耐热性能,改善耐环境老化性,如:聚乙烯绝缘电缆长期允许工作温度只有70℃,而交联聚乙烯绝缘电缆可达90℃,使相同截面电缆的载流量得以提高。

1.2 挤塑原理

挤塑机的工作原理是:利用特定形状的螺杆,在加热的机筒中旋转,将由料斗中送来的塑料向前挤压,使塑料均匀的塑化(即熔融),通过机头和不同形状的模具,使塑料挤压成连续性的所需要的各种形状的塑料层,挤包在线芯和电缆上。

1.2.1 塑料挤出过程

电线电缆的塑料绝缘和护套使是采用连续挤压方式进行的,挤出设备一般是

单螺杆挤塑机。塑料在挤出前,要事先检查塑料是否潮湿或有无其它杂物,然后把螺杆预热后加入料斗内。在挤出过程中,装入料斗中的塑料借助重力或加料螺旋进入机筒中,在旋转螺杆的推力作用下,不断向前推进,从预热段开始逐渐的

向均化段运动;同时,塑料受到螺杆的搅拌和挤压作用,并且在机筒的外热及塑料与设备之间的剪切摩擦的作用下转变为粘流态,在螺槽中形成连续均匀的料流。在工艺规定的温度作用下,塑料从固体状态转变为熔融状态的可塑物体,再经由螺杆的推动或搅拌,将完全塑化好的塑料推入机头;到达机头的料流,经模芯和模套间的环形间隙,从模套口挤出,挤包于导体或线芯周围,形成连续密实的绝缘层或护套层,然后经冷却和固化,制成电线电缆产品。

1.2.2 挤出过程的三个阶段

塑料挤出最主要的依据是塑料所具有的可塑态。塑料在挤出机中完成可塑过

程成型是一个复杂的物理过程,即包括了混合、破碎、熔融、塑化、排气、压实并最后成型定型。值的注意的是这一过程是连续实现的。然而习惯上,人们往往按塑料的不同反应将挤塑过程这一连续过程,人为的分成不同阶段,即为:塑化阶段(塑料的混合、熔融和均化);成型阶段(塑料的挤压成型);定型阶段(塑料层的冷却和固化)。

第一阶段是塑化阶段。也称为压缩阶段。它是在挤塑机机筒内完成的,经过

螺杆的旋转作用,使塑料由颗粒状固体变为可塑性的粘流体。塑料在塑化阶段取得热量的来源有两个方面:一是机筒外部的电加热;二是螺杆旋转时产生的摩擦热。起初的热量是由机筒外部的电加热产生的,当正常开车后,热量的取得则是由螺杆选装物料在压缩、剪切、搅拌过程中与机筒内壁的摩擦和物料分子间的内摩擦而产生的。

第二阶段是成型阶段。它是在机头内进行的,由于螺杆旋转和压力作用,把

粘流体推向机头,经机头内的模具,使粘流体成型为所需要的各种尺寸形状的挤包材料,并包覆在线芯或导体外。

第三阶段是定型阶段。它是在冷却水槽或冷却管道中进行的,塑料挤包层经

过冷却后,由无定型的塑性状态变为定型的固体状态。

1.2.3 塑化阶段塑料流动的变化

在塑化阶段,塑料沿螺杆轴向被螺杆推向机头的移动过程中,经历着温度、

压力、粘度,甚至化学结构的变化,这些变化在螺杆的不同区段情况是不同的。塑化阶段根据塑料流动时的物态变化过程又人为的分成三个阶段,即加料段、熔融段、均化段,这也是人们习惯上对挤出螺杆的分段方法,各段对塑料挤出产生不同的作用,塑料在各段呈现不同的形态,从而表现出塑料的挤出特性。

在加料段,首先就是为颗粒状的固体塑料提供软化温度,其次是以螺杆的旋

转与固定的机筒之间产生的剪切应力作用在塑料颗粒上,实现对软化塑料的破碎。而最主要的则是以螺杆旋转产生足够大的连续而稳定的推力和反向摩擦力,以形成连续而稳定的挤出压力,进而实现对破碎塑料的搅拌与均匀混合,并初步实行热交换,从而为连续而稳定的挤出提供基础。在此阶段产生的推力是否连续均匀稳定、剪切应变率的高低,破碎与搅拌是否均匀都直接影响着挤出质量和产量。

在熔融段,经破碎、软化并初步搅拌混合的故态塑料,由于螺杆的推挤作用,

沿螺槽向机头移动,自加料段进入熔融段。在此段塑料遇到了较高温度的热作用,这是的热源,除机筒外部的点加热外,螺杆旋转的摩擦热也在起着作用。而来自加料段的推力和来自均化段的反作用力,使塑料在前进中形成了回流,这回流产生在螺槽内以及螺杆与机筒的间隙中,回流的产生不但使物料进一步均匀混合,而且使塑料热交换作用加大,达到了表面的热平衡。由于在此阶段的作用温度已超过了塑料的流变温度,加之作用时间较长,致使塑料发生了物态的转变,与加热机筒接触的物料开始熔化,在机筒内表面形成一层聚合物熔膜,当熔膜的厚度超过螺纹顶与机筒之间的间隙时,就会被旋转的螺纹刮下来,聚集在推进螺纹的前面,形成熔池。由于机筒和螺纹根部的相对运动,使熔池产生了物料的循环流动。螺棱后面是固体床(固体塑料),物料沿螺槽向前移动的过程中,由于熔融段的螺槽深度向均化段逐渐变浅,固体床不断被挤向机筒内壁,加速了机筒向固体床的传热过程,同时螺杆的旋转对机筒内壁的熔膜产生剪切作用,从而使熔膜和固体床分界面的物料熔化,固体床的宽度逐渐减小,知道完全消失,即由固态转变为粘流态。此时塑料分子结构发生了根本的改变,分子间张力极度松弛,若为结晶性高聚物,则其晶区开始减少,无定形增多,除其中的特大分子外,主体完成了塑化,即所谓的“初步塑化”,并且在压力的作用下,排除了固态物料中所含的气体,实现初步压实。

在均化段,具有这样几个突出的工艺特性:这一段螺杆螺纹深度最浅,即螺

槽容积最小,所以这里是螺杆与机筒间产生压力最大的工作段;另外来自螺杆的推力和筛板等处的反作用力,是塑料“短兵相接”的直接地带;这一段又是挤出工艺温度最高的一段,所以塑料在此阶段所受到的径向压力和轴向压力最大,这种高压作用,足以使含于塑料内的全部气体排除,并使熔体压实,致密。该段所具有的“均压段”之称即由此而得。而由于高温的作用,使得经过熔融段未能塑化的高分子在此段完成塑化,从而最后消除“颗粒”,使塑料塑化充分均匀,然后将完全塑化熔融的塑料定量、定压的由机头均匀的挤出。

1.2.4 挤出过程中塑料的流动状态

在挤出过程中,由于螺杆的旋转使塑料推移,而机筒是不动的,这就在机筒

和螺杆之间产生相对运动,这种相对运动对塑料产生摩擦作用,使塑料被拖着前进。另外,由于机头中的模具、多孔筛板和滤网的阻力,又使塑料在前进中产生反作用力,这就使塑料在螺杆和机筒中的流动复杂化了。通常将塑料的流动状态看成是由以下四种流动形式组成的:

正流――是指塑料沿着螺杆螺槽向机头方向的流动。它是螺杆旋转的推挤力

产生的,是四种流动形式中最主要的一种。正流量的大小直接决定着挤出量。

倒流――又称逆流,它的方向与正流的流动方向整好相反。它是由于机头中

的模具、筛板、和滤网等阻碍塑料的正向运动,在机头区域里产生的压力(塑料前进的反作用力)造成的。由机头至加料口形成了“压力下的回流”,也称为“反压流动”。它能引起生产能力的损失。

横流――它是沿着轴的方向,即与螺纹槽相垂直方向的塑料流动。也是由螺

杆旋转时的推挤所形成的。它的流动受到螺纹槽侧壁的阻力,由于两侧螺纹的相互阻力,而螺杆是在旋转中,使塑料在螺槽内产生翻转运动,形成环状流动,所以横流实质是环流。环流对塑料在机筒中的混合、塑化成熔融状态,是和环流的作用分不开的。环流使物料在机筒中产生搅拌和混合,并且利于机筒和物料的热交换,它对提高挤出质量有重要的意义,但对挤出流率的影响很小。

漏流――它也是由机头中模具、筛板和滤网的阻力产生的。不过它不是螺槽

中的流动,而是在螺杆与机筒的间隙中形成的倒流。它也能引起生产能力的损失。由于螺杆与机筒的间隙通常很小,故在正常情况下,漏流流量要比正流和倒流小的多。在挤出过程中,漏流将影响挤出量,漏流量增大,挤出量将减小。

塑料的四种流动状态不会以单独的形式出现,就某一塑料质点来说,既不会

有真正的倒流,也不会有封闭的环流。熔体塑料在螺纹槽中的实际流动是上述四种流动状态的综合,以螺旋形轨迹向前的一种流动。

1.2.5. 挤出质量

挤出质量主要指塑料的塑化情况是否良好,几何尺寸是否均一,即径向厚度

是否一致,轴向外径是否均匀。决定塑化情况的因袭除塑料本身外,主要是温度和剪切应变率及作用时间等因素。挤出温度过高不但造成挤出压力的波动,而且导致塑料的分解,甚至可能酿成设备事故。而减小螺槽深度,增大螺杆长径比,虽然有利于塑料的热交换和延长受热时间,满足塑化均匀要求,但将影响挤出量,又为螺杆制造和装配造成困难。所以确保塑化的重要因素应是提高螺杆旋转对塑料所产生的剪切应变率,以达到机械混合均匀,挤出热交换均衡,并由此为塑化均匀提供保障。这个应变率的大小由螺杆与机筒间的剪切应变力所决定,在保证挤出量的要求下,可以在提高转速的情况下加大螺槽深度。此外,螺杆与机筒的间

隙也对挤出质量有影响,间隙过大时则塑料的倒流、漏流增加,不但引起挤出压力波动,影响挤出量;而且由于这些回流的增加,使塑料过热而导致塑料焦烧或成型困难。

第2章 挤塑机设备及辅助设备

电线电缆的塑料挤包是采用连续挤压方式进行的。通过挤塑机用螺杆挤压,将塑料包到导体或线芯上,构成电线电缆的绝缘层、屏蔽层、内护层、和外护套。 塑料挤出机组通常由放线装置及放线张力装置、校直装置、预热装置、挤塑机(主机)、冷却装置、火花试验机、计米装置、牵引装置、收线装置及控制系统等组成。

塑料挤出机的主机是挤塑机,它由挤压系统、传动系统和加热冷却系统组成。

挤压系统:挤压系统包括螺杆、机筒、料斗、机头、和模具,塑料通过挤压

系统而塑化成均匀的熔体,并在这一过程中所建立压力下,被螺杆连续的挤出机头。

螺杆:是挤塑机的最主要部件,它直接关系到挤塑机的应用范围和生产率,

由高强度耐腐蚀的合金钢制成。

机筒:是一金属圆筒,一般用耐热、耐压强度较高、坚固耐磨、耐腐蚀的合

金钢或内衬合金钢的复合钢管制成。机筒与螺杆配合,实现对塑料的粉碎、软化、熔融、塑化、排气和压实,并向成型系统连续均匀输送胶料。一般机筒的长度为其直径的15~30倍,以使塑料得到充分加热和充分塑化为原则。

料斗:料斗底部装有截断装置,以便调整和切断料流,料斗的侧面装有视孔

和标定计量装置。

机头和模具:机头由合金钢内套和碳素钢外套构成,机头内装有成型模具。

机头的作用是将旋转运动的塑料熔体转变为平行直线运动,均匀平稳的导入模套中,并赋予塑料以必要的成型压力。塑料在机筒内塑化压实,经多孔滤板沿一定的流道通过机头脖颈流入机头成型模具,模芯模套适当配合,形成截面不断减小的环形空隙,使塑料熔体在芯线的周围形成连续密实的管状包覆层。为保证机头内塑料流道合理,消除积存塑料的死角,往往安置有分流套筒,为消除塑料挤出时压力波动,也有设置均压环的。机头上还装有模具校正和调整的装置,便于调整和校正模芯和模套的同心度。

挤塑机按照机头料流方向和螺杆中心线的夹角,将机头分成斜角机头(夹角

120o)和直角机头。机头的外壳是用螺栓固定在机身上,机头内的模具有模芯坐,并用螺帽固定在机头进线端口,模芯座的前面装有模芯,模芯及模芯座的中心有孔,用于通过芯线;在机头前部装有均压环,用于均衡压力;挤包成型部分由模套座和模套组成,模套的位置可由螺栓通过支撑来调节,以调整模套对模芯的相对位置,便于调节挤包层厚度的均匀性。机头外部装有加热装置和测温装置。

传动系统:传动系统的作用是驱动螺杆,供给螺杆在挤出过程中所需要的力

矩和转速,通常由电动机、减速器和轴承等组成。

加热冷却装置 加热与冷却是塑料挤出过程能够进行的必要条件。

现在挤塑机通常用的是电加热,分为电阻加热和感应加热,加热片装于机身、

机脖、机头各部分。加热装置由外部加热筒内的塑料,使之升温,以达到工艺操作所需要的温度。

冷却装置是为了保证塑料处于工艺要求的温度范围而设置的。具体说是为了

排除螺杆旋转的剪切摩擦产生的多余热量,以避免温度过高使塑料分解、焦烧或定型困难。机筒冷却分为水冷与风冷两种,一般中小型挤塑机采用 风冷比较合适,大型则多采用水冷或两种形式结合冷却;螺杆冷却主要采用中心水冷,目的是增加物料固体输送率,稳定出胶量,同时提高产品质量;但在料斗处的冷却,一是为了加强对固体物料的输送作用,防止因升温使塑料粒发粘堵塞料口,二是保证传动部分正常工作。

2.1 辅助设备

塑料挤出机组的辅机主要包括放线装置、校直装置、预热装置、冷却装置、

牵引装置、计米器、火花试验机、收线装置。挤出机组的用途不同其选配用的辅助设备也不尽相同。如还有切断器、吹干器、印字装置等。

校直装置:塑料挤出废品类型中最常见的一种是偏心,而线芯各种型式的弯曲则是产生绝缘偏心的重要原因之一。在护套挤出中,护套表面的刮伤也往往是由缆芯的弯曲造成的。因此,各种挤塑机组中的校直装置是必不可少。校直装置的主要型式有:滚筒式(分为水平式和垂直式);滑轮式(分为单滑轮和滑轮组);绞轮式,兼起拖动、校直、稳定张力等多种作用;压轮式(分为水平式和垂直式)等。

预热装置:缆芯预热对于绝缘挤出和护套挤出都是必要的。对于绝缘层,尤

其是薄层绝缘,不能允许气孔的存在,线芯在挤包前通过高温预热可以彻底清除表面的水份、油污。对于护套挤出来讲,其主要作用在于烘干缆芯,防止由于潮气(或绕包垫层的湿气)的作用使护套中出现气孔的可能。预热还可防止挤出中塑料因骤冷而残留内压力的作用。在挤塑料过程中,预热可消除冷线进入高温机头,在模口处与塑胶接触时形成的悬殊温差,避免塑胶温度的波动而导致挤出压力的波动,从而稳定挤出量,保证挤出质量。挤塑机组中均采用电加热线芯预热装置,要求有足够的容量并保证升温迅速,使线芯预热和缆芯烘干效率高。预热温度受放线速度的制约,一般与机头温度相仿即可。

冷却装置:成型的塑料挤包层在离开机头后,应立即进行冷却定型,否则会

在重力的作用下发生变形。冷却的方式通常采用水冷却,并根据水温不同,分为

急冷和缓冷。急冷就是冷水直接冷却,急冷对塑料挤包层定型有利,但对结晶高聚物而言,因骤热冷却,易在挤包层组织内部残留内应力,导致使用过程中产生龟裂,一般PVC塑胶层采用急冷。缓冷则是为了减少制品的内应力,在冷却水槽中分段放置不同温度的水,使制品逐渐降温定型,对PE、PP的挤出就采用缓冷进行,即经过热水、温水、冷水三段冷却。

塑料挤出机的控制系统包括加热系统、冷却系统及工艺参数测量系统,主要

由电器、仪表和执行机构(即控制屏和操作台)组成。其主要作用是:控制和调节主辅机的拖动电机,输出符合工艺要求的转速和功率,并能使主辅机协调工作;检测和调节挤塑机中塑料的温度、压力、流量;实现对整个机组的控制或自动控制。

挤出机组的电气控制大致分为传动控制和温度控制两大部分,实现对挤塑工

艺包括温度、压力、螺杆转数、螺杆冷却、机筒冷却、制品冷却和外径的控制,以及牵引速度、整齐排线和保证收线盘上从空盘到满盘的恒张力收线控制。

2.1.1 挤塑机主机的温度控制

电线电缆绝缘和护套的塑料挤出是根据热塑性塑料变形特性,使之处于粘流

态进行的。除了要求螺杆和机筒外部加热,传到塑料使之融化挤出,还要考虑螺杆挤出塑料时其本身的发热,因此要求主机的温度应从整体来考虑,既要考虑加热器加热的开与关,又要考虑螺杆的挤出热量外溢的因素予以冷却,要有有效的冷却设施。并要求正确合理的确定测量元件热电偶的位置和安装方法,能从控温仪表读数准确反映主机各段的实际温度。以及要求温控仪表的精度与系统配合好,使整个主机温度控制系统的波动稳定度达到各种塑料的挤出温度的要求。

2.1.2 挤塑机的压力控制

为了反映机头的挤出情况,需要检测挤出时的机头压力,由于国产挤塑机没

有机头压力传感器,一般是对螺杆挤出后推力的测量替代机头压力的测量,螺杆负荷表(电流表或电压表)能正确反映挤出压力的大小。挤出压力的波动,也是引起挤出质量不稳的重要因素之一,挤出压力的波动与挤出温度、冷却装置的使用,连续运转时间的长短等因素密切相关。当发生异常现象时,能排除的迅速排除,必须重新组织生产的则应果断停机,不但可以避免废品的增多,更能预防事故的发生。通过检测的压力表读数,就可以知道塑料在挤出时的压力状态,一般取后推力极限值报警控制。

图2-1 挤塑机的组成

2.1.3 螺杆转速的控制

螺杆转速的调节与稳定是主机传动的重要工艺要求之一。螺杆转速直接决定

出胶量和挤出速度,正常生产总希望尽可能实现最高转速及实现高产,对挤塑机要求螺杆转速从起动到所需工作转速时,可供使用的调速范围要大。而且对转速的稳定性要求高,因为转速的波动将导致挤出量的波动,影响挤出质量,所以在牵引线速度没有变化情况下,就会造成线缆外径的变化。同理如牵引装置线速波动大也会造成线缆外径的变化,螺杆和牵引线速度可通过操作台上相应仪表反映出来,挤出时应密切观察,确保优质高产。

2.1.4 外径的控制

如上所述为了保证制品线缆外径的尺寸,除要求控制线芯(缆芯)的尺寸公

差外,在挤出温度、螺杆转速、牵引装置线速度等方面应有所控制保证,而外径的测量控制则综合反映上述控制的精度和水平。

2.1.5 收卷要求的张力控制

为了保证不同线速下的收线,从空盘到满盘工作的恒张力要求,希望收排线

装置有贮线张力调整机构。

2.2塑料挤出机螺杆

螺杆是挤塑机主机挤压系统的关键部件之一,它不仅起输送塑料的作用,同

时对塑料的挤压、塑化、成型的难易也起着极其重要的作用,所以合理选用螺杆结构和参数是获得理想的产品质量和产量的重要环节。

螺杆分为渐变形(等距不等深和等深不等距)和等距突变型,前者常挤PVC,

后者常挤低密度PE。

螺杆分三段,加料段对塑料压实和输送;压缩段进一步压实塑料,使之加热

塑化,全部成粘流态;均化段使粘流体输送中进一步塑化和均匀化,定压、定量、定温从机头中挤出。各段长度不同。

2.3温度控制系统

挤塑机的温度控制系统是由电加热和冷却组成,以实现挤塑机各区域温度的

升降和调节,控制适当温度可保证挤出质量。

2.3.1 温度控制机理

安装在挤塑机上的电加热器和冷却风机是主要的控制机构。由于电加热具有

升温、降温迅速的特点,而温度过高和过低都是挤出中要绝对避免的,所以电加热必须有一套灵敏度相当高的温度调节装置尤溪般包括有自动测量仪器、控制仪表,以及有效的冷却设施。在挤塑机的适当位置上(越接近塑料层越好)安装有测量元件热电偶,就是极其重要的温度检测元件。在加温和挤出过程中,测温元件热电偶随时测得的热电势信号被送到控温仪,经放大处理后与温度设定值比较,温度仪表指示不到设定值时,则继续加热,如接近或到达设定值,则按不同的调节规律仪表发出不同的指示信号。当超过设定值,则开动冷却风机,是机身得到冷却,使温度得以下降,回到预设定值。如此反复,自动控制或手动调节,使温度稳定在被控制值附近。

2.3.2 挤塑机的温控部位

根据挤出原理,挤塑机各部位的温度应有差别,可以用设置于各部位电加热

片的容量差别来实现。一般的,加料段容量最小,(压缩)塑化段和均化段容量要大

些,而机头是保温区,主要以加热克服散热,所以容易不大。在挤塑机中温控一般是根据加热片的多少分为6~8段,小型挤塑机一般分为六段,大型挤塑机分成八段,通过控制屏上温度仪表的显示,来对挤塑机的六个加热区进行温控。以六段加热挤塑机为例,六个温控区域部位如下图所示。挤塑机的六个温控部位或各加热段的温度,在控制屏上都可以在温度仪表上一一显示,由操作者直接观察而知,便于调整。

2.3.3温控各部位的作用

还是以六段加热挤塑机为例。六个温控部位在挤塑机的机头处有三个,机身

处有三个。温度可根据需要自动调节,但应满足工艺规定的温度范围。在使用过程中,加料段加热区温度较低,机脖加热区的温度较高,模具加热区的温度稍低,形成了一般温控部位由低到高到稍低的变化,这是由于各部位的作用而决定的。 1 机头1、2区的作用:机头区的温控,对塑料挤出表面质量起着决定作用,如果温度控制得合适,模具选配的恰当,塑料产品的表面就平整光滑。

2 机头3温区(机脖)的作用:塑料塑化好以后,在螺杆旋转作用下由机筒进入机脖,由于机脖容积较机筒小,又加上滤板的作用,产生较大的阻力,螺杆旋转产生的推力作用,塑料致密,并塑化压实,保证了塑化效果。此时需要较高的温度,有利于塑料熔体顺利的进入机头。

3 机身4、5温区的作用:此加热区为均化段和塑化段,由于螺杆转动的搅拌压缩作用,经过预热的固体塑料变成可塑的粘滞液体(熔融状态),在温度的作用下,塑料完成塑化均匀。

4 机身6温区的作用:颗粒状塑料从加料斗进入机筒内,由于温度的作用,塑料开始被预热,并把多余的气体从加料口排除。此段的温度控制不宜过高,以免影响颗粒塑料的下料,故为温度控制区域最低的加温区。

2.4控制温度的高低对产品质量的影响

温度是塑料由固体状态向粘流状态转变的有效手段,同时它也可能造成塑料

的烧焦或分解,温度低时,也可能造成严重的设备事故。由于塑料品种的不同,以及挤出速度、挤出外径、挤出厚度的不同,在实际的挤出过程中,温度控制不尽相同,因此对具体的品种采用相应的挤塑温度。另外,除塑料和结构尺寸造成的温度控制不同外,环境温度也应予以考虑。因此,严格按照工艺要求控制温度的高低,保证挤塑过程的顺利进行,保证良好的产品质量,是每一个操作者不可忽视的职责。

温度过高:指的是温度控制超过某种塑料的最佳塑化温度,容易使塑料焦烧

和老化,也容易产生气孔、气泡、气眼、定型不好等质量问题。温度过高,还会造成挤出过程中挤出压力波动,塑料在机筒内“打滑”,挤出量不稳,使挤包层和产品外径尺寸不均。

温度过低:指的是温度控制低于塑料的最佳塑化温度,造成塑料塑化不好,

挤出表面有树脂疙瘩或未塑化好的小颗粒。特别是合胶缝合不好,不但影响产品质量,还容易造成塑胶层脱节、裂纹、断胶等现象。因此,要严格按照工艺规定控制温度,不宜过高或过低。

在实际操作过程中,因设备新旧、外径大小的不同,挤制工艺有所不同,温

度控制也不尽相同,挤制绝缘和护套所用塑料一样,但因树脂中的添加剂不同,其温度控制亦有区别。另外,环境温度的高低也会影响挤塑温度的控制,冬天与夏天就要相差5~10oC。

第3章 挤塑过程中应注意的事项

3.1挤塑前的准备工作

按照生产任务单确定生产任务。

按生产任务单、工艺要求配备原材料、模具及印字轮等。

检查设备的各部位,确保正常,清理料斗,机筒及机头,确保无杂物及灰尘,

需要时必须将螺杆清理干净。

给挤塑机机身,机头及模具预热,并检查各区电流是否正常。当发现电流为0

说明加热系统有问题,应通知电工检查,及时采取措施,确保加热正常,热电偶应插入相应固定位置,接触有效,到达工艺设定温度至少保温半小时,才能开车。 根据电缆外径和长度准备好合适的收线盘,可参照挤塑装盘长度参照表。

检查电缆所经路径是否符合要求,水槽内导轮转动是否灵活,高度是否符合

规定,确保无擦伤,刮伤问题发生。需分段冷却的电缆,必须将第一节水槽内水加热至规定温度。

需印字的电缆按印字要求检查印字轮是否符合工艺要求、喷墨机喷码信息是

否正确,印字机配件是否齐全,有问题应及时修理好后方可使用。

准备好牵引线并试车观察螺杆的转动、牵引转速、放线、收线转动、加温控

制系统、各部分电气开关、上下水流通道等情况,确认无问题后开车生产。

3.2 开车

向料斗加料,打开插板、启动螺杆继续跑胶,应观察电压表和电流表的变化;

塑料从模套挤出后,观察塑料塑化情况,塑化良好后条,开始校正模具,使

厚度均匀;

按工艺要求取样检查塑料厚度、塑料质量,有无气孔等;

穿头引线,牢固接头。启动牵引,控制牵引和螺杆速度,有专人跟线芯端头,

以防进水或被卡断;

使计米器回零,准确计米,截去废线,检查厚度与偏心度,符合要求后方可

上盘;

人员分工合作,及时加料、注意温度、电流、电压、线速、螺杆转速、塑料

套外观和直径变化,并采取措施.

3.3 开车时注意事项

3.3.1遇到下列情况时必须停机清理机头并把料筒内剩余料推干净:

生产任务完成后无人接班时;温度控制过高,造成有塑料焦烧时;换不同品

种及不同颜色的料时,特别是深色换浅色时;停车在2小时以上时;由于其它原因停车,如制品质量不合格、停电、停水、待线、待盘等时。

3.3.2遇到下列情况时须停机清理机头、料筒、料斗、螺杆:

生产任务完成后该挤塑机长期不生产时;温度控制过高或长期生产产生焦料

时;当螺杆漏水或漏油时;换不同品种的料时,特别是护套料和绝缘料互换,绝缘料、护套料和内屏料互换或生产低烟无卤料、硅烷料时;生产硅烷料由于停机或生产时间长产生预交联料时;长时间生产护套挤出表面质量不好没有出螺杆时。

3.4 停车

停车先停停车牵引,再停主电机,关掉料斗插板,打开机头与机身连接螺栓,

跑净机筒内塑料,拆下模芯和模套,清理机头和筛板。

遇有下列情况之一应停车清理机头:生产任务完成后;发现塑料焦烧时;停

车1小时以上; 停电停水等特殊情况。

清理机头和螺杆应干净,之后应及时将机头和螺杆装好;记好交接班日记,

为下一班做准备模具、半成品、生产用盘;清扫机台和环境;全面检查机台后,关掉电、气和水源后,方可离开机台。

第4章 塑料的挤出工艺

4.1 材料的选择

材料选用如下表

4.2配模

4.2.1配模的理论公式

模芯 D=d+e (4-1) 模套 D=D+2δ+2△+e (4-2)

式中:D――模芯出线口内径(mm);

D――模套出线口内径(mm);

d ――生产前半制品最大直径(mm);

δ――模芯嘴壁厚(mm);

△――工艺规定的产品塑料层厚度(mm);

e――模芯放大值(mm);

e――模套放大值(mm)。

4.2.2 放大值e或e的说明

1绝缘线芯模芯e的放大值为0.5~3mm;

2绝缘线芯模套e的放大值为1~3mm;

3生产外护套电缆用模芯e的放大值、铠装电缆为2~6mm,非铠装为2~4mm; 4生产外护套电缆用模套e的放大值为2~5mm。

在实际生产过程中,模具的选配往往在操作规程或生产工艺卡中给出一定的经

验公式,如φ65挤塑机给出的模具选配公式(△为塑料挤包层的标称厚度)。

表4-2 模芯模套的选用

线芯或缆芯外径不均时,放大值取上限;反之取下限。在保证质量及工艺要

求的前提下,要提高产量,一般模套放大值取上限。

4.2.3选配模具的经验

16mm以下的绝缘线芯的配模,要用导线试验模芯,以导线通过模芯为宜。不

要过大,否则将产生倒胶现象。

抽真空挤塑时,选配模具要合适,不宜过大,若大,绝缘层或护套层容易产生耳朵、起棱、松套现象。

挤塑过程中,实际上塑料均有拉伸现象存在,一般塑料的实际拉伸在2.0mm

左右。根据拉伸考虑模套的放大值,拉伸比大的塑料模套放大值大于拉伸比小的

塑料模套放大值,如聚乙烯大于聚氯乙稀。

安装模具时要调整好模芯与模套间的距离,防止堵塞,造成设备事故。

图4-1 模头

4.2.4.配模的调整

1.模具的安装和拆卸

模芯安装:模芯安装在模芯支撑器上,一种为螺纹连接,另一种为插接。

模套安装:模套嵌入模套座内,再将模套座置入机头的膛腔内并径向固定,

再拧上压盖压紧模盖。压盖不要拧太紧,否则不利于初调偏心 ;

模具拆卸:顺序是:拧松模套调偏螺丝、卸下模盖、拿出模套、取出模芯支

撑器、取下模芯、清洗模芯和模套上的塑胶。清洗干净并妥善保管,以免碰伤模具 。

2.模具的调整

原则:面对机头,先松后紧;防止触电,和碰坏测温和加温元件;调模时模

套的压盖不要太紧,调好后一定把压盖压紧。

调模顺序:

空对模:间隙均匀后再拧紧对模螺钉;

跑胶对模:先松薄处螺钉,再紧厚处螺 钉,取样看厚度直到均匀后,把螺

钉拧紧。

走线对模:适合小截面的电线电缆的调模。步骤为穿线、与牵引线接好、跑

胶、螺钉微调、起车走线取样、停车测量厚度、螺钉微调、直到均匀后,把螺钉拧紧。

灯光对模:用灯光观察厚度适合聚乙烯、尼龙等透明塑料

感觉对模:用手指感觉塑料厚度再调模,适用于大截面

其他对模方式

利用游标卡尺的深度尺测量塑料层厚度,调整模具 ;利用对模螺钉的螺纹深

度调整模具;利用取样测量塑料层厚度调整模具。

特别提示

一般必须使模套的内锥角大于模芯的外锥角3~10°,保证挤出压力逐渐增大,

使塑料密实,但角度不能过大,否则挤出压力增大而降低挤出量。

4.3塑料的挤出温度

温度控制规律为低-高-低,参考温℃如下 :

塑料名称 加料段 塑化段 均化段 机脖 机头 模口

软聚氯乙烯 130-140 150-170 175-180 170-180 170-175 170-180

硬聚氯乙烯150-160 160-170 175-185 175-180 170-175 170-180

聚乙烯护套 140-150 180-190 210-220 210-215 190-200 200-210

泡沫聚乙烯 150-160 180-190 200-220 210-215 200-210 210-220

温度高低对产品质量的影响

材料本身特性、挤出速度、挤出外径、挤出厚度、挤出时的自然环境都对温

度控制有一定影响。

温度控制超高,容易烧焦和使塑料老化,也容易产生气孔、气泡、气眼等质

量问题。

温度控制过低,塑料塑化不好,有树脂疙瘩或未塑化好的颗粒,特别是合缝

不好,不但影响产品质量,还容易造成脱节、裂纹、断胶等缺陷。

在中密度PE和高密度PE的挤出过程中,如加料段温度过高,产生出胶不均

匀,均化段温度低同样会产生出胶不均匀,同时机身温度低将使挤塑机负荷增大,严重时造成设备事故。因此在中密度及高密度PE挤出中,必须严格控制螺杆回水,回水量与挤出PVC相比应小1/3,同时应严格控制温度,观察主机负荷,以保证挤塑质量。

4.4 塑料挤出的速度

需要提高螺杆转速提高挤出速度时,必须增加加热温度,控制机头压力;

挤出速度与挤出厚度、温度、材质有关。

4.5 牵引速度

要求牵引速度均匀稳定,与螺杆转速协调;牵引速度不稳定,容易产生竹节;

牵引速度过慢,容易堆胶或产生空管现象;牵引速度过快,容易拉薄厚度或拉断。

4.6 冷却及各种冷却的作用

螺杆冷却:其作用是消除摩擦过热,稳定挤出压力,促使物料搅拌均匀,提

高塑化质量,但其使用必须适当,尤其不能过甚。否则机膛内胶料骤然冷却,会导致严重事故的发生。而螺杆冷却,在挤出前是绝对禁止的,否则也会造成严重设备事故。一般来讲,对于温度要求高的材料螺杆回水的水量应适当放少,而对于温度要求低的材料,螺杆回水可适当放大,但必须注意电机负荷,防止负荷大,造成设备事故。

机身冷却:其作用是增加机身散热,以此去克服摩擦过热形成的温升,因为

这一温升在挤出中甚至在切断加热电源后也不能停止,而使合理的温度不能得到控制。因此必须增加散热,而使机身冷却,以维持挤出热平衡,考虑到机身各段的功能,均化段冷却尤其要注意。

产品冷却:产品冷却是确保制品几何形状和内部结构的重要措施,必须根据

挤出物料的结构特点,合理选择冷却方式,即急冷和缓冷。聚乙烯、交联聚乙烯急冷会产生内部应力,它是日后产生龟裂的内部结构原因之一。必须在加工中予以重视,不能用急冷,宜用分段冷却。冷却时应注意第一个水槽导轮的高度及与出模口距离的调整,防止缆芯拖模芯,冷却不充分一边压扁。

4.7挤塑工艺的技术要求

4.7.1.PVC和PE绝缘

有直接挤包和抽真空挤包之分;绝缘厚度应符合相应标准标称厚度要求;挤包

的内屏蔽层厚度应不包括在绝缘厚度内;绝缘的平均厚度应不小于标称厚度;绝缘的最薄厚度应不小于绝缘厚度标称值的90%-0.1mm

4.7.2.绝缘线芯的分色和打号

多芯电缆的绝缘线芯应按GB6995.4和GB6995.5进行分色和打号;

多芯电力电缆绝缘线芯应按下表进行分色和打号;

芯数

2

3

4

4.7.3.绝缘线芯质量要求

绝缘表面应光滑平整,不得有连续的竹节、波浪及偏心,绝缘截面不应有肉

眼可见的气泡、砂眼、杂质。绝缘塑化应均匀,无焦烧;绝缘线芯两端不应进水;绝缘线芯的识别标志应首位一致。

4.7.4.垫层

多芯电缆挤包内垫层最小标称厚度为1.2mm,测量任何一点的最小厚度应不低

于标称值的80%-0.2mm。

4.7.5.护套

1. 护套表面应光洁圆整,不得有连续的竹节、波浪及偏心,护套横截面不应

有肉眼可见的气泡、砂眼、杂质。护套应连续完整,护套厚度应符合规定要求。

2.直接挤在光滑表面的护套(如单芯电缆,无绕包层者)的护套任意一点的

最薄厚度应不小于护套厚度标称值的85%-0.1mm。

主线芯颜色 中性线芯颜色 主线芯号码 中性线芯号码 — 红 浅兰 1 0 红 黄 绿 — 1.2.3 红 黄 绿 浅兰 1.2.3 0

3.直接挤在非正规圆柱形表面的护套(如缆芯有绕包层、皱纹金属套者)的

护套任意一点的最薄厚度应不小于护套厚度标称值的80%-0.2mm

4.外护套表面应有厂名、型号、规格、制造长度 、制造年份等永久性识别

标志,可以是字轮凸印,也可以是色带热印和喷印。要求清晰、完整、连续、耐擦。

5.挤PVC和PE护套时,采用挤管式,对较大截面应同时抽真空。

6.塑料护套允许修补。修补后的护套质量应符合规定。

4.8 挤塑机常见质量缺陷,产生原因及消除办法

表 4-2 常见缺陷及消除办法

第5章 结论

2012年3月,我开始了我的毕业论文工作,时至今日,论文基本完成。从最

初的茫然,到慢慢的进入状态,再到对思路逐渐的清晰,整个写作过程难以用语言来表达。历经了一个多月的奋战,紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受,我感慨万千,在这次毕业设计的过程中,我拥有了无数难忘的回忆和收获。

3月初,在与导师的交流讨论中我的题目定了下来,是挤塑工艺,当选题报告,

开题报告定下来的时候,我当时便立刻着手资料的收集工作中,当时面对浩瀚的书海真是有些茫然,不知如何下手,随后我们进入工厂顶岗实习,在车间里不断的了解挤塑方面的知识,遇到有什么不懂得及时的询问师傅以及查阅资料,并且准备个笔记本,及时把这些资料记录下来,尽量使我的资料完整、精确、数量多,这有利于论文的撰写,然后我将收集到的资料仔细整理分类,随后进行论文的书写。在写作过程中遇到困难我就及时和导师联系,并和同学互相交流,请教专业课老师和车间的师傅。在大家的帮助下,困难一个一个解决掉,论文也慢慢成型。

这次毕业设计论文的完成,对我的影响很大, 脚踏实地,认真严谨,实事求

是的学习态度,不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练,是对我实际能力的一次提升,也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。

在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了,同学之间互相帮助,有什么不懂的大家在一起商量,听听不同的看法对我们更好的理解知识,所以在这里非常感谢帮助我的同学。

致谢

在此论文撰写过程中,要特别感谢我的指导老师田丰老师的指导与督促,同

时感谢他的谅解与包容。没有田老师的帮助也就没有今天的这篇论文。求学历程是艰苦的,但又是快乐的。在这三年的学期中结识的各位生活和学习上的挚友让我得到了人生最大的一笔财富。在此,也对他们表示衷心感谢。

参考文献

[1] 郭红霞. 电线电缆材料[M]. 河南:河南机电高等专科学校,2010

[2] 王卫东.电线电缆生产工艺[M]. 河南:河南机电高等专科学校,2010

[3] 韩中洗.电缆工艺原理[M]. 北京:机械工业出版社,1991

[4] 委尔康 现代电缆工程 沈阳:辽宁科学技术出版社,1989

[5] 王春江,电线电缆手册:第一册..2版.北京:机械工业出版社,2001.

[6] 徐应麟,电线电缆手册:第二册.2版.北京:机械工业出版社,2001.

[7] 田丰,电缆电气性能参数确定.时代经贸,2008.

[8]成都科技大学,塑料成型工艺学。北京:轻工业出版社,1983

范文七:海洋工程电缆课程设计 投稿:尹鎒鎓

目录

摘要................................................................ 2 绪论.................................................................................................. 错误!未定义书签。 第1章 海洋工程电缆.................................................................................................. 4

1.1 海洋工程用电缆介绍..................................................................................... 4 1.2 海洋工程电缆的品种系列............................................................................. 4 1.3 海洋工程用电缆技术性能............................................................................. 8 1.4 海洋工程用电缆选择.................................................................................... 11 第2章 典型海洋工程电缆介绍.................................................................................13

2.1 NEK 606中的RFOU和IEEE 1580中的Type P软电缆.............................13 2.2 海洋工程用脐带电缆....................................................................................14 第3章 海底光缆和海底光电复合缆.........................................................................16 3.1 海底光缆........................................................................................................16

3.2 海底光电复合缆............................................................................................19 第4章 海洋工程电缆和海底光缆的发展概况和前景分析.....................................22

4.1 海洋工程电缆发展概况及前景分析............................................................22 4.2 海底光缆发展概况及前景分析....................................................................23 4.3 对海洋工程电缆和海底光缆的展望............................................................25 致谢...............................................................................................................................26 参考文献.......................................................................................................................27

摘要

随着我国海洋事业的快速发展,海洋开发用电缆的应用越来越广泛,同样需求也会越来越大。这对于我国的海洋开发用电缆的发展是个难得的机遇。我国的海洋开发用电缆虽然发展速度较快,但相比于国外发达国家还是有一定的差距。本文主要介绍了海洋工程用电缆和海底光缆的结构、性能、应用、现状和发展前景。对我国的海洋开发用电缆做了简单系统的介绍和分析,并介绍了几种典型海洋开发用电缆。

关键词:海洋开发用电缆、海洋工程用电缆、海底光缆、发展前景

Abstract

With the rapid development of China's ocean career, ocean exploitation by cable used more widely, the same demand has increased. This for our country's Marine development with the development of the cable is a rare opportunity. China's ocean development by cable, though developing fast, but compared with the developed countries in foreign countries or at a distance. This article mainly introduced the ocean engineering with cable and of undersea optical cable structure, performance, application, the present situation and development prospect. The development of China's ocean with cable to a simple introduction and analysis of the system, and introduces several typical Marine development by cable.

Keywords: Marine development by cable, ocean engineering with cable, undersea

optical cable, the development prospect

绪论

我国有漫长的海岸线和广阔的海域,岛屿众多,海防任务艰巨。海洋工程电缆系统可以为岛屿和大陆间、岛屿间的通信、国土防卫、海中信号发送等提供稳定可靠的平台。因此随着开发利用海洋、国防等诸方面需求的不断增加,海底光缆组成的系统在军事、民用领域有着非常广阔的应用前景。

21世纪是海洋开发的新世纪,是发展海洋经济的新时代。海洋占地球面积的三分之二,然而人类的开发活动至今却主要局限在占地球面积三分之一的陆地上。开发海洋、发展海洋经济是整个人类生存和社会发展极为现实的必由之路。海洋有三个重要的组成部分:岩石圈、水圈和生物圈。岩石圈就是海底,水圈就是海水本体,生物圈就是生活在海洋里的各种生物。海洋资源与海洋产业,包括海洋生物资源、海水资源、海洋空间资源、海底矿产资源、能资源(石油、天然气、天然气水合物和海底热能等),以及深海生物基因资源等。其中海底石油与天然气勘探和开采,要建造很多石油平台,电缆是必备的配套产品,且数量庞大,持久时间长。随着世界各国对海洋资源的大力开采,海洋工程迅速发展,使得海洋工程用电缆的需求不断扩大,同时对其提出了更高的技术要求。这就要求我们不断地研究创新,从失败中总结教训,从成功中吸取经验,以便开发出技术含量更高的产品,满足海洋工程的配套新要求。

光纤作为迄今为止不可替代的通信媒介,是通信系统的基础和首选,已成为关系国家可持续发展的战略性产业。从近年来光纤光缆的应用发展趋势看,光纤通对海底光缆的依赖程度进一步增加。海底光缆(简称:海缆)通信具有通信质量稳定可靠,保密性好,隐蔽性好,抗毁、抗干扰等特点,无论是平时,还是战时,作为隔海通信手段,都具有其他任何通信手段所无法替代的优势。随着海缆在全 球范围内的广泛使用和上百万公里海缆线路的铺设,大容量海底光缆系统在现代社会的信息超高速公路中扮演了非常重要的角色。台湾海峡发生地震造成海底光缆断裂,引发互联网、国防通信、数据业务等大面积阻断事件,引起了人们对海缆进一步的广泛关注。

第1章 海洋工程电缆

1.1 海洋工程用电缆介绍

海洋工程用电缆是指配套在海洋工程项目上的特种电缆,如各类钻机模块,采油平台等项目所用的动力、控制和仪表电缆。其显著的技术特点为高机械强度、耐油污、防泥浆、防紫外线、成束阻燃/防火、耐高温、耐低温等。

海洋工程用电缆根据采用的标准、结构设计以及相关的技术性能要求的不同主要分为两大类,即主要客户是欧洲市场的挪威NEK606:2004标准电缆和客户群为北美的IEEE45:2002和IEEEl580:2001标准电缆。NEK606标准主要是无卤交联聚乙烯和无卤乙丙橡胶绝缘电缆,而IEEEl580则主要是交联聚烯烃(Type P)和乙丙橡胶(Type E)绝缘系列电缆。 1.2 海洋工程电缆的品种系列

海洋工程用电缆,覆盖了平台采油和气用各种常规作业电缆,也包括海底油、气资源钻探用电缆以及其他海底沉船、寻宝、地质和矿藏等探测电缆。海洋工程电缆设计并不太复杂,但制造技术较难,必须先具备大型装备,进行加工管道等元件的绞合成缆,其次是大型装铠设备,还有是特种试验设备。

海洋工程电缆,已经形成一个独立的电缆产品体系,从功能和结构来看,包括信号、同轴、双绞线组、高电压、大电流、光纤、流体、气体、钢丝铠装、芳纶加固棒铠装、中性浮力(比重基本与海水相等)、脐带缆和各种类型的复合缆。还有用于移动运行车(ROV)、拖曳声纳、潜艇声纳、海洋地质调查、海洋石油勘探、海洋石油地震系统、水下摄像、埋设电缆装备、海底工作站、海洋传感器等。尽管海洋工程电缆看起来似乎琳琅满目,实质上仍然不出电力、控制、信号、仪表、通信、视频、数字传输和光传输等功能范畴。不少场合需要结合使用条件,电缆具有复合结构和综合性能,并常需规定电缆直径的上限值。

1. 石油平台常用电缆

按照使用场合或功效,大致可分为以下几种,实际上结构和功能存在交叉: 1) 水上使用电缆

水上使用电缆,一般用于已电力、控制和仪表为主,电压大多数为1000 V级以下,有部分为3300 V。铜导体截面范围,大多在0.5~50 mm2 ,截面不一定按照铜导体标准系列,需按照电缆直径上限值调整,可采用交联聚乙烯、乙丙橡胶绝缘,电缆护套大多数采用耐水解的聚氨酯弹性体,基本不需铠装,一般也不需要有芳纶复合加强构件,见图1-1(a)。

2) 浅水使用电缆 浅水使用电缆,虽然敷设在水中,但水深很浅,所以也不需铠装和加强构件,电缆功能和结构与水上使用电缆差不多,见图1-1(b)。

3) 带状电缆

带状电缆使用数量较少,但便于电缆收放卷绕,有的以钢丝绳为主,见图1-1(c)。

4) 铠装电缆

铠装电缆是指镀锌双钢丝铠装电缆,钢丝外挤包护套,其材料可用高密度聚乙烯、聚氨酯、低烟无卤聚烯烃等,这类产品常标有电缆允许承载吨位值。电缆内部结构按用途而定,现代铠装电缆已经过很大的改革,具有很多综合功能,其中也包括光纤,见图1-1(d)。

5) 承重电缆

承重电缆是指芳纶加强件承担负重的电缆,有芳纶复合棒、芳纶纤维绳挤包护套和芳纶纤维编织三种类型,比铠装电缆有更多的优点,目前还是价格较贵。碳纤维的应用,今后也有可能,见图1-1(e)。

6) 综合光缆

光缆应用,将会引起更大的改革,虽有单纯的光缆,实际上多数产品结构,仍属于光-电综合缆,其中包括数据传输线组或同轴对,大多数光-电综合缆,用芳纶复合棒或芳纶纤维绳挤包护套或芳纶纤维编织加强,外护套大多挤包聚氨酯,是前沿品种之一,见图1-1(f)。

7) 管道检测用电缆,具有综合结构,包括同轴对,多个双绞线组,部分需有缠绕铝和聚酯复合带构成单元屏蔽,有的需要镀锡铜线编织总屏蔽,这部分电缆根据它的负重条件,设置芳纶加强构件或玻璃丝加强构件或芳纶纤维编织加强,电缆护套材料,应根据周围环境而定,有高密度聚乙烯、热塑弹性体、无卤阻燃聚烯烃、交联聚乙烯、阻燃聚氨酯等,见图1-1(g)。

8) 电视电缆

电视电缆用于监测场合,通常包含多个同轴对,还包含控制芯、通信线对和仪表芯,必要时需由铜线编织构成总屏蔽,有需要时由芳纶纤维编织构成加强层,见图1-1(i)和(j)。

图1-1 石油平台部分常用电缆示意图

2. 水下探测用电缆

1) 移动运行车(ROV)脐带缆和中性电缆

随着水下作业深度越来越深,作业精度提高,移动运行车(ROV)已广泛应用。现代的ROV,采用了更高清晰度的摄像和声纳,大容量、高带宽、低损耗的光纤传输成为主流,2--6根光纤加多根电源加少量铜导体信号线,成为ROV缆的内部标准配置,中层采用高密度聚亚胺脂(PUR),可在水下6000 m工作,脐带缆外层采用多层不锈钢丝铠装承重,TMS与ROV之间的中性缆,内层由芳纶纤维承重,外层采用耐压发泡材料,以保证光-电缆与海水的比重基本相同。 2) 声纳电缆

随着声学、数字、测控技术的高速发展,过去常用的多芯铠装拖曳电缆,已经不能满足声纳系统的要求,一系列完整的新型声纳电缆已经问世,如铠装同轴电缆,应用于侧扫声纳、鱼群探测声纳、吊放声纳等;光电拖曳缆,应用于现代先进的合成孔径声纳及主被动声纳阵列系统中;双绞线电缆用于舷侧声纳系统中,内部导线由4根屏蔽电源线和3个4线组组成。

3) 光电拖曳电缆

随着探索深度增加,水下拖曳设备体积和重量的不断增加和数据容量的不断增大,拖曳缆的设计要求也越来越高。根据目前市场的要求,安全工作载荷和破断力以及缆的外径可按要求选择定制,光-电拖曳电缆具有良好的拖曳特性。经典的拖曳缆设计,有三根光纤和三根电源芯,外层由三层铠装钢丝组成,外径仅为17.30mm,工作拉力却可达6吨。 4) 海洋地球物理和地震电缆

高性能的海洋地震炮缆,内部包含各种不同孔径的高压气孔,耐压力等级分3000psi、2000psi以及更小,结构中包括

44~122 芯的双绞或四绞数据线,以控制气枪的开合,双钢丝铠装承重的破断拉力可达60吨,最外为PUR外护套,起防水及保护作用。

海底地震仪(OBS)脐带缆,内部有电源线、信号线、单模或多模光纤,外层可为双层/三层不锈钢钢丝铠装,也可用芳纶纤维加固件铠装,拉断力可达77吨。 5) 同轴电缆

科学考察船以及CTD调查、吊放声纳等,长距离的铠装同轴缆是最常使用的,特性阻抗一般为50Ω或75Ω,通过信号搭载方式,中心导体可为水下设备供电及双向传输信号;由两层或三层钢丝铠装,或芳纶纤维加固件承重;不采用编织铜线屏蔽,改用缠绕的编织屏蔽带,以预防吊放物体过重,造成缆在通过滑轮时横向压力过大,使屏蔽层受挤压断裂,造成特性阻抗及抗电磁干扰等电气性能下降。

图1-2 水下探测用电缆示意图

6) 最新深海移动运行车(ROV)用光-电缆和柔软光缆

图1-3 最新深海移动运行车(ROV)用光-电缆和柔软光缆

1.3 海洋工程用电缆技术性能 1.3.1 NEK606标准电缆性能指标

挪威NEK 606作为海洋工程用电缆的权威标准,其对电缆的技术性能指标要求除了需IEC60092—359对热固性无卤材料SHF2的规定外,还重点强调了低烟、无卤、阻燃/防火、耐油和耐泥浆。 1. 低烟、无卤性能

由于海洋工程的环保要求,同时为避免火灾中毒性气体带来的“二次灾害”,NEK606要求海洋工程用电缆必须低烟无卤,满足国际电工委员会(IEC)相关标准的规定。具体的性能指标见表1-l。

表1-1 NEK606电缆低烟、无卤技术指标

2. 耐油

耐油性能是海洋工程用电缆最基本的技术要求,NEK606标准要求其必须满足IEC 60092—359对热固性无卤材料SHF2浸热油IRM 902后的指标,见表1-2。

表1-2 NEK606标准电缆耐油及耐泥浆技术指标

3. 耐泥浆

海洋工程,尤其是各类采油平台,因其作业环境的恶劣性及钻液的腐蚀性,为保证设备使用性能与安全,延长使用寿命,电缆必须耐泥浆。耐泥浆电缆护套材料为防泥浆热同性无卤聚烯烃SHF Mud,其除具备SHF2的全部性能外,更需符合表2的技术要求。 4. 阻燃/防火性能

阻燃/防火性能一直是电缆重点强调的技术性能,海洋工程用电缆由于使用环境油污的易燃性,高温性,对此更是重视。其要求阻燃电缆必须满足IEC 60332—3—22:2000描述的A类成束阻燃,防火电缆则需符合IEC 60331系列标准,如电缆外径不大于20mm,则采用IEC 60331—21:1999的描述,即(750℃,90min);如电缆外径大于20mm,则需满足IEC 60331—31:2002的规定,即(830℃,120min),以保证火灾情况下电路通畅。

1.3.2 IEEEl580标准电缆性能指标

与NEK606标准的侧重点不同,IEEE 1580重点强调了电缆的柔软性、耐高温及耐低温、耐气候、抗油、耐磨等性能。 1. 柔软性

由于海洋平台的敷设空间较小,为获得更小的弯曲半径,便于敷设,节省空间,IEEEl580推荐海洋工程用电缆导体采用符合ASTM B33或IEC 60228标准的5类导体。尤其对于大截面动力电缆,采用5类导体不但易于敷设,同时更加柔软,弯曲性能较好,更适于钻井作业需求。 2. 耐高温及低温

为满足寒冷地区使用电缆的需求,保证作业,IEEE 1580提出了电缆耐低温的要求,具体分为低温卷绕和低温碰撞性能,采用的试验标准为CSA C22.2 No.3,相关的温度为低温碰撞一35℃、低温卷绕一40℃。电缆经过CSA C 22.2 No.试验后,不应出现龟裂。

根据资料统计,目前设计的海洋工程用电缆可达到的最低温度性能指标通过了一55℃低温弯曲试验和一40℃低温碰撞的试验,以满足某些特殊地区 的作业气候要求。

除耐低温性能要求外,IEEE 1580和IEEE45对电缆的耐高温性能也提出了要求,将海洋工程用电缆导体最高额定工作温度划分为90℃,950C,1 10℃和125℃4个等级,以满足不同场合、不同设备设计的需要。其中海洋工程中用于勘探钻井的采油平台作业设备部分都需125℃的交联聚烯烃绝缘单芯软电缆以及110℃多芯动力软电缆(Type P),以满足大功率电动机载流需要。

耐高温性能不仅确保了电缆在设备作业过程中高温环境的安全,同时也增加了电缆的额定载流量。这样一来,使得在负载电流一定时,可采用更小截面积的电缆,从而在保证电缆性能的基础上获得较小的电缆外径,较轻的电缆重量,方便电缆敷设,节省平台空间。 3. 耐日光老化

很多海洋工程项目的电缆敷设在室外,如果设备作业在热带或亚热带海域,电缆必须是耐日光老化的,不然使用寿命会大打折扣,为此采用IEEE1580标准海洋工程电缆的客户一般也要求电缆具有耐气候老化性能。耐气候老化性能一般采用UL62,ULl581或MIL—DTL一24643的要求进行验证,具体的性能指标见表3。 4. 耐油和高机械强度

耐油性能作为海洋工程用电缆的通用性能,IEEE 1580电缆同样进行了要求。除此外,IEEE1580对电缆的机械耐磨性能有着很高的要求,因此符合IEEE 1580的海洋工程用电缆均有着优越的抗拉机械性能,见表1-3。 5. 无卤电缆护套特性

除上述各种性能外,对于环保型电缆,如护套为热固性无卤聚烯烃系列材料则其还需满足表1-4的要求。

表1-3 IEEE 1580标准电缆部分技术性能

表1-4 IEEE 1580低烟无卤电缆护套性能

1.4 海洋工程用电缆选择

海洋工程用电缆的选择需要综合考虑,从设备作业环境、敷设、成本等几个方面人手,全面权衡。 1.4.1 使用环境

海洋工程设备作为一个整体,敷设环境的不同对电缆的要求也不同。作为电缆使用者需要考虑电缆的敷设环境,如钻井平台的钻部分因其经常接触各类钻液,容易引起电缆老化,这部分所用电缆就要考虑具备耐油泥性能。如果是敷设在舱体内的电缆则不必耐油泥,应考虑电缆的低烟无卤性能。对于敷设空间较小,电缆弯曲厉害的地方则应选择软结构导体的电缆。 1.4.2 敷设条件

电缆的敷设需要遵循相关标准和规范的要求,在此前提下,选择更合适的电缆则值得研究总结,比如在电缆的柔软性、机械性能和重量及外径之间的

权衡。仅以CEPJ85/SC 3×50和CJPJ85/SC 3×50举例说明,见表1-5和表1-6。EPR和XLPE相比,虽然柔软,但密度大,机械性能没有XLPE

好;但XLPE相对较硬,为此就要综合考虑敷设需求。

表1-5 EPR和XLPE性能对比

表1-6 CEPJ85/SC和CJPJ85/SC对照表

很大的影响,对此设备设计者和电缆使用者需要综合考虑,平衡选择。

1.4.3 成本费用

除了电缆的性能外,成本也是电缆使用者需要考虑的一大因素。基于这点,可将电缆使用环境划分尽量细化,从而可以从电缆结构(比如仪表电缆需不需要双屏蔽)、护套材料(如要不要耐油泥、耐低温)、是否铠装等方面选择,这些构件都和电缆的成本有着密切的关系。

第2章 典型海洋工程电缆介绍

2.1 NEK 606中的RFOU和IEEE 1580中的Type P软电缆 2.1.1 电缆主要技术指标

①无卤、低烟、低毒(满足表1-1、表1-4要求); ②成束阻燃(符合IEC 60332—3—22); ③耐油泥(满足表2要求);

④耐高温1250C;低温碰撞——35℃,低温卷绕——40℃: ⑤柔软、外径小、重量轻、易敷设; ⑥耐气候、高机械强度(表1-4指标);

⑦优异电性能(绝缘电阻常数在20℃时不小于3670MΩ·km)。 2.1.2 电缆结构设计

根据设计的电缆性能指标确定电缆为耐高低温防泥浆海洋工程电缆,采用镀锡软结构导体交联聚烯烃绝缘无卤耐泥浆护套结构,电缆结构见图1。

图2-1 电缆结构

2.1.3 电缆设计选材

耐高低温防泥浆海洋工程用电缆需要在满足各种通用性能的前提下,改善电缆结构与用材,最终达到预设要求。为达到电缆柔软性易敷设的目的,导体采用高导电性的退火绞合软铜线,一般可用符合IEC60228的5类导体,特殊情况下也

可考虑6类结构。

绝缘材料经过多次试制,选择了耐高温的无卤交联聚烯烃。同时由于无卤聚烯烃材料的密度相对较小,电气性能优越,机械性能良好,这就使得绝缘线芯外径较小,为成品电缆外径小重量轻创造了条件。综合考虑电缆结构和技术性能匹配后,耐低温、防泥浆、耐气候的要求就要靠护套材料来实现。为此,护套材料可采用以EVA为基料的无卤热固性材料SHF Mud,通过改性混炼,不但满足NEK606标准耐泥浆要求,更可实现耐低温、高机械强度的性能。

同时对于电缆的填充材料采用高阻燃无卤纤维,编织材料用镀锡软铜丝,覆盖率在90%以上,既增加电缆的柔软性和抗拉拽性,又具有屏蔽效用。而聚酯带绕包则使得护套容易剥离,方便敷设填料穿孔。 2.1.4 电缆工艺流程设计

根据电缆结构的设计要求,为保证电缆的技术性能,最终设计的电缆的生产工艺流程为:

拉丝—退火—镀锡—束绞—挤绝缘—火花检验—交联—成缆—挤内衬层—编织—绕包—挤护套—印字—交联—检验—入库 2.2 海洋工程用脐带电缆

电缆适用于海底挖沟、海底打捞、海底采矿、海洋勘探、海底机器人等以及大型海底旅游项目等海洋工程。 1. 执行标准

产品执行企业标准Q/ZL 23-2008《海洋工程用脐带电缆》。 2. 电缆型号、规格

电缆的型号、规格根据用户的实际使用要求确定。 3. 电缆使用特性

海洋工程用脐带电缆是一种集电力传输、数字信号和视频信号传输等以及气体或液体输送等多功能于一体的高技术综合型电缆。

⑴电缆的额定电压根据用户的实际需要确定,通常可为450/750V、0.6/1kV、1.8/3kV和3.6/6kV,电力传输功率大,能给海底动力设备提供强大的电力。

⑵电缆具有结构稳定、性能优良的电磁兼容设计,能确保电缆具有良好的信号传输质量。工作频率为1~100MHz。

⑶电缆护套材料采用耐水性能优异的热塑性弹性体材料,机械强度高,耐磨性好,电缆的水密封性能优异。电缆具有高可靠性和耐用性。

⑷电缆的铠装层可设计成扭矩平衡性能好钢丝铠装结构,电缆具有良好的自然垂性,不易发生扭转。

⑸电缆的最小弯曲半径为电缆直径的10倍。 4. 典型电缆结构示意图

图2-2 海洋工程用脐带电缆

1—数字通信电缆屏蔽层; 2—数字通信电缆绝缘;3—数字通信电缆导体; 4—射频同轴电缆护套; 5—射频同轴电缆外导体; 6—射频同轴电缆绝缘; 7—射频同轴电缆内导体; 8—内动力线芯导体; 9—内动力线芯绝缘; 10—填充条;11—外动力线芯绝缘; 12—外动力线芯导体;13—外护套; 14—镀锌钢丝铠装内钢丝;15—镀锌钢丝铠装外钢丝。

第3章 海底光缆和海底光电复合缆

3.1 海底光缆 3.1.1 海底光缆的一般要求1.寿命和可靠性要求高

海缆技术要求的最大特点是对使用寿命和可靠性要求很高(使用寿命一般要求为25年) 。这是由于人们难以寻找海中埋设的海缆,海缆链路的建设和维护既费时又昂贵,更主要的是海缆链路具有重要的战略意义,链路的中断将会导致经济的重大损失。

1. 机械和电气特性要求高

海缆的使用寿命和可靠性的较高要求体现为对机械和电气性能的要求上,总体上要求:

(1) 在敷设和维修操作过程中,海缆能经得起在布缆船船头上重复拖拉和布放,因此须采用合适的松弛度和适当的安全裕量而精确地布放在海床上;

(2) 能够承受海底环境条件,特别是耐流体静压、耐磨损、耐腐蚀及耐海底生物的侵蚀;

(3) 当被铁钩、锚或渔具钩住时,应不断裂,对拖网船拖网或船锚等引起的损坏有适当的防护;

(4) 能经受得住从深海中打捞时回收、维修和替换。 3.1.2 海底光缆的新特点

海底光缆新要求体现在以下几个方面。 1. 技术要求已规范化

虽然海底光缆是光缆产品中的一个大类,且价格昂贵,但其国家标准的技术规范却形成较晚,早期海缆的技术要求全由供需双方协商确定,没有整体思想,这限制了技术的全面发展,直到现在才形成国家标准的技术规范,GBPT1848022001 海底光缆规范,其主要技术要求如表2-2所示。

从表2-2要求可知,海缆机械性能要求固然很高但并不特殊,其短暂拉伸负荷与外径的比(这是衡量光缆抗拉性能的重要参数) 一般在2~6 kNPmm 之间,所有金属加强光缆的抗拉性能都在此范围。图2-2为一些海缆的典型结构。以上结构中,光纤松套管为不锈钢管(称为光纤不锈钢管) ,铠装钢丝为镀锌钢丝或P和锌铝镁合金钢丝,内外护套为高密度聚乙烯。有些双层铠装光缆的外护层(或称为外被层) 为沥青P聚丙烯绳。当需要有导体或信号线时,其采用铜丝或铜(铝) 带。对有岩石层的浅海域所用的光缆外护层还需有麻被。

另外,还有一种紧结构海缆,该海缆中的光纤单元是把光纤埋入于聚胺酯弹

性体内所构成,海缆的外部结构与上述的一般的海缆相同。这种海缆目前只有美国和日本等国家生产。

光纤单元结构是光缆结构特征的标志。光纤单元为不锈钢管松套结构的海底光缆是我国第三代海底光缆;第一代海缆的光纤单元结构为骨架槽+ 铜(或铝)管结构;第二代海缆的光纤单元结构为热塑松套管+ 铜(或铝)管结构。

表2-2 海底光缆主要性能要求

纤应变应不大于规定值。在耐冲击和抗压试验中锤落高度为150 mm。在水密试验中,水压、渗水长度由海缆的应用环境确定。测试护套绝缘电阻和护套直流耐电压时,应使导体和不锈钢套管对地。 2. 对光纤的要求很高

由于要求使用寿命长,中继跨距较大(或无中继),海缆对光纤的要求很高。它要求光纤的筛选应变大、衰减系数低,但这样的光纤价格都较贵。当采用大输出功率的光纤放大器设计长距离光学链路时,还应考虑光纤的非线性效应(这种非线性在有色散的情况下产生脉冲展宽,并必然导致系统性能降低),这是对海缆的新要求。早期的海缆由于采用中继放大技术,对光纤没有这样高的要求。 3. 要求大长度

大长度尽管是各种光缆的普遍要求,但对海缆来说尤为重要。因为海缆连接困难,并且接头盒笨重,带接头的海缆也不利于敷设,多一个接点也必然增加一个损耗点(至少0.07dB),而且接头盒价格也很昂贵,总之海缆无接头为最好。 3.1.3 关键制造技术及难点

海缆在生产及其它方面较之其它金属加强光缆难得多,主要体现在以下几个方面。

1. 不锈钢管松套

光纤单元是光缆的核心部件,对所有种类的光缆都是关键技术和制造难点。但由于海缆的光纤单元采用了不锈钢管松套,这大大地增加了生产难度。其制造难点包括不锈钢管的焊接、光纤余长的控制和管内光纤膏的填充。

光纤不锈钢管的外径细(2.5~6mm)、管壁薄(0.2mm) ,质量要求非常严格,不仅要求结构圆形对称、外径均匀,更有无漏焊、虚焊等严格要求。海缆敷设于海底后要长期承受至少2MPa以上的水压,对钢管耐压要求极高,而在其它使用场合下

很少有如此高的要求。

由于钢管成型困难,致使不锈钢管内光纤余长的控制比热塑管内光纤余长的控制难得多,但光纤余长是光缆的一项重要参数,它涉及到光缆受到拉伸时光纤应变的问题。合理均匀的余长对保证光纤的使用寿命及可靠性起到非常重要的作用,一般认为控制在0.2%~0.5%之间最好。

不锈钢管内光纤膏的填充是生产中又一难点。由于钢管材料本身性质的影响,钢管内光纤膏的填充也较之热塑管内光纤膏的填充困难。据有关方面反映,不锈钢松套管的渗水现象已是这种光缆的常见不合格项,这主要是由钢管内光纤膏填充不满或不均所致。

不锈钢松套管大长度生产时问题更多,因为长度大,出现故障的概率必然多,但对不锈钢管的要求却是全长无疵点。 2. 钢丝铠装

海缆制造的另一个关键技术是钢丝的铠装。为增强抗腐蚀性,海缆要采用一种特殊的钢丝———锌铝镁合金镀层钢丝铠装。海缆的寿命某种程度上取决于铠装钢丝的耐腐蚀寿命。锌铝镁合金镀层钢丝的耐腐蚀寿命是镀锌钢丝的3 倍以上。为保护钢丝的合金镀层,钢丝铠装要非常小心,如果采用中碳钢丝,由于硬度大,铠装工艺就更难了。

由于海缆所采用的锌铝镁合金镀层钢丝外径粗(在2~6 mm之间,一般为其它铠装钢丝的2倍)、硬度大,因而铠装难度很大。铠装时要求拉力均匀、绞合节距稳定,对设备和工艺要求都较高。 3. 大长度生产

如上所述,大长度连续生产对海缆尤为重要,在应用上,单根海缆越长越好。但恰恰海缆的大长度生产非常困难。所有光缆,当生产长度大到一定程度时,其制造难度就不是单纯的数量增加,它涉及一系列问题。海缆生产的每道工序,随生产长度的增加出现质量缺陷的概率必然增大,而且海缆很粗很重也会带来收放线装置容量的大问题。

由于海缆一般采用高强度低衰减光纤,光纤的低衰减波段在1550 nm 区,而恰恰在该波段光纤对微弯极为敏感。光缆连续制造长度越长,光纤产生微弯的可能性就越大,加之海缆的外径较粗,护套完整性要求高(即绝缘电阻大) ,因而海缆的大长度生产更加困难。它不仅要求生产工艺非常稳定可靠,对生产设备及供电等都提出了很高的要求。

目前,国外海缆的连续生产长度的最高水平为100 km ,国内仅为50 km。而且国内的大长度生产技术仍未完全过关,这也是影响海缆应用的一大因素。 4. 试验和运输

由于海缆外径很粗、重量大,它的拉伸和渗水等试验及贮存运输设施也与一般光缆不同。它的拉伸试验一般是采用专用设备,贮存在专用水池中并需要导缆设施(从成缆机到水池) 。另外它的运输大多是采用水运(如海缆不是很长,也有采用陆路运输,运输成本也较低) 。这些都是造成海缆投资大,成本高的原因。 3.1.4 海底光缆的保护问题

从有关方面的报道得知,不论海缆采用的结构如何先进,国产海缆断裂现象仍时有发生。看来要想杜绝或减少海缆断裂现象,单纯地靠提高其机械强度是不行的。据业内人士说,海缆在敷设或维修的过程中从未出现过断裂。对沉静在海

底的海缆,真正被铁钩、锚或渔具钩断的很少,绝大多数都是被铁钩钩住后人为的砍断。因为铁钩一旦钩住光缆后很难脱钩,而光缆本身无电,所以钩挂者敢于大胆地把海缆砍断。因此,为防止被钩断而一味地追求海缆高强度显然是徒劳的,选择合适的路由并采取适当的保护措施(包括对破坏者加大处罚力度等) 才是最合理的。换句话说,防止海缆断裂的重点不应仅放在产品机械性能上,而更应放在敷设及应用保护上。

众所周知,在同一应用环境下,日、法、美等一些发达国家的海缆外径比国产海缆要细,这并非他们的海缆采用的加强材料多么好或设计多么先进。其实他们的海缆的机械强度并不大,但由于选择的路由及敷设方法恰当,以至他们的海缆很少在使用中发生断裂。 3.2 海底光电复合缆

海底光纤复合电力电缆(简称“海底光电复合缆”) 是一条既能传输电能,又能实现光纤通信的复合缆。与分别敷设海底电缆和海底光缆相比,海底光电复合缆具有综合成本低、施工时间短、敷设方便等优点,因而其越来越受到广大客户的欢迎。 3.2.1 结构设计

海底光电复合缆是在海底电力电缆的基础上再结合进光单元,以满足电力和通信同时传输的要求。图1 为我们所设计的长度为41 km 的YJQF41226/3523 ×120 +2 ×12B1 海底光电复合缆,其结构参数参见表2-1 。

海底光电复合缆中三根电力绝缘线芯采用通常的分相铅套电缆结构和交联聚乙烯(XLPE) 绝缘。为了防止和减缓XL PE 绝缘料中水树的生长,我们采用了新近研发的高洁净抗水树可交联聚乙烯( TR-XLPE) 。

本海底光电复合缆中放置在三根绝缘线芯边隙中的光单元具有纵向及径向阻水功能。在早期的设计中,我们曾采用过铝- 聚乙烯黏结护套的松套层 绞式全填充光缆作为光单元,虽然当时对纵包铝塑复合带的径向阻水性能也有点担忧,但这种结构的海底光电复合缆从2004 年在菲律宾某海域敷设至今,一直运行良好,说明铝—聚乙烯黏结护套的光单元结构在海底光电复合缆中的性能十分可靠。该结构光单元的优点是可含大芯数光纤,缺点是制造长度较短,一般不超过5 km。由于不锈钢束管纵向焊缝品质的稳定和提高,其径向阻水性能得到了业界公认,因而在现在的设计中,光单元的结构越来越多。

表2-1 本海底光电复合缆的主要结构参数

求,较多采用聚丙烯撕裂膜绞合的粗股绳。由于本海底光电复合缆是一条整根长度为41 km 的海底光电复合缆,自重大于1 300 t ,为防止在放置成品缆的水池中处于底部的缆受到上部缆压力而出现可能的变形损伤,我们在结构设计中采用了成形填充条,在三根电力线芯没有复合光单元的边隙中,填入扇形填充条;在复合光单元的边隙中,填入顶部挖去圆弧(为放置光单元)的扇形填充条。 3.2.2 制造工艺

1. 光单元

本海底光电复合缆的光单元制造除了一些参数控制不同外,与常规的光缆生产几乎一样。首先是光纤的余长控制。光单元中光纤的余长与光单元的结构、海底光电复合缆的抗拉特性和温度特性密切相关。在中心不锈钢束管中,光纤余长设计为0.3 %~0.5 % ,制造时光单元中光纤余长应严格控制在设计要求范围内,以使机械拉力的作用和温度的变化均不会对光纤产生应力,避免光纤产生附加耗。其次是纤膏填充率的控制。光纤对水和潮气产生的OH- 极为敏感,水和潮气会使光纤表面的微裂纹扩张,从而使光纤的强度显著下降。水与不锈钢束管的金属材料之间的化学反应所产生的氢会引起光纤的氢损,导致光纤的传输损耗增大,严重影响光单元的品质和使用寿命。为了防止水和潮气渗入不锈钢束管,不锈钢束管内纤膏的填充率应控制在90 %以上。填充率以实际填充的纤膏体积与理论计算可填充的总体积之比来计算。

光单元原材料尤其是光纤和纤膏的选择十分重要。通常根据用户的要求选用G.652光纤或G.655光纤。在海底光电复合缆中,光纤应采用具有较高强度、能承受较大应变的单模光纤。进厂检验时,光纤的筛选应变不小于1.5 %。纤膏除了要求有良好的物理化学稳定性外,还必须具有良好的温度稳定性,避免纤膏在低温下对光纤产生径向应力,引起光纤微弯,增加其低温附加损耗。为此,尽管是质量稳定的供应商提供的产品,进厂时也应请一些检验机构对纤膏的性能指标进行检测,尤其是对纤膏流变特性的检测。 2. 电力绝缘芯线及工厂软接头

本海底光电复合缆电力绝缘导体应采用阻水导体结构,导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽采用三层共挤生产。在电力绝缘线芯制造完后,应停放足够的时间再进入压铅工序,以便使XLPE 绝缘和屏蔽中的副产物尽量挥发掉。

海底光电复合缆一般采用整根长度连续、无中间接头的光单元。光单元结构尺寸小,容易做到连续大长度,而电力绝缘线芯由于受设备规范的限制,其制造长度不可能同海底光电复合缆的一样。因此我们只能按周转盘的最大长度容量分段制造电力绝缘线芯,在成缆及挤制护层时再进行工厂接头,达到连续大长度

的要求。在制作工厂软接头时,应注意以下几点:a. 接头区的电力绝缘线芯直径应不大于本体的110 %,以免接头太大而破坏复合缆的结构。b. 应使三相线芯的接头部位相互错开一定的距离,在三相接头完成后整个接头区的长度约6 m。c. 导体采用分层焊接,每层焊接的点也应相互错开。尽管分层焊接工艺复杂,所需时间长,但焊接后的直流电阻小(由于焊接过程中加了银焊片的缘故) ,抗拉强度高。d. 接头的导体屏蔽、绝缘挤制采用与电缆本体同样的材料。反应力锥尺寸应严格符合设计值,先用手工削制,再用机械打磨,最后用无水乙醇洗净粉尘,吹干。接头部位在XL PE 绝缘挤制后,先检测绝缘内有无气孔、杂质及偏心等,符合要求后,再进行硫化处理。e. 接头部位绝缘屏蔽的恢复,应先喷涂半导电漆,再缠绕0.6 mm ×25 mm 的半导电自黏带,外面再绕包0.6 mm 厚的半导电阻水带。f . 接头的铅管采用与电缆本体同样的铅合金材料。铅管在一端与电缆本体铅套焊接后,经3~4 道拉模拉拔,使铅管紧贴线芯,割去多余的铅管,再将铅管同本体焊接。铅包焊接过程中应严格注意焊接的温度和时间。最后再进行接头区防腐层和护套的恢复。

第4章 海洋工程电缆和海底光缆的发展概况和前景分析

4.1 海洋工程电缆发展概况及前景分析

目前海洋工程用电缆主要生产区域是美国和欧洲,对海洋工程项目入级最权威的是DNV和ABS,而他们认可的标准则是IEEE45,1580和NEK606。海洋工程在我国起步较晚,与之配套的电缆研究开发能力相对较弱。目前国内具备上述电缆生产资质的厂家屈指可数,国内项目所用上述电缆很大程度上仍依赖进口。

我国有很长的海岸线,海洋石油资源丰富,开采项目日益增加,海洋工程项目越来越多,加之很多发达国家海洋项目在中国的制造也势必倾向本土采购,这必定带动与之配套的海洋工程电缆的大发展。根据市场调研资料,目前国内一年所需的海洋工程用电缆至少要10 000km,如果全部国产化则会给国内的电缆制造商和使用者带来可观的利益。

特别介绍石油平台电缆市场分析

我国石油平台电缆的研制,起步于上世纪80年代。在开发我国海洋石油资源热潮的涌动下,当时的上海电缆厂、沈阳电缆厂、红旗电缆厂等具备船用电缆制造能力的工厂,都曾经研制过海上石油平台电缆。但是,当时在我国海域钻探和采油的大型平台基本上都是外国平台,小型平台是国产的。即使国产平台也提出使用外国的平台电缆,而国产平台电缆几乎完全被拒之门外。

由于石油平台电缆各项技术性能要求很高,国内研制起步较晚。为实现石油钻探设施专用电缆的国产化,国内有电缆厂参照GJB1916-94《舰船用低烟电缆和软线通用规范》、美国电气工程师协会标准IEEE 45-1998《IEEE推荐的船舶用电气设备规程》及美国SURPENANT公司DAA-1048B技术规范的要求研制成功了2000V及以下海洋石油与舰船用电力电缆,初步实现了石油平台与舰船电缆国产化。

随着我国电线电缆技术的提高,现在我国已经有不少工厂能够制造海上石油平台电缆,其中包括海底光电复合电缆以及平台上使用的各种电力、通信和仪器仪表电线电缆。石油平台的国产化,为我国平台电缆自主供应、替代进口提供了良好的市场条件。

不过,在平台电缆国产化的进程中,在华外资企业的竞争不可忽视。民族电缆工业能否竞争得过外资企业,还需要认真对待。在船用电缆和石油平台电缆市场上,主要的外资竞争对手是耐克森电缆公司。该公司的船用电缆已经成功地打入中国大型造船厂,几乎占领了中国船用电缆市场的半壁江山,将其石油平台电缆打入国产平台并不困难。

各类每座海上石油平台上电缆的用量大致为:

自升式平台150公里;

半潜式平台 180公里;

采油平台200公里;

生产平台200公里;

生活平台 100公里。

最近,韩国为俄罗斯建造的一座特大型海上石油平台,共用各类电缆720公里。据预测,我国每年新建、维修海上石油平台需要用各类电缆8000-10000公里。

我国拥有强劲的船舶研发能力,在开发石油平台电缆材料和电缆产品方面也有相当强的技术力量。我国已经制造了出口石油平台,说明我国平台电缆技术的成熟程度。举例来说:2007年1月12日,中国首台完全自主知识产权海上模块钻机启运墨西哥。这四套模块钻机包含一个64人的生活楼及配有2台45吨吊装能力、钻井深度达到7000 m的标准模块装置。《中海油》对其享有100%自主知识产权,钻机国产化率达到了92%。另据《中国水运报》称,大连中远船务为新加坡制造的半潜式钻井平台浮体已经下水拖往新加坡。每个半潜式钻井平台,其浮体通高14 m,长98.82 m,宽20.12 m,约有40多个密封舱,自重高达3200吨。

面对内需和出口的巨大海上石油平台电缆市场,国内平台电缆制造厂应集中目标、加强研发、找出产品突破点,积极开发技术含量高的高端平台电缆,不再在低端产品上徘徊不前。

4.2 海底光缆发展概况及前景分析

4.2.1 海底光缆发展趋势

海底光缆自诞生以来,随着电缆制造技术及材料工业的发展,其结构设计与工艺制造技术也在不断进步,为适应新的市场需求,海底光缆的技术发展出现新的趋势。

1.大芯数

近年来海底光缆与陆上的光缆一样对大芯数的要求日益增加,尤其是作为陆上网络一部分的沿海应用中。因此,光缆芯数要求从数芯至数百芯,对海底光缆的结构和制造工艺也提出了更高的要求。

2.松结构

特别是对海底光缆来说,由于对超高速宽带传输的需求增长,人们更需要具有较大有效面积的光纤,在成缆过程中,采用紧包缓冲结构的光纤会产生一定程度的弯曲,具有高灵敏度的大有效面积光纤更易受到紧包缓冲损耗增加的影响。两种结构下具有不同模场直径(MFD)的光纤衰减 ,在相同的模场直径下,松套结构光纤在成缆后产生的光纤附加衰减较低。此外,光纤余长的设计将有利于光缆应变的改善,松结构光缆因可提供一定的光纤余长,从而可减少光缆受拉时光纤受到的应变,因此目前国际海缆有从紧结构向松结构发展的趋势。

3.轻型化

以前海底光缆提供机械强度的铠装钢丝多采用低强度钢丝,在实现工艺上,低强度钢丝要易于高强度钢丝。德国西门子公司是世界首家改变海底光缆“粗笨”外形,采用微型结构的海缆公司,选用高强度钢丝(1770MPa) ,大大降低了海底光缆的重量和外径利于海缆有轻型化发展趋势。

2005年,美国国家安全局改装的吉米卡特号核潜艇下水,该潜艇最引人注目的特殊功能就是能进行海洋工程电缆中的海底光缆窃听。该潜艇装备有能够进行海底窃听的特殊挂舱,可以将海底光缆用特殊设备拖进挂舱,然后剥开光缆进行窃听,将窃听来的数据送入潜艇内的巨型计算机中进行解码、破译、记录,从中找出有用的情报。这使得海底光缆的安全问题变得严峻起来,因此,开展光缆防窃听技术研究,特别是针对最复杂的海底光缆通信线路,对国防信息安全传输意义重大且非常紧迫。

关于海缆的反窃听问题,实际上包含两方面内容,一是当海缆遭遇窃听时,我方能够及时发现,另一方面是开发可以避免窃听的海底光缆。

防窃听技术主要是利用光缆中的通信光纤作为传感媒质,采用光纤干涉技术,探知光纤在非正常外力的作用下受到微扰,参数变化情况,实现光纤遭到窃听时的高灵敏度监测,达到链路防窃听的目的。国内已有单位在开展这方面的研究,难题是如何将外界的背景噪声与真正的窃听区分开来。

通常海底光缆采用的是金属结构,防窃听海底光缆采用全非金属结构,可防止电磁、声学等探测采用高密度护层材料耐屏蔽,调整光缆密度至接近海底泥土密度,可以防止声纳探测。

4.2.3 国外海底光缆发展概况

20世纪80年代后期,在美国与英国、法国之间敷设了越洋的海洋工程电缆中的海底光缆(TAT-8)系统,全长6 700 km。这条光缆含有3对光纤,每对的传输速率为280Mb/s。这是第一条跨越大西洋的通信海洋工程电缆光缆,标志着海洋工程电缆的时代的到来。1989年,跨越太平洋海洋工程电缆中的海底光缆( TPC-3和HAW-4)系统建设成功,全长13200 km,从此,海洋工程电缆就在跨越海洋的洲际海缆领域取代了同轴电缆,远洋洲际间不再敷设同轴电缆。随着光纤技术的进步,海底光缆通信也得到了突飞猛进的发展, 20世纪90年代以来,掺铒光纤放大器(EDFA)与波分复用技术(WDM)的飞速发展推动了长距离、大容量、低成本无中继海底光缆通信系统的研制,而前向纠错、喇曼放大、遥泵光放等技术的综合利用,使得超大容量超长距离无中继海底光缆通信系统的研制有了突破性的进展,并已进入实用化阶段 。由于全球经济一体化发展及互联网对宽带的需求,海底光缆建设的热度从来就没降过,据报道,截止到2005年,全球海底光缆市场规模已达500亿美元。目前世界上已建成100多条海底光缆。与陆上光缆供应商相比,海底光缆供应商数量要少得多,目前世界上较大的海底光缆供应商有TyCom、NSW、KDD、NEC、NEXANS等。自1988年世界第一条海底光缆的建成到现在,国际海底光缆的发展只用二十余年的时间,在这短短的二十年里,海底光缆无论在技术的使用上、网络的安全上、建设的规模上,都发生了惊人的变化。而由于新材料、新工艺的发展,也为海底光缆的设计、制造提供了更多选择和优化的可能。世界上各大生产厂家相继研制开发出各种海底光缆结构,主要包括中心管式、骨架式和层绞式。

我国是一个海洋大国,大陆海岸线长达1. 8万多公里, 500平方米以上的岛屿6 500余座,拥有300多万平方公里的海洋面积,还在太平洋拥有7.5万平方千米的国际海洋专属开发权。我国的海底光缆研发始于20世纪80年代中期,与国际上基本是同步的。特别是最近几年,我国的海底光缆产业有了长足的进步和发展,产品质量已赶上国际先进水平,某些关键指标还有所突破,已形成海底光缆及配套接头盒研制生产能力。实际上国内海底光缆的发展基本是按照军用海缆建设的要求而开展的, 1986年中电8所中标国内第一条实用化海底光缆及接头盒项目,从此开始了国人海底光缆研发之路。产品结构从骨架式、中心塑料管式到目前的中心不锈钢管式,外铠钢丝从低强度发展到高强度及超高强度,已开发五代海缆及相适用的接头盒产品,产品性能始终保持与国外海缆同步。随着光通信网络的全球化,自1989年至今,中国参与了近20个国际海底光缆系统的建设与投资, 包括中日光缆(C-J FOSC)、中韩光缆(C-K,连接青岛和韩国,全长549km,传输速率564Mbps) 、环球光缆( FLAG,连接亚洲、中东和欧洲,全长3.9万km) 、亚欧光缆( SEA-ME-WE-3,连接亚洲、中东和欧洲)、中美光缆(CHINA-US,连接亚洲和北美,全长2.6万km)、亚太2号光缆(CPCN2)及东亚环球光缆(EAC)等,这些系统通达世界30多个国家和地区,以上线路的制造均为国外海缆公司提供,仅少量线路受损维修更换的海底光缆由国内提供。

4.3 对海洋工程电缆和海底光缆的展望

从能力上看,发展海洋工程用电缆和海底光缆问题不大,技术上也并非不可攻破。但不可否认,《十二·五》规划即将开始,中国的电缆工业基础已经具备了相当的实力,这个市场领域具有风险,设备投资较大,电缆需求绝对数量不大,交货周期较长,要获得丰厚利润并不轻而易举,打入国际市场的时间表,也并非屈指可数。因此,在《十二·五》规划期间,这问题值得中国电缆行业实业家深思。

海洋工程用电缆和海底光缆在我国具有广泛的市场前景,希望我们在老一辈电缆行业前辈的领导下,共同促进国内海洋工程电缆和海底光缆的发展。为我国的海洋工程事业增砖添瓦。

致谢

在写论文期间,通过查阅不同的资料,信息无形中就大大的加深了对各种设备的了解,对交联的整体过程也有了一个全新的认识.

从开始写论文至最终定稿,总共花费了我一个多月的所有业余时间.虽说很累,但内心深处却充满了深深的感激之情.感谢申环科技有限公司为我提供这次的学习机会,感谢王卫东老师的指导,感谢同学的帮助.在这里谨向为我提供帮助的所有人表示最真挚的感谢和深深的敬意!

参考文献

[1]李永江.海洋工程用电缆技术性能及设计选型[M].江苏远洋东泽电缆集团有限公司

[2]陆国梁.海底光缆的技术要求及设计[M].中天科技股份有限公司

[3]杨可贵.海底光缆的特点及有关技术的探讨[M].中国电子科技集团公司第八研究所

[4]王国忠.海底光电复合缆的研制[M].江苏通光强能输电线科技有限公司

[5]周厚强、叶信红.110KV光纤复合海底电缆光线单位的设计及应用[M].宁波电缆研究所

[6]乔月纯、李吉浩.电线电缆结构设计[M].电线电缆

范文八:通信电缆的敷设 投稿:冯蛟蛠

第3章 通信电缆的敷设

本章内容

1.电缆的单盘检验与配盘

2.通信电缆(架空、管道、直埋、水底、墙壁、楼内和进局)的敷设

3.用户引入线与引入设备

本章重点

1.电缆线路的主要敷设方式、各种敷设方法的要领、相关设备及工器具的使用

2.管道设备的组成、管孔的排列和敷设管道的工程知识

本章难点

1.电缆管道设备

2.全塑市内通信电缆的敷设方法、步骤和要求

本章学时数

24学时(理论教学18学时、实训教学6学时)

学习本章目的和要求

1.掌握电缆线路的主要敷设方式、各种敷设方法的要领、相关设备及工器具的使用

2.掌握管道设备的组成、管孔的排列和敷设管道的工程知识

3.技能方面:会正确进行架空电缆的架设、管道电缆的穿放;能完成用户皮线、引入线、室内线的安装

3.1电缆的单盘检验与配盘

为了保证工程质量,电缆敷设前应进行单盘检验和配盘工作,本节主要介绍电缆的单盘检验与配盘工作。

3.1.1单盘检验

单盘电缆检验的主要项目有:不良线对检验、电缆气闭性检验、绝缘电阻检验、耐压检验及全塑电缆传输端别(A、B端)标记检验等。

1.不良线对及其检验

(1)电缆中常见不良线对

电缆中的常见不良线对如图3—1所示,有下列几种:

①断线:电缆芯线断开。

②混线:芯线相碰触(又名短路)。本对线间相碰为自混;不同线对间芯线相碰为它混。 ③地气:芯线与金属屏蔽层(地)相碰,又称接地。

④反接:本对芯线的a、b线在电缆中间或接头中间错接。

⑤差接:本对芯线的a(或b)线错与另一对芯线的b(或a)线相接,又称鸳鸯对。

⑥交接:本对线在电缆中间或接头中间错接到另一对芯线,产生错号,又称跳对。

图3—1 常见不良线对

单盘检验中一般只作断线、混线和地气检验。全塑电缆不能剥除芯线绝缘层进行检验,—般可利用模块型接线子卡破绝缘,通过试线孔和试线塞子进行检验(或打开电缆护套后,用火将芯线端头绝缘烧掉,注意火灾,或采用交流信号电源利用电磁感应原理进行检验)。由于不良线对检验手续繁杂,费工费时,对于有信誉的厂商,可查阅电缆出厂检验记录,一般在工程上可不再进行。否则一定要进行不良线对检验。

(2)不良线对检验

①断线检验

图3—2 断线检验

断线检验,如图3—2所示。通过模块型接线子将一端短路,另一端用模块开路,在调

试端接出一根引线与耳机及干电池(3—6V)串联后再接出一根摸线连测试塞子,通过模块型接线子的测试孔与芯线接触,如耳机听到“咯”声,说明是好线,如无声是断线。

②混线检验

混线检验,如图3—3所示,测试端的接法与断线检验相同,另一端全部芯线腾空,当

摸线通过试线塞子和测试孔与被测芯钱接触时耳机内听到“咯”声,即表明有混线。

图3—3 混线检验

③地气检验

地气检验,如图3—4所示。电缆的另一端芯线全部腾空,测试端的耳机一端与金属屏蔽层连接,“摸线”通过试线塞子和模块型接线子的测试孔与芯线逐一碰触,当听到“咯”声时,

即表示有地气。

图3—4 地气检验

2.电缆气闭性检验

首先在全塑电缆的一端封上带气门的端帽,另一端

封上不带气门的热缩端帽,以便充入气体和测量气压。

充气时,在电缆气门嘴处通过皮管连接一个0~0.25MPa

(兆帕)的气压表,用来指示气压,充气设备本身及输

气管等不得漏气。充气设备可用人工打气筒或移动式充

气机,充入电缆内的空气要经过干燥和过滤,滤气罐一

般用有机玻璃制成,内装干燥剂(无水氯化钙或硅胶)。

使用时,一般应串接两个滤气罐如图

3—5所示。

充气前应空打1~2min,使充气设备内部的潮湿空

气全部排除。充气时尽量要速度均匀,当两端气压平衡

后,对于综合护套全塑电缆气压表读数等于50~

l00kPa)时应停止充气。隔3h(铠装电缆为6h)后检查

气压,如电缆密闭性良好,气压不会下降,如果气压下

降,说明电缆密闭性不好,应及时检查漏气点并进行修

理,达不到要求的电缆不得使用。

3.绝缘电阻的测量

图3—5 电缆充气检验示意图

绝缘电阻测量包括线间和单线对地(金属屏蔽层)的绝缘电阻。

0在温度为20 C,相对湿度为80%时,全塑市内通信电缆绝缘电阻一般填充型每公里不

小于3000MΩ;非填充型每公里不小于10000MΩ(500V高阻计)。聚氯乙烯绝缘电缆每公里不小于200MΩ。测试电缆芯线绝缘电阻,一般使用500V高阻计;500V、量程1000MΩ的兆欧表(又称摇表或梅格表)只能用来测量局内电缆(施工现场也可代用)。测试时,首先将电缆两端护套各剥开10~20cm左右,然后用高阻计或兆欧计测试。用摇表测试芯线间的绝缘电阻接线方法如图3—6所示。

将兆欧表的L接线柱接一根芯线,E接线柱接至另一根芯线,G保护环接地,测试时要把仪表放平,然后摇动手摇发电机,转速由慢逐渐加快,表针稳定后即可直接读出绝缘电阻值。

测试芯线对地绝缘电阻接线如图3—7所示。此时应将芯线与金属屏蔽层之间保持开路,L接线柱接至被测芯线,E接线柱接至金属屏蔽层,G保护环接至芯线绝缘层表面。通过模块型接线子和测试塞子,可测试芯线与地之间的绝缘电阻,测试方法与测试芯线间的绝缘电

阻相似。

图3—6 测试芯线间绝缘电阻 图3—7 测试芯线对地绝缘电阻

4.耐压测试

原则上所有电缆的芯线都应进行耐压测试,但在电缆质量比较稳定,绝缘电阻良好的情况下,也可以只对传输远供电源或在野外敷设的电缆进行测试。测试时可用输出电压相当的耐压测试器,根据通信行业标准规定的电压及时间进行。

要注意成盘电缆的盘号、型号及长度等,应与电缆出厂时的产品合格证一致。无屏蔽层的全塑电缆严禁在线路上使用。全塑电缆的端别应符合市内通信全塑电缆端别的标准。

3.1.2电缆配盘

各盘电缆的电特性不可能完全一样,长度也可能不同,按一定的要求将每盘电缆进行编组、配盘,把长度不等和电气性能不同的电缆安排在预定的段落内,以保证传输质量和合理的经济效果。这种选盘配放电缆的工作叫“配盘”。

电缆配盘必须以单盘电缆检验记录、线路图、电缆分歧点、递减点的分布等为依据。 市内通信全塑电缆主要是根据电缆的制造长度配盘。根据线路图所提供的各种规格的电缆所在段长和现有盘装电缆的实际情况,在一定地段配设指定盘上一定长度的电缆,以免造成任意截断电缆,既增加接头,又浪费材料。对线路图所提供的长度,尤其对电缆管道的实际长度要进行实地测量。

同一地段应布放同一类型的电缆,根据自然地段等情况,必要时布放特种电缆。 在配盘时要注意不要把不同厂家的电缆或不同结构的电缆混在一起布放,应把它们分类集中在一个段落内。另外还应熟悉敷设电缆的沿途地形,必要时还要实地查勘,要考虑到线路通过的特殊地段对电缆实际长度的影响。如“S”弯、电缆余长、留长等。

3.2架空全塑电缆的敷设

架空电缆是将电缆架挂在距地面有一定高度电杆上的一种电缆建筑方式,与地下电缆相比,虽然较易受外界影响,不够安全,也不美观,但架设简便,建设费用低,所以在离局较远,用户数较少而变动较大,敷设地下电缆有困难的地方仍被广泛应用。

架空电缆一般采用300对以下的全塑电缆,由于电缆本身有一定的重量,机械强度较差,所以除自承式电缆外,必须另设电缆吊线,并用挂钩把电缆托挂在吊线下面。

3.2.1架设电缆吊线

1.电缆吊线程式和选用

电缆吊线一般为7/2.2、7/2.6和7/3.0的镀锌钢绞线,这三种钢绞线的物理性能见表3—1。 表3—1 电缆吊线的物理性能

钢绞线及

线径(mm) 外径(mm) 截面(mm2)

重量(kg/mm)

单位强度(kg/mm2

)总拉断力不小于

(kg) 7/3.0

7/2.6

7/2.2 9.0 7.8 6.6 49.5 37.2 26.6 400 300 210 120 120 120 5450 4100 2930 1.7~2.0×1041.7~2.0×1041.7~2.0×1041.2×10-51.2×10-51.2×10-5弹性模数(kg/mm

2) 线性膨胀系数(1/0C)

选用吊线程式应根据所挂电缆重量、杆档距离、所在地区的气象负荷及其发展情况等因素决定。可参照表3—2所示。

表3—2 电缆吊线选用标准

一般情况下,一条吊线架挂一条电缆,如遇条件限制,在不超出表3—2所列范围内可在同一吊线上架挂两条较小对数的电缆,其重量总和不超出表中悬挂电缆重量W的标准。

2.吊线夹板装置

电缆吊线一般采用三眼单槽夹板(简称吊线夹板)固定在电杆上,夹板在电杆上的位置,应能使所挂电缆符合表3—3所示的最小垂直距离。

吊线夹板至杆梢的最小距离一般不小于50cm,如因特殊情况可略为缩短,但不小于25cm。各电杆上吊线夹板的装设位置宜与地面等距,如遇上下坡或有障碍物时,可以适当调整,所挂吊线坡度变化一般不宜超过杆距的2.5%,在地形受限制时,也不得超过杆距的5%。在同一杆路上架设有明线和电缆时,吊线夹板至末层线担穿钉的距离不得小于45cm,并不得在线担中间穿插。在同一电杆上装设两层吊线时,两吊线间距离为40cm。在电杆上放设

第一条吊线时,除特殊情况外,吊线夹板应装在面向人行道一侧。木杆和有预留孔的水泥杆,采用穿钉固定如图3—8所示。

无预留孔的水泥杆采用专用的吊线抱箍或二线钢担加以固定,如图3—9所示。

表3

—3 架空电缆与其它建筑物接近或交越时的最小空间垂直距离

名称 与线路方向平行时

垂直空距(m)

市内街道

市内里弄胡同

铁路

公路

土路

房屋建筑

河流 4.5 4.0 3.0 3.0 3.0 — — 备注 最低电缆到地面最低电缆到地面最低电缆到地面最低电缆到地面最低电缆到地面— — 与线路方向交越时 垂直空距(m)5.5 5.0 7.5 5.5 4.5 1.5 1.0 备注 最低电缆到地面 最低电缆到地面 最低电缆到地面 最低电缆到地面 最低电缆到地面 最低电缆到屋顶 最低电缆到最高水

位时的最高船桅

市内树木 — — 1.5 最低电缆到树枝的

垂直距离

郊区树木 — — 1.5 最低电缆到树枝的

垂直距离

通信线路 — — 0.6 一方最低电缆线与

另一方最高电缆线

图3—8 采用穿钉装一副吊线夹板 图3—9 水泥杆采用专用的吊线抱箍或二线钢担

固定吊线夹板的穿钉螺母,应与吊线夹板在同侧,穿钉长度要与梢径相适应,木杆上在穿钉两侧紧靠电杆处应各垫一片5×5cm的方形垫片,以免螺帽旋入木杆表层。在吊线夹板

与垫片间还应垫装螺母一只以防晃动,穿钉要安装端正,不得有歪斜现象。夹板安装完毕可装螺帽旋紧并至少露出1cm丝扣。在同一电杆上平行架设两条吊线时,应选用适当长度的无头穿钉,穿钉两端各伸出电杆约6cm,并在电杆两侧依次装上方形垫片、螺帽,吊线夹板和螺母旋紧后如图3—10所示。

吊线夹板的线槽朝上,在直线杆上吊线夹板唇口应面向电杆或支持物。在角杆上吊线夹板的唇口应背向吊线的合力方向。如图3—11

所示。

图3—10 采用无头穿钉装2副吊线夹板 图3—11 角杆上吊线夹板装置办法

3.布放吊线

布放吊线时,应先把已选择好的钢绞线盘放在具有转盘装置的放线架上,然后转动放线架上的转盘即可开始放线,布放吊线一般采用下列三种方法。

(1)把吊线搁在电杆上吊线夹板的线槽里并把外面的螺帽略微旋紧,以不使吊线脱出线槽为度,随后即可用人工牵引。

(2)将吊线放在电杆和夹板间的螺

帽上,但在直线上每隔6根电杆和转弯线

路上所有具有离杆拉力的角杆上(即外角

杆上),仍须把吊线放在夹板的线槽里[方

法同(1)]。

(3)先把吊线布放在地上,然后用

人工把吊线逐段搬到电杆与夹板间的螺帽

上(一般用杆叉)。但采用此法必须以不使

吊线受损、不妨碍交通、不会使吊线无法

引上电杆等为原则。

在布放吊线过程中应尽可能使用整条的钢绞线,以减少中间接头,并要求在

一个杆档内不得有一个以上的接头。

在电缆和明线的混合杆路上,电缆吊线必须在明线下面,并不得在线担中间穿

档敷设。 图3—12 在电力线上方布防吊线的方法

布放吊线时应特别注意安全,避免与电力线、电灯接户线、电车滑接线等相碰触。如吊线从电力线下面通过,应当用

lcm直径的麻绳把吊线往下拉紧,

以防止钢绞线弹蹦。当吊线跨越电灯接户线时,最好征得电灯接户线

的使用者同意,临时把接户线拆除,待吊线架挂好后再接上。吊线原则上应从电力线下方通过;但由于各种原因不得已从其上方通过时,应挂上直径大于lcm的干燥麻绳,紧捆在两端

电杆的吊线夹板上面的适当位置。麻绳本身绝对不能含有金属线或导电物质,同时在麻绳上每隔2m挂—只挂钩,在这些挂钩里穿入一根lcm直径的干燥麻绳,它的长度要比跨越杆间的杆档长,它的一端与钢绞线缠扎在一起并包以黑胶布,然后牵引这根麻绳引导吊线穿过所有挂钩从这根电杆到那根电杆,如图3—12所示。

布放吊线时如果遇到树木阻碍时,应先用麻绳穿过树木,然后牵引吊线通过。

电缆变更对数或线径时,所布放的吊线原则上可不改变程式,这样可避免施工的麻烦和日后小对敷电缆改大对数电缆时更换吊线的浪费,但设计另有规定时按设计要求办理。

4.吊线接续

吊线接续可分为下列几种方法。

(1)另缠法:此法使用3.0mm镀锌钢线进行另缠,要求缠扎均匀紧密,缠线不得有伤痕或锈蚀,缠线总长度的偏差不得超过2cm,如图3—13

所示。

图3—13 吊线接续另缠法

(2)夹板法:采用三眼双槽夹板接续吊线。如图3—14所示。夹板程式应与吊线相适应,7/2.6及以下的吊线用一副三眼双槽夹板,其夹板线槽的直径应为7mm;7/3.0吊线应采用两副三眼双槽夹板,夹板线槽的直径为

9mm,夹板的螺帽必须拧紧,无滑丝现象。

图3—14 吊线接续夹板法

(3)“U”形钢线卡法:此法采用10mm的“U”形钢线卡(必须附弹簧垫圈)代替三眼双槽夹板,将钢绞线夹住,如图3—15

所示。

图3-15 吊线接续“U”形钢线卡法

5.收紧吊线

吊线布放后即可在线路的一端作好终结,在另一端收紧。收紧吊线的方法可根据吊线张力、工作地点和工具配备等情况而定。一般可采用紧线钳、手拉葫芦或手搬葫芦等来收紧。具体方法是:先将吊线夹板全部螺帽松开,吊线一律放在吊线夹板线槽内,然后用紧线钳将

吊线初步收紧,再用手拉葫芦或手搬葫芦收至规定垂度后,将全部吊线夹板螺帽收紧。如果布放的吊线距离不长,可直接用紧线钳将吊线收紧到规定垂度。

收紧吊线时,一般要求每段不超过20杆档,如杆路上角杆较多或吊线夹板高低变更较大时,应适当减少紧线档数.在收紧吊线的过程中,应检查终端杆、角杆拉线的收紧情况,以保证施工安全。还要防止吊线收紧过程中碰到电力线或其它建筑物,各档吊线垂度应一致。不同程式的吊线,在同温度、同杆距下收紧的垂度也不同,这里所指的垂度为架挂电缆前的原始垂度。测量原始垂度时,可在吊线全程的最远端、最近端和中间处,分别用垂度规并配以温度计进行测量。各种不同程式的吊线,在不同负荷区的原始垂度请参见通信行业标准YD5051—97。

6.吊线的连结(俗称吊线结)

吊线沿架空电缆的路由布放,要形成始端、终端、交叉和分歧。由于更换电缆程式或角深过大等原因,要求对电缆做出不同的结,以增强线路的稳固性和规格标准化。

吊线连结的程式通常有:终端结(终结)、假终结、十字结、丁字结和辅助结等。制作的方法有另缠法、夹板扶和“U”形钢卡法。采用较多的是夹板法和“U”形钢卡法。

(1)一般吊线终结:在敷设吊线的终端杆、角深15m以上的角杆,按要求均应做终结,如图3—16所示。在木杆上或有预留孔的水泥杆上,吊线终结也可采用有孔穿钉法,如图3—17

所示。

注:所有缠扎线除注明者外,均采用ø3.0mm钢线进行缠扎

图3—16 一般吊线终结

图3—17 有孔穿钉法做终结

(a)合手终结另缠法

b)合手终结夹板法 (c)合手终结卡子法

(d)木杆假合手

(e)水泥杆假合手

图3

—18 合手结和假合手

图3—19 上下层间吊线终结的垂直距离

(2)两条同规格的平行吊线终结(俗称合手):两条同程式的平行吊线在一起做终结采

用图3—18所示方法。不同程式的吊线应分别做终结(或做假合手)。

(3)分层装设吊线终结:当电杆上挂有多层吊线时,应分层装设吊线终结,其上下层间吊线终结的垂直距离为40cm,如图3—19所示。

(4)假终结:如果相邻杆档的吊线程式不同时,为了使电杆受力平衡,应在电杆上做假终结和卸力拉线,各种吊线的假终结如图3—20所示。

(5)十字结:当两条同一高度的吊线交叉组成十字吊线时,应在交叉点做十字结,较细的吊线放在上面,如图3—21所示。

(6)丁字结:在市区无法由原有电杆作电缆分支线路或十字吊线时,如果分支线路负荷较小,可采用夹板法做丁字吊线,如图3—22

所示。

图3—20 各种吊线的假终结

图3—21 吊线十字结装置

图3—22 吊线丁字结装置

(7)辅助结:角深超过5m的角杆上应做辅助结,木杆角深为5~10m时采用4.0mm镀

锌钢线做辅助结;角深为10~15m时采用镀锌钢绞线做辅助结。水泥杆角深为3~8m时采用4.0mm镀锌钢线做辅助结,角深超过8m时采用镀锌钢绞线做辅助结,如图3—23所示。

(8)长杆档辅助吊线装置:当杆间距离超过60m或杆档距离虽在60m以内,但负荷过大的长杆档吊线,均应做长杆档正、副吊线装置,如图3—24

所示。

3—23 角杆吊线的辅助结装置

图3—24 长杆档正、副吊线装置

3.2.2吊挂式架空电缆的架设

架空电缆架设前,首先要对单盘电缆的规格、对数、气闭性能、电性能等进行检查,符合要求后才能进行敷设。电缆架设前后不得有机械损伤,架设时电缆必须从电缆盘上方放出,避免与支架、障碍物或地面摩擦与拖拉。电缆弯曲的曲率半径必须大于电缆外径的15倍。

100对及以上的全塑电缆的敷设应按下列规定置放A、B端:

汇接局~分局,以汇接局侧为A端;分局~支局,以分局侧为A端;局~交接箱,以局侧为A端;局~用户,以局侧为A端;交接箱~用户,以交接箱侧为A端。

汇接局、分(支)局、交接箱之间布放电缆时,端别要力求做到局内统一。可以以一个交换区域的中心侧为A端,也可以以局号大小来划分,或以区域交换的汇接局、分(支)局、交接箱侧为A端。

架设吊挂式全塑电缆线路有预挂挂钩法、动滑轮边放边挂法、定滑轮牵引法和汽车牵引动滑轮托挂法。

1.预挂挂钩法

此法适用于架设距离200m左右并有障碍物的地方,如图3—25所示。

首先在架设段落的两端各装

设一个滑轮,然后在吊线上每隔

50cm预挂一只挂钩,挂钩的死钩

应逆向牵引方向,以免电缆牵引时

挂钩被拉跑或脱落。线路转弯时应

在角杆上装设滑轮并在杆上有人

用手带动电缆,以免电缆损伤。在

挂挂钩的同时,应将一根细绳或铁

线穿过所有的挂钩和角杆滑轮,细

图3

—25 预挂挂钩法 绳或铁线的末端绑扎一根抗张力

大于1.4t的棕绳,利用细绳或铁

线把棕绳带进挂钩里,在棕绳的末

端用网套与电缆相连接,连接处绑

扎必须牢靠和平滑,以免经过挂钩

时发生阻滞。

电缆盘由电缆拖车或电缆支

架托起,并用人力转动。另一端用

人力或机械牵引棕绳,引导棕绳穿

图3—26 动滑轮边放边挂法 过所有挂钩,将电缆布放在吊线

上,布放后应作沿线检查,补挂或

更换部分挂钩。

2.动滑轮边放边挂法

此法适用于杆下无障碍物,虽不能通行汽车,但可以把电缆放在地面上,且架设的电缆距离又较短的情况。如图3—26所示。

首先在吊线上挂好一只动滑轮,在动滑轮上拴好拉绳,在确保安全的条件下,将吊椅(坐板)与滑轮连接上,把电缆放入滑轮槽内,电缆的一端扎牢在电杆上,然后一人坐在吊椅上

挂挂钩,2人徐徐拉绳,另一人往上托送电缆,使电缆不出急弯,4人互相密切配合,随走随拉绳,随往上送电缆,按规定距离挂好挂钩。电缆放完,挂钩也随即挂好。

3.定滑轮牵引法

此法适用于杆下有障碍物不能通行汽车的情况下。如图3—27

所示。

图3—27 定滑轮牵引法

首先将电缆盘架好,把电缆放出端与牵引绳扎紧,然后在吊线上海隔10m左右挂一只定滑轮,在转角及必要处加挂滑轮,以免磨损电缆。定滑轮的滑槽要与电缆直径相适应,将牵引绳穿过所有定滑轮,牵引绳末端连接电缆网套,另一端用人力或机械牵引。牵引速度要均匀,稳起稳停,动作协调,防止发生事故。放好电缆后及时挂好挂钩,同时取下滑轮。

4.汽车牵引动滑轮托挂法

此法适用于杆下无障碍物而又能通行汽车,架设距离较大,电缆对数较大的情况。如图3—28

所示。

图3—28 汽车牵引动滑轮托挂法

架设时,先在汽车上把电缆盘用支架(俗称千斤)托起,使之能自由转动,并将电缆盘大轴固定在汽车上,然后将电缆放出适当长度,将其始端穿过吊线上的一个动滑轮,并引至始端的电杆上扎牢。再将牵引绳一端与动滑轮连接,另一端固定在汽车上,在确保安全的条件下,把吊椅与动滑轮用牵引绳连结起来。一切准备工作就绪后,汽车徐徐向前开动,人力转动电缆盘,放出电缆,吊椅上的线务员一边随牵引绳滑动,一边每隔50cm挂一只电缆挂钩,直到电缆放完,挂钩挂完为止。

吊挂式全塑架空电缆架设时,每隔5~8档在电杆处留余弯一处。如图3—29所示。

图3—29 电缆余弯

电缆架设后,两端应留1.5~2m的重叠长度,以便接续。截断后的电缆头应立即封上端帽或包上胶带以防受潮。

吊挂式架空电缆一般采用电缆挂钩将电缆吊挂在吊线上,电缆挂钩的程式应与电缆的直径相适应。选用挂钩的程式可参照表3—4。 表3—4

电缆挂钩的选用 电缆外径(

mm)

12以下

12—28

19—24

25—32

32以上 挂钩程式(mm) 25 35 45 55 65

挂电缆挂钩时,要求距离均匀整齐,挂钩的间隔距离为50cm,电杆两旁的挂钩应距吊线夹板中心各25cm,挂钩必须卡紧在吊线上,托板不得脱落。

吊挂式架空电缆在吊线接头处,不用挂钩承托,改用单股皮线吊扎或挂带承托。 3.2.3自承式架空电缆

1.自承式架空电缆在电杆上的架设方法

自承式架空电缆不需另装吊线和电缆挂钩,可在杆路上直接架挂,其垂度比吊挂式电缆的垂度略大。

木杆和有预留孔的水泥杆在直线路上,自承式架空电缆用单眼曲槽夹板或三眼单槽夹板固定。与吊挂式架空电缆的不同之处是:夹板槽口向下,把自承式架空电缆的钢绞线放于夹板下方槽内,三眼单槽夹板的另一块夹板要倒置扣好,如图3—30所示。

在角深大于10m的角杆上,自承式架空电缆应加装与自承式钢绞线规格相同的加强钢绞线做辅助结,如图3—31所示。

在杆路上出现有俯角的坡度变更时,应将三眼单槽夹板倒置使用,将自承式架空电缆的钢绞线放进夹板上方的线槽内,如图3—32所示。

3—30 自承式架空电缆的夹板装置

图3—31 自承式架空电缆在角杆上的装置

图3—32 有俯角的电杆上夹板的装设

2.自承式架空电缆钢绞线终结的做法与吊挂式架空电缆相同,在终端杆、自承式架空电缆程式变换处以及角杆等处,自承式架空电缆都须做终结或假终结,其做法有两种:

(1)利用电缆本身的钢绞线剥去电缆护层在电杆上做终结。但在剥除外护层时不要破坏电缆的护套,7/2.2钢绞线终结及拉线做法如图3—33

所示。

图3—33 自承式架空电缆在电杆上做终结

(2)为了节省电缆,可使用与自承式架空电缆钢绞线相同程式的辅助钢绞线与电缆钢绞线接续后,再用该辅助钢绞线做终结,假终结。

3.分歧与十字交叉

自承式架空电缆在分歧处应做丁字结,其方法与吊挂式架空电缆相同。如因条件限制,分歧点不在电杆处时则如图3—34所示。

两条自承式架空电缆十字交叉时,主干(或大对数)电缆宜置于下方,十字交叉高度间距小于40cm时,应在交叉点作固定,如图3—35所示。

自承式架空电缆与吊挂式架空电缆十字交叉时,吊挂式架空电缆宜置于下方,交叉高度间距小于40cm时,应做十字交叉固定,如图3—36

所示。

3—34 自承式架空电缆丁字结

图3—35 两条自承式架空电缆十字交叉

图3—36 自承式架空电缆与吊挂式架空电缆十字交叉

3.3电缆管道设备

电缆管道是用以穿放电缆的一种地下管线建筑,与其它电缆敷设形式相比具有以下特点:

●容量大,可以在管道中穿放多条大对数电缆。

●管块可以容许对称重叠敷设,占用地下断面较小,有利于市政建设统筹安排其它各种地下管线,同时由于架空电缆的减少,有利于美化城市。

●便于施工和维护,因为电缆可以在管道中随时穿放随时抽换,当电缆发生障碍时也便

于测试和检修,缩短障碍历时。

●管道可以减少电缆直接受到外力破坏,能够进—步保证通信安全。

●即使是已建设多年的管道,也可以根据图纸、资料查找管道平面位置和埋深,便于技术管理和查询。

电缆管道符合技术先进,经济合理的原则。在城市走向现代化的今天,除主干电缆线路上建筑主干管道外,分支配线电缆也应采用配线管道,把电缆从管道人(手)孔中直接引入用户建筑物内,实现城区通信线路的全地下化。这样做虽然初次投资大一些,但从长远考虑,还是比较经济的。

3.3.1管道系统的组成

电缆管道是由人孔、手孔、管路三部分构成的,按照使用性质和分布段落分类,可分为用户管道和局间中继管道。

1.用户管道

用户管道是从电话局电缆进线室引出,穿放用户电缆的管道,按其使用要求,可分为主干管道和配线管道。

(1)主干管道:采用隧道或多孔管道两种建筑形式,一般用来穿放400对以上的主干电缆。标准的管孔直径为90mm,为了适应现代通信的需要和塑料管道的普遍使用,管孔直径可以小到25mm,大到110mm,用于穿放各种规格的全塑电缆和光缆。为了便于抽穿和经常维护、检修电缆,在多孔管道中,每隔120~150m设置人孔或手孔一个。主干管道一般应建筑在人行道上或车行道的一侧。

(2)配线管道:是主干管道的分支,用于穿放配线电缆。由于配线电缆对数较小(300对以下),管孔直径可以小一些,管孔数量也可以少一些(一般为2~3个)。为了便于用户配线和维护检修,每隔50~100m设置手孔一个。配线管道常常直接引入邻近的用户建筑物内,通常建筑在街坊的人行道上或里弄胡同,如图3—37所示。

在用户密度不高的地区,可以不作配线管道,而利用主干管道由人孔或手孔引上电杆,

采取架空电缆配线方式。

图3—37 配线管道伸入街坊建筑物示意图

2.局间中继管道

局间中继管道是建筑在分局与分局或市话局与长途局之间的管道,供穿放局间中继光缆或电缆使用。为了节约费用,往往将用户电缆与中继电缆合用—条管道,使得用户管道与中继管道的划分,在实际上失去了明确的界限。

3.管道建筑方式

通信管道在建筑方式上,一般有隧道、管道、渠道三种类型。

(1)隧道:隧道的建筑方式一般以钢筋混凝土为基础,以拱型钢筋混凝土预制件做上覆,两侧壁则用l00号机砖砌筑或浇注钢筋混凝土而成,如图3—38所示。隧道适用于容量很大的市话局,多用在电缆条数多、对数大的进局段落或主干路由上,必须在市政建设部门对城市地下管线的统一安排下进行建筑。隧道的优点是容量大、可以穿放电缆条数多、维护检修非常便利(不象多孔管道,电缆在管孔中发生故障无法修理,必须将电缆抽出更换),

它的缺点是投资大、占用地下断面较大、防水要求高、在水位较高的城市建筑比较困难。

图3—38 隧道

(2)管道:管道就是现在普遍采用的4、6、12孔混凝土管或用单孔管(塑料管、金属管、石棉水泥管等)铺筑具有多孔组合的管道。如图3—39

所示。 图

3—

39 管道

图3—40 渠道

(3)渠道:在城市较小、市话局容量不大的局所,或发展不肯定、道路尚未定型,但目前用户又较多,采用架空电缆配线不合适的地区可以采用渠道。它是用预制的混凝土U

型槽连接起来,上覆混凝土盖板,然后覆土至路面,每隔150m左右设置砖砌手孔,如图3—40所示。渠道的优点是投资少、施工简便。它的缺点是容量小,而且属于半永久性的管线设备,容易受水的侵入。

3.3.2管道的种类(按材料分)和特点

根据使用材料的不同,管道可分为混凝土管、塑料管、钢管、铸铁管、石棉水泥管、陶管等,一般根据工程造价和现场环境来选用。其中混凝土管容易制作、造价较低,所以采用较为普遍。混凝土管,按其制作方法可分为干打管和湿打管两种。干打管制作简单,采用较多,湿打管制作较复杂,但可以节省水泥。混凝土管的形状通常如图3—41

所示。

图3—41 混凝土管

1.混凝土管

混凝土管的重量,是衡量混凝土管质量的一个重要标志,在同样规格的情况下,重量越重,表示混凝土管的密实程度越高,因而强度及抗渗性越强,耐久性能也越好,反之则相反。混凝土管的体积和标准重量,如表3—5所示。 表35 混凝土管的体积和标准重量

混凝土管种类 每节长度

(mm)

单孔管

二孔管

三孔管

四孔管

六孔管

单孔管

二孔管

三孔管

四孔管

六孔管 干打管 湿打管 600 每节体积 (m3) 每节重量 (kg) 混凝土管的特点有:

(1)重量大,比重约为2.3~2.4,长60cm的六孔管重60kg。

(2)即使精心制作,管壁也很粗糙,与全塑电缆间在无润滑剂情况下,摩擦系数约为0.571,按照我国目前生产的混凝土管质量远超此值。

(3)限于加工方法,精度不可能提高,再加上管理不好,容易出现孔心不正,孔径不一,喇叭口边缘时有尖刺等现象。接续时需熟练工人操作,接口多,水密性差。

(4)隔热性能好。

(5)可就地取材,就地制管,成本较低。

2.塑料管

塑料管有聚乙烯管、硬聚氯乙烯管等,为了增强塑料管的强度,又出现了塑料波纹管。聚乙烯管比硬聚氯乙烯管轻40%,可以制成很长的连续长度,如同电缆一样绕在盘上,施工方便,但价格昂贵。硬聚氯乙烯管是用聚氯乙烯树脂加以稳定剂、润滑剂和填充料,用挤压法成型,作为电缆管道的管材,具有很多优点。塑料管的孔径一般达108~110mm,可以穿放大对数全塑市内通信电缆,若干根塑料单管可以组成数量庞大的多孔管道,组成容量极大的主干管道,这是混凝土管难以做到的。一般塑料管的抗压强度大约为200kg/cm,波纹管可达到很高,而且在主压力下变形时,管壁遇到土壤的抗力、变形和弯距均大大减少,承载能力相应增加。一般塑料管的长度较长便于接续,从而极大地提高了铺设速度。

管道上所用的塑料管壁厚—般在2.5~6mm。在人行道上或里弄胡同内建筑管道时,可选小口径、壁厚在2.5~3mm的塑料管,在车行道建筑时可选用大口径、壁厚为5~6mm的塑料管。

塑料管的特点有:质量轻,硬质聚氯乙烯管(PVC管)比重为1.40~1.60,硬质聚乙烯管(PE管)比重为0.94~0.97;管壁光滑,与全塑电缆间在无润滑剂的情况下摩擦系数约为0.363;接续方法简单;强度能满足要求;水密性好;化学稳定性好,具有较好的耐腐蚀性;绝缘性能好;运输方便;耐寒性较差,热稳定性差;价格较高。

3.钢管和铸铁管

钢管和铸铁管机械强度大,一般用于穿越铁路、公路、桥梁或管顶距车行道路面较近或引上管等地方。

钢管的特点有:重量重;管壁光滑,与全塑电缆间在无润滑剂的情况下摩擦系数约为0.40;水密性好,接续方便;抗压、抗冲击、耐振动等机械性能高,一般不会受到机械性破坏;价格高;运输方便。

电缆管道除了上述几种外,还有陶管,石棉水泥管、木浆管等,但用量较少。由于塑料管特别是硬质聚氯乙烯(PVC)管的众多优点,已在我国广泛使用。

3.3.3管孔断面的排列组合

管道的管孔断面的排列组合,通常应遵守高大于宽(但高度不宜超过宽度的一倍)或正方形的原则,这样可以减少管道基础的宽度,又可以减小管顶承受压力的面积。90mm孔径水泥管管块的管孔及规格见图3—42所示。

图3—43 水泥管块排列组合方法

图3—42 90mm孔径水泥管管块的管孔及规格

根据管孔断面的排列组合原则,90mm水泥管块排列成4孔、6孔、8孔、12孔、16孔、20孔、24

孔和36孔的组合方法如图

3—43

所示。

图3—43 水泥管排列组合方法

由于地下管线设备如:给水管、排水管、煤气管、电力电缆等穿越距离的限制无法按图3—43所示的排列组合时,可采用高小于宽的卧铺、并铺等方法,如图3—44所示。多孔式塑料管横断面如图3—45

所示。

图3—44 穿越其它管线时管孔排列方法 图3—45 多孔式塑料管横断面

3.3.4管道的施工方法步骤、坡度、埋深、段长

1.管道建筑的施工步骤

管道建筑前必须经过现场查勘,决定管孔的排列,确定管道段长和人孔类型,选择合适的管道材料、人孔埋深、选取必要的坡度。施工时还需要阅读施工图纸,挖掘沟槽、基坑、铺设管道地基、做好管道基础,然后才能铺设管道,砌筑人(手)孔,安装人孔附属设备以及回土夯实,余土清运等工作。现场查勘时,必须掌握管道位置与其它地下管线、建筑物的平行交叉距离。

(1)管道建设在人行道上时,管道与建筑物的距离通常保持在1.5m以上;与行道树的净距不小于1.0m;与道路边石的距离不小于1.0m。

(2)管道如必须建筑在车行道上时,应尽量靠近道路的边侧。与道路边石的距离不应小于l.0m;与人行道上的树木距离不应小于2.0m,与人行道高压线杆支座距离不应小于3.0m。

(3)管道与其它管线和建筑物的平行交叉距离,通常如表3—10所示。

表3—10 管道与其它管线和建筑物的最小净距

其它管线名称

平行净距

给水管 400mm以上 1.5

排水管①

热水管⑤

煤气管 8kg/cm2以下

8~10kg/cm2

电力电缆以下

建筑物 1.0 2.0 0.5 0.5④电缆管道 交叉净距

0.15 0.15②0.25 0.3③注:①排水管后敷设时,其施工沟边与电缆管道的平行净距不应小于0.5m。

②电缆管道在排水管下部穿过时,净距不应小于0.4m。

③在交越处2m以内,煤气管不应做接合装置及附属设备,如无法避免时,电缆管道应包封2m。如煤气管有套管时,可允许最小交叉净距为0.5m。

④电力电缆如加管道保护时,净距可减为0.15m。

⑤电缆管道管材,若采用塑料管时,净距不宜小于1.5m。

2.管道坡度

为了避免污水渗入管道内淤塞管孔、腐蚀电缆,铺设管道时往往要保持一定的坡度,使管道内的污水能够流入人孔内以便清除。

规定管道坡度为0.3~0.4%,最小不得低

于0.25%。管道坡度一般采用三种形式,

如图3—46所示。

(1)人字坡:人字坡是以相邻两个

人孔间管道的适当地点作为顶点,以一定

的坡度分别向两边倾斜铺设,采用人字坡

的优点是可以减少土方量,但施工铺设较

为困难,同时在布放电缆时也容易损伤电

缆护套。如采用混凝土管,两个混凝土管

端面的接口间隙一般不得大于0.5cm,通

常管道段长超过130m时,多采用人字坡。

(2)一字坡:一字坡是在两个人孔

间铺设一条直线管道,施工铺设一字坡较

人字坡便利,同时可减少损伤电缆护套的 可能性,但采用一字坡时两个人孔间的管

图3—46 管道坡度 道两端的沟槽高度相差较大,平均埋深及

土方量较大。

(3)斜坡度:斜坡度管道是随着路面的坡度而铺设的,—般在道路本身有0.3%以上的坡度情况下采用。为了减少土方量将管道坡度向一方倾斜所示。

3.管道、人(手)孔的埋深

管道埋入地下深度,一般如表3—7所示。人(手)孔的深度,应结合人孔两侧管道进入人孔内的高度而定。管道进入人孔时两侧的相对高度要一致或接近,高度差一般不宜大于0.5m。在一般情况下管道顶距人孔上覆净距为0.3m,管道底部距人孔基础面不应小于0.3m。 表3—7 管道的最小埋深

管道程式

人行道

混凝土管

铁管

石棉水泥管

塑料管 有路面或铁路路基面至管顶最小埋深 车行道 电车轨道 铁路轨道 4.管道段长

两个相邻人孔中心线间的距离,叫做管道段长,管道段长越长建筑费用就越经济。但由于电缆在管孔中穿放时所承受的张力随着段长而增加,电缆本身将受到一定的损害,为了减少或避免这种损害,电缆不论穿在直线管道中还是弯曲管道中,承受的终端张力以不超过1500kg为准。直线管道允许段长一般应限制在150m内。在实际工作中通常按120~130m为一个段长。弯曲管道应比直线管道相应缩短。采用弯曲管道时,它的曲率半径一般应不小于36m,在一段弯曲管道内不应有反向弯曲即“S”弯曲,在任何情况下也不得有U形弯曲出现。

3.3.5人(手)孔位置的选择、类型、基础、附属设备

1.人(手)孔的位置

人(手)孔的位置一般不宜选在下列地点:

(1)重要的公共场所(如车站、娱乐场所等)或交通繁忙的房屋建筑门口(如汽车库、消防队、厂矿企业、重要机关等)。

(2)影响交通的路口。

(3)极不坚固的房屋或其它建筑物附近。

(4)有可能堆放器材或其它有覆盖可能的地点。

(5)消火栓、污水井、自来水井等地点附近。

2.人(手)孔类型

人(手)孔分为直通型人孔、拐弯型人孔、分歧型人孔、扇型人孔、局前人孔和特殊型人孔等。直通型有长方形人孔和腰鼓形人孔两种。手孔—般为长方形。上述人孔除扇形人孔和特殊人孔外,又分为大号和小号。大号人孔用于管孔较多的管道上;小号人孔用于管孔较少的管道上。腰鼓形人孔消耗材料要比长方形少一些,因为在同样基本尺寸下,腰鼓形人孔的周边尺度一般约小l0~15%,通过计算,腰鼓形人孔比长方形人孔侧壁厚度也可以小一些,一般长方形砖砌人孔壁厚为37cm,而腰鼓形砖砌人孔壁厚为24cm。人(手)孔型号如图3—47所示。

图3—47 人(手)孔型号

按照人孔建筑方式,分为砖砌人孔和钢筋混凝土人孔两种,它们的大小尺寸如表3—8所示。表中腰鼓形人孔的宽度,系以人孔中间最宽处为准。扇形人孔的长度,是以人孔的弦长为准。表中尺寸均以人孔内净空为准。

表3

—8 各种人(手)孔建筑尺寸

人孔类型的选择一般是根据街道形状和终期管孔数量进行选择,一般直线管道采用直通

000形人孔,管道中心线交角小于22.5时也可采用直通形人孔。管道中心线交角在22.5与37.5

0000000之间时采用30扇形人孔。37.5与52.5之间采用45扇形人孔。52.5与67.5之间采用60扇

0形人孔。管道中心线交角大于67.5时应采用拐弯形人孔。有分歧线路的地方采用分歧形人

孔。出局管道应采用局前人孔。

3.人(手)孔的基础

人(手)孔的基础是直接与地基接触的,地基的好坏直接影响基础的质量,所以在浇注前必须按规定进行夯实、抄平,然后校核基础形状、方向、地基高程,支起模板,进行浇注。基础一般为现场浇注混凝土,浇注前需按规定挖好积水罐安装坑,安装坑应比积水罐外形四周大100mm,坑深比积水罐高度深100mm,基础表面应从四个方向向积水罐做20mm的泛水。如图3—48所示。人孔通常用混凝土做基础,一般采用100号混凝土,基础厚度为12cm。局前人孔若建筑在车行道上,一般采用钢筋混凝土结构,钢筋要配置在受拉部位上,混凝土净保护层厚度为

3cm。

图3—48 人(手)孔的基础断面图

4.人(手)孔四壁

砖砌人(手)孔四壁用100号机砖砌成;钢筋混凝土人孔用钢筋、石子、水泥建筑。人(手)孔的四壁应安装U形拉环和电缆托架穿钉。砖砌人孔铁架穿钉安装如图3—49所示。管道进入人孔应抹成圆楞八字(俗称喇叭口),四周抹成方框,管道进入人孔位置如图3—50

所示。

图3—49 人孔铁架穿钉安装 图3—50 管道进入人孔位置

5.人孔上覆

为了抽穿和检修电缆,人孔上覆要留有出入口。出入口的上口直径66cm,下口为70cm。出入口的中心应与各路管道中心线交点重合,特殊情况下出入口偏离中心线交点不得大于10~20cm,各路管道中心线也不得越出出入口范围以外,如图3—51所示。人孔上覆有时预制件运到现场安装,有时现场浇注。

图3—51 人孔上覆出入口位置

6.人孔的附属设备

人孔的附属设备有人孔铁口圈、人孔铁盖、电缆托架等。人孔铁口圈安装在人孔上覆圆形出入口,内径为65cm,一般配有双层盖即外盖与内盖。内盖用于锁住铁口圈防止杂物进入人孔。外盖厚实机械强度大,用于封口和保护人孔。人孔铁口圈及铁盖安装如图3—52所示。电缆铁架和托板是安装在人(手)孔侧壁上面用以承托电缆的设备,其安装数量和位

置根据人孔形状和大小决定。

图3—52 人孔铁口圈及铁盖安装

3.4管道电缆的敷设

掌握管道电缆的正确敷设方法和相关技术要求,对从事通信电缆工程施工具有极其重要的现实意义。本节内容包括:选用管孔、人孔上面的安全措施和人孔内有害气体的检查与通风、清刷管道和人孔、布放管道电缆、电缆和接头在人孔内排列等。

3.4.1选用管孔

合理选用管孔有利于穿放电缆和维护工作。选用管孔时总的原则是按先下后上、先两侧后中央的顺序安排使用。大对数电缆和长途电缆一般应敷设在靠下和靠侧壁的管孔。管孔必须对应使用。同一条电缆所占管孔的位置在各个人孔内应尽量保持不变,以避免发生电缆交错现象。一个管孔内一般只穿放一条电缆,如果电缆截面积较小允许在同一管孔内穿放两条电缆,但必须防止电缆穿放时因摩擦而损伤护套。管孔内不应穿放铠装电缆或油麻电缆。

3.4.2人孔上面的安全措施和人孔内有害气体的检查与通风

敷设管道电缆时,一旦打开人孔盖,应立即围上铁栅,铁栅上插小红旗(夜间安装红灯)作为警示信号。在繁忙的车行道上,应指派专人维护

交通或增加警示信号,防止发生事故。在人孔附近屯

放或移动电缆时,应尽量避免妨碍交通,工具应防止

掉入人孔或放在道路上,工具车应放在街道旁或人行

道旁,以免影响交通。市内人孔,特别是建筑多年又

不经常打开的人孔,可能存在有害气体,在下孔工作

前须对人孔内的气体进行检查。

检查时可采用安全矿灯。人孔盖打开后,把矿灯

悬入人孔底部,如灯焰正常点燃,则说明人孔内无有

害气体。如灯焰减弱,伸长或熄灭,说明人孔内存在

有害气体,必须进行人孔通风工作,通风的方法有两

图3—53 人孔自然通风 种,一是自然通风法,如图3—53所示。另一种通风

方法是强迫通风方法,用鼓风机把新鲜空气打入人孔

内,以驱出有害气体,鼓风机管口应靠近人孔底部,同时将相邻人孔盖打开,一起进行通风,

此法适用于有害气体较浓的情况下。

3.4.3清刷管道和人孔

无论是新建或旧有管道,敷设电缆前,均应对管孔和人孔进行清刷,以便电缆能顺利穿放。清刷管道时,应先用竹片或塑料管穿通。竹片之间用1.5mm直径的铁线逐段扎接,竹片

青面朝下,后—片叠加在前一片的上面,这样可以减少穿通时的阻力。在有积水的管道,应

将积水抽出后再穿入竹片。由于管道内长期积水,经常维护中也未能按规定进行清刷,使管

内积存淤泥或其它杂物,从一端穿入竹片或塑料管不能顺利通过时,可采用两端同时穿入的

方法,但事先在两端加装十字环和四瓜钩,待两端在管孔中相碰时能钩连起来,然后从一端

将竹片或塑料管拖出。十字环和四爪钩如图3—54所示。

竹片或塑料管从管孔内拖出时,必须在末端绑上4.0mm铁线一根,带入管孔作为引线。

利用引线末端连接清刷管道的整套工具,清除管孔内淤泥和其它杂物,同时清除人孔内积水

和杂物,经过清刷后的管孔通畅,即可敷设电缆。清刷管道整套工具如图3—55

所示。

图3—54 十字环和四爪钩 图3—55 清刷管道整套工具

3.4.4布放管道电缆

布放电缆前应检查电缆盘号、端别、电缆长度、对数及程式等,准确无误后再敷设。敷

设时,将电缆盘放在准备穿入电缆管道的同侧,并使电缆能从盘的上方缓缓放出,由电缆盘

至管孔口的一段电缆应成均匀的弧形,如图3—56

所示。

图3—56 管道电缆的敷设

当两人孔间为直线管道时,电缆应从坡度较高处往低处穿放,若为弯道时,应从离弯曲

处较远的一端穿入。引上电缆应从地下端穿放,在人孔口边缘顺电缆放入的地方应垫以麻包

或草垫,管孔口还应安放喇叭形铜口,以免擦伤电缆护套。

牵引电缆前,将电缆网套套在电缆端部并用铁线扎紧。牵引用的钢丝绳与电缆网套的连

接处加接一个铁转环,以防止钢丝绳扭转时电缆也随着扭转而受损,如图3—57

所示。

图3—57 电缆网套与转环装置

牵引电缆过程中,要求牵引速度均匀缓慢,尽可能避免间断顿挫。牵引的另一端用牵引

机牵引,管孔出口处及人孔上口处均应垫以铜口,以防止电缆擦伤,如图3—58

所示。

图3—58 电缆牵引端示意图

电缆被拖出管孔后,如需继续向前布放,则移动牵引机至前方人孔牵引处,先穿放钢丝

绳,再继续牵引,向前布放。如布放到位,须将电缆网套端拖出入孔,留足所需的接续、拿

弯、引上等长度,截掉一小段电缆头(以缆芯中无潮气为适当),封上端帽,冷却后充入干

燥气体,电缆布放即可结束。

全塑电缆的接续费用较高,在布放中要设法减少接头个数,以降低接续费用同时也提高

施工效率。一般说来,在水泥管道内布放外径60mm以上的全塑电缆,段长不宜超过200m,

在塑料管内布放可以达到250m左右,外径60mm以下的全塑电缆,段长可以再增加50m。为

了减少接头,还可采用双向布放的方法,如图3—59所示。

管道电缆引上时,一般用钢管从人孔铺设到引上杆,在引上杆上扎引上钢管。如图3—

60所示。穿放引上电缆时可在安装好钢管后,管内穿好牵引钢线将电缆拖出引上管口;也

可先穿好电缆再邦扎钢管。全塑电缆严禁在管孔内接续。布放全塑电缆最好使用密封性能较

好的牵引头,严禁电缆端头进水。

图3—59 管道电缆双向布放方法 图3—60 管道电缆引上

3.4.5电缆和接头在人孔内排列

通信电缆管道通常按远期需要建设,所以容量较大,这就需要电缆在人孔内的排列、走

向有一定的顺序。电缆接头必须交错放置。这样既便于扩建和日常维护,又可减少电缆故障。

全塑电缆连续穿越多段人孔时,应在每个人孔内留足电缆拿弯余量,布放位置要正确,并应

用扎带绑在托板上,如图3—61

所示。人孔内的引上电缆布放、接头位置如图3—62所示。

分歧人孔电缆走向、接头位置如图3—63所示。

图3—61 全塑电缆在人孔内的布放及帮扎

a)单向引上

(b)双向引上

图3—62 人孔内的引上电缆布放、接头位置

图3—63 分歧人孔电缆走向、接头位置

3.5直埋电缆与水下电缆的敷设

电缆的主要敷设方式除了架空和管道敷设,还有直埋和水下敷设。本节简单介绍直埋和

水下电缆的敷设。

3.5.1直埋电缆

1.直埋电缆的路由

直埋电缆线路与管道电缆相比较,具有建筑费用低,施工简便等优点,但由于埋入地下,

经常维修和查修障碍较为困难。只有在下列情况下才考虑直埋敷设:

(1)远离城市中心与局所地区,且沿途用户或房屋较少;

(2)目前该地区用户较少,而近期又无多大发展;

(3)杆路架设有困难的地区;

(4)长途电缆。

直埋电缆一般采用填充型铠装电缆。直埋电缆敷设路由和断面位置应根据事先勘测好的

最佳方案确定,市内应沿人行便道敷设,跨越铁路、公路或街道时路由应尽量与道路中心线

垂直。不得敷设在任何建筑物下以免维修困难。

2.直埋电缆敷设前的准备

直埋电缆敷设前应进行复测划线、挖掘沟槽等工作。复测划线即根据施工图纸进行复测,

核对电缆敷设的路由及具体埋设位置,用白灰(或白灰水)划出正确的电缆线路位置的中心

线。挖掘电缆沟槽有两种施工方法:在地下设施较多的街道采用人工挖掘;在地下设施较少

的田野间采用机械挖掘。

沿公路、街道或跨公路、街道挖掘沟槽时,应尽量避免妨碍交通。如果跨越路口、商店

或住宅门口不能及时回土时,可在沟上搭坚固便桥以通行行人或车辆。在行人较多的交通繁

忙地段施工时应设安全标志,夜间点红灯以免发生事故。

电缆埋深主要根据当地冻土层的探度及电缆所受压力,电缆埋深必须大于当地冻土层的

深度,通常是0.7~0.9m。直埋电缆穿越电车轨道或铁路轨道时,应装设保护管(钢管或水

泥管),埋深不宜低于管道的埋设深度。市内直埋电缆的沟深及沟底宽度应符合表3—9的规

定。电缆沟的截面如图3—64所示。挖掘电缆沟槽时其中心线偏移不得大于10cm,弯曲的

电缆沟应符合电缆最小弯曲半径的规定,沟底要平坦无碎砖乱石,以免损伤电缆。在埋式电

缆的接续、安装加感箱、再生中继器的地点应挖掘电缆接头坑,如图3—65所示。 表3—9 市内直埋电缆的沟深及沟底宽度

沟深(m)

1.0(及以下) 沟底宽(m) 0.4

1.8(以上) 0.7

3—64 电缆沟的截面

图3—65 电缆接头坑

3.敷设埋式电缆

(1)人工敷设法:首先将电缆盘用支架(俗称千斤)托起,然后用人力每隔一定距离将

电缆抬入沟内,人与人之间的距离视电缆单位长度的重量而定,每人负重约40~50kg为限。

此法所费的劳力较大,但在障碍物较多、车辆无法沿线通行、田野坡度变化较大等地区只能

用人工敷设法。

(2)机动车牵引法:机动车牵引法是用机动车拖拉电缆盘,将电缆布放在沟中或沟边。

布放在沟边的电缆再用人力移入沟中,此法较省劳力、效率高、质量也较好,但障碍物较多、

坡度较大的地区不宜采用。

4.埋式电缆的保护

敷设在市区、居民区或将来有可能被挖开地区的埋式电缆,均应在电缆上面覆细土(或

砂)20cm,铺以红砖保护,如图3—66所示。埋式电缆与其它地下管线交越时也应按规定设

保护装置。

5.回土夯实与标志

电缆敷设后应先回细土或细砂20cm覆盖,待气压稳定后再回普通土壤。每回30cm夯实

一次,夯实后的土面,在高级路面上应与路面齐平,土路可高出5~10cm,一般地面应原土

回填并高出路面。为了便于在维护与查修中寻找电缆敷设位置必须埋设标志如图3—67所

示。

图3—66 埋式电缆铺砖保护 图3—67 埋式电缆标志

3.5.2水底电缆

1.水底电缆路由的选择

电缆线路经过江、河、湖泊等,可选用水底敷设建筑方式。水底路由的选择原则是确保

电缆安全和投资最小、施工维护方便。

2.敷设水底电缆的方法

敷设水底电缆前,应在水底用人工或机械挖掘沟槽,然后根据地区、季节和地点(江、

河、湖泊)以及水底电缆结构的不同而采用不同的方法,一般有驳船法、抛锚法和浮筒法等。

(1)驳船法:此法用于河流较宽、水流较急,没有挖槽或采用先放电缆后冲槽方法的

通航河道上,敷设时将两条30~50t的木船缚在一起形成一个完整的工作船,船上设制动装

置,电缆在甲板上盘成“8”字形圈,电缆经过制动装置,根据流速、风速和电缆布放路由

将电缆布放到水底。

(2)抛锚法:在河面较窄,水流较缓的河流中利用收放锚链的方法使水线船边向前移

动边从船后放出电缆的方法。

(3)浮筒法:一般在湖上或河面宽度不超过150m,水流流速度不超过0.15m/s,不通

航的河道上布放水底电缆时使用此法。

采用这种方法时,先把电缆盘放在河的一岸,绞盘或绞车放在河的对岸,将一条绳索穿

过河面接到电缆上,另一端缚在绞盘上,转动绞盘电缆即被绳索牵引前进,此时在电缆始端

用绳索或钩环将电缆系在浮筒上再继续牵引,每隔一定的距离系浮筒一只,浮筒的间隔应使

筒的吃水深度不超过筒直径的3/4为准。当电缆全部拉到对岸后即派人乘小船从河中间开始

向两岸将浮筒一一解去,电缆便沉入水底,如图3—68所示.

3.水底电缆标志

为了保护水底电缆不受通航船只抛锚的损伤,在两岸登路地点和上、下游应划定禁止抛

锚区,在过河段的河堤或河岸上应设置白底黑字“水线区域禁止抛锚”的标志牌,如图3—

69所示。

图3—68 浮筒法 图3—69 水底电缆标志牌

3.6墙壁电缆及楼内电缆敷设

我国城市电话已普遍进入寻常人家,特别在城市住宅小区,利用墙壁敷设全塑市内通信

电缆,可以免去立杆路、铺管道等工作,大量而迅速地发展低成本市内电话。现代化的城市

要求管线装设隐蔽、外表美观。因此建筑时应预设暗管暗线,以满足楼内用户的需要。本节

主要介绍墙壁电缆及楼内电缆敷设。

3.6.1墙壁电缆

墙壁电缆跨越街坊、院落,所以缆线最低点距地面应不小于4.5m,在有过街楼的地方

穿越,缆线不应低于过街楼底层的高度。墙壁电缆与其它管线的最小间隔,应符合表3—10

的规定,墙壁电缆在穿越墙壁时应设预留穿墙管,如事先未预留穿墙管时,应按设计规定的

地点打墙洞埋设穿墙管,埋设穿墙管的墙壁应为砖墙或泡沫混凝土块等墙体,不宜在钢筋混

凝土的梁、柱或整体结构上打洞埋设穿墙管。穿墙管直径应比电缆外径大1/3左右。穿墙

管应向外墙下方倾斜2cm,使雨水不致流入室内,如图3—70所示。 表3—10 墙壁电缆与其它管线的最小间隔

其他管线

避雷线接地引线

工作保护地线

电力线

给水管

压缩空气管

热力管(无包封) 平行净距(mm) 交叉净距(mm) 备注 引线为绝缘线时 可为50

图3—70 穿墙管示意图

墙壁电缆的敷设方式有自承式、吊线式、卡钩式(卡固式),一般沿室外墙壁敷设时宜

采用自承式或吊线式,室内墙壁敷设时宜采用卡钩式。

1.自承式墙壁电缆的敷设

自承式电缆沿墙直线架设可采用角钢墙担。单条电缆直线架设安装方法见图3—71所

示。沿墙直线架设两条自承式电缆时安装方法如图3—72所示。沿墙自承式电缆做终端时,

应使用终端转角墙担,转角墙担水平放置,平面朝上,如图3—73所示。自承式墙壁电缆的

转角(包括内角与外角)应使用转角墙担,安装方法如图3—74所示。自承式墙壁电缆的安

装技术要求:

(1)各终端、中间支持物应安装牢靠,整齐水平。

(2)中间支持物间距应在10m以下,间距均匀。

(3)终端、转角支持物应使用终端转角墙担。中间支持物应使用角钢墙担,不得采用

插墙板。

(4)墙壁自承式电缆与钢线在吊线分离处应用尼龙扎带绑扎牢固。

(5)转角处余兜为20~30cm。

图3—71 自承式单条电缆直线架设安装方法 图3—72 沿墙直线架设两条自承式电缆时安装方法

图3—73 沿墙自承式电缆做终端

图3—74 自承式墙壁电缆的转角架设

2.吊线式墙壁电缆 吊线式墙壁电缆与吊挂式架空电缆相似,

只是吊线的支撑物有所改变,它是利用墙上的支撑物与终端的固定物代替电杆架挂电缆的一种建筑方式。吊线式墙壁电缆的吊线程式及支撑物的间距应参照表3—11要求。

表3—11 吊线式墙壁电缆的吊线程式及支撑物的间距

吊线程式

股/线径(mm)

7/1.4 悬挂电缆单位重量 (kg/m) 支撑物参考间距 (m) 可用M6钢卡作终结 备注 0.6以下以下

10以下

10以下

7/2.0 大于以下 可用M8钢卡作终结

吊线式墙壁电缆,在墙壁上的敷设形式有水平敷设与垂直敷设。当吊线水平敷设时其终端可用有眼拉攀,中间的支持物用吊线支架装设。终端装置和中间支持物均用金属膨胀螺栓固定在墙壁上,如图3—75所示。

当电缆吊线遇到墙壁上凸出部分时,可采用凸出支架装置,如图3—76所示。

吊线水平敷设时也可用L型卡担或单、双墙担架设,如图3—77所示。

吊线垂直固定在墙壁上,两支持物间最大跨距应小于20m,其终端固定物可采用终端拉攀装置、有眼拉攀装置或双插墙担装置如图3—78、3—79和3—80所示。吊线式墙壁电缆的吊线终端,一般使用U型钢卡,其制作方法如图3—81所示。吊线式墙壁电缆各种终端、

中间支持物,应装设牢固、横平竖直、整齐美观,各支撑点应尽量水平。墙壁电缆的挂钩程

式和卡挂规格与架空电缆相同。

3—75 有眼拉攀装置

图3—76 凸出支架装置

3—77 吊线式墙壁电缆用L型卡担等架设示意图

图3—78 垂直拉攀装置 图3—79 有眼螺栓装置

图3—80 双插墙担装置

图3—81 吊线式墙壁电缆的吊线终端

3.卡钩式(钉固式)墙壁电缆

卡钩式墙壁电缆是用卡钩直接将电缆固定在墙面上的敷设方式。卡钩(卡子)一般有金属和塑料两种,卡钩的型号应与电缆外径配套,如表3—12所示。 表3—12

电缆卡钩型号 电缆外径(

mm)

8以下

8~12

12~14

14~18

18~22

22~26

26~30

30~40 卡钩型号 8号 12号 14号 18号 22号 26号 30号 40号

卡钩的固定方法很多,有扩张螺钉、木塞木螺钉、水泥钢钉、射钉(即用射钉枪射入墙体的钢钉)等。如采用钢钉,工程进展速度较快,具体采用哪种方法,因地制宜。

沿墙架设卡钩式电缆,由于卡钩的形状不同钉固方式不同,钉固单卡钩的螺钉应置于电缆下方;用挂带式卡钩卡挂沿墙电缆,钉固挂带的螺钉应置于电缆下方;采用U型卡钩(俗称骑马钉),电缆上、下应各钉一颗螺钉。但无论采用哪种方法卡挂电缆,钉固螺钉均应在电缆的一方或两方。

卡钩的间隔距离要均匀,水平方向为50cm,垂直方向为100cm。如遇转弯或其它特殊情况时,可适当缩短或延长,垂直方向的单卡钩眼应在电缆右侧。电缆转弯时,两边10~25cm处应用卡钩或挂带固定。卡钩式墙壁电缆的敷设如图3—82所示。

卡钩式墙壁电缆在墙壁内角、外角转弯时的处理及固定规格,如图3—83所示。

墙壁电缆通过门窗时应不影响门窗的开闭,保持整齐美观,—般可沿阳台窗台等间断或连续的楼层凸出物布放,如图3—84所示。

图3—82 卡钩式墙壁电缆

图3—83 卡钩式墙壁电缆在墙壁内角、外角转弯时的处理及固定规格

图3—84 墙壁电缆沿楼层凸出物布放

3.6.2楼内电缆的敷设

1.楼内暗管

楼内暗管是指在建筑物内预埋的敷设通信电缆的管路。暗管管径根据电缆外径选用,可参照表3—13。 表

3—13

暗管的管径

电缆外径(mm) 暗管的管径(mm)

暗管一般采用钢管或塑料管。钢管的机械强度大、使用年限长,但重量大、价格贵。塑料管一般采用聚氯乙烯管,有以下优点:重量轻,减少房屋负荷;管壁光滑、阻力小、布放

电缆时引起的损伤机会少;施工容易、易于弯曲可根据房屋轮廓弯成不同形状;绝缘良好,与电力线平行或交叉时,能起到保护作用;不怕腐蚀,敷设在近海潮湿地区尤为适宜;价格低廉。

由于塑料管具有上述优点,已成为当前楼内暗管材料的主流。

暗管两端管口应衬垫橡皮,以保护电缆,水平有缝管的接缝应置于管身的上方。暗管转

0弯的曲率半径应大于可穿放最大电缆的最小曲率半径,转角角度必须大于90,一根暗管不

得有两个以上的转角且不得有“S”弯。

2.电缆槽

在未设暗管的楼房,可加装“U”形电缆槽,其结构如图3—85所示。

“U”形槽的底部用胶粘剂或螺钉固定于墙上,然后扣上其槽盖,线路装设或检修时,只需打开槽盖就能施工,十分方便。“U”形电缆槽的槽体为聚氯乙烯塑料制成,备有各种颜

色,选用时应和装设的地区墙壁颜色协调。

图3—85 “U”形电缆槽截面

图3—86 楼内电缆的引入 图3—87 楼内电缆垂直布放

3.楼内电缆的走向 楼内电缆从楼房旁边的手(或人)孔引入,

在适当地点设总配线箱,楼房内如有用户交换机,则在靠近交换机室的附近引入,如无交换机室则应在楼的中部或配线线路的汇集点引入,然后根据用户情况再设若干配线箱(或暗线箱),如图3—86所示。楼内电缆从总配线箱到各配线箱一般选取垂直通道,也可通过楼梯道上下连通,

一般每一层楼布放一条电缆,且不复接,如图3—87所示。

4.室内配线箱

室内配线箱箱体为一个木箱或注塑成型箱,内装若干块20或50对的穿线板与挂线板,箱的上下壁均设有电缆引入孔,外侧设有箱门,既可装于墙内也可设于墙上。单元式住宅楼,

一般采用墙内配线箱,如图3—88所示。综合性大楼电话需要量大,应在楼内的适当位置,隔出2~4m单间供安装配线箱,如图3—89所示。

无法安装暗箱的住宅楼,可以利用楼梯墙角隔出单间来装配线箱,如图3—90所示。 配线箱内电缆走向及端子板安装位置,如图3—91

所示。

3—

88 墙内配线箱 图3—89 单间配线箱

图3—90 楼梯道配线箱图 3—91 配线箱内电缆走向及端子板安装位置

5.暗管内电缆的布放

(1)水平暗管内的电缆布放:首先根据设计规定进行现场核实管孔位置、电缆规格程式,检查暗管管口并把管口倒钝,以便布放过程中保护电缆。由两人在两端向前或向后牵动管内引线,检查管路是否畅通,如发现管路不够畅通,应检查原因,必要时,应在布放的电缆上使用润滑剂,然后用网套牵引头牵引电缆,进入该段暗管。

(2)垂直暗管内的电缆布放;垂直暗管内的电缆布放与水平暗管内的电缆布放基本相同,一般采用自上而下布放,需要时也可自下而上布放。如果跨楼层布放,跨层的楼面需有人监护电缆,直到布放完毕。

在配线箱内余长,应圈好绑扎在配线箱内,并用棉纱等材料堵塞管孔与电缆间的空隙及空余的管孔。

3.7进局电缆的敷设

从局前人孔到地下室成端电缆接头的这一段电缆叫进局电缆。如果主干电缆采取直接上列(即不做成端接头只做气塞,局外电缆经局前人孔进地下室直接到配线架)的办法,那么从局前人孔到配线架的这段电缆就叫进局电缆。

进局电缆线路汇集了全局各个方向的电缆,是全局电缆的总枢纽,所以敷设好进局电缆很重要。

3.7.1电缆进局方式

由于市内通信电缆网规模的不断扩大,电话局的终局容量高达几万门到10万门。电缆进局一般采用组合管道或隧道。

1.组合管道

由各种不同管径的电缆管道组合在一起形成的管道群就称为组合管道,它是根据不同的电缆外径选择一定比例的不同管径的管道组合而成。

一般来说,需要有50%以上内径为108~110mm的管孔,局所容量较大时,应增加到70%~80%,用来穿放大对数、小线径的用户全塑电缆,电缆对数一般为2400对,也可达4000~6000对。大约需求30%~40%内径为100mm的管孔,局所容量较大时可减少到15%左右,用来穿放一般电缆。根据实际需要应有少量的(ø 30~ø 60)mm的管孔,供穿放光缆及专用电缆之用。

2.隧道

在出局人孔到地下电缆进线室之间修筑隧道是进局电缆较为理想的一种方式,在隧道两侧的墙壁上安装上多层铁架,可使电缆方便而有序的敷设。

3.7.2电缆在地下进线室的排列和上线

电缆由管孔或隧道进入电缆室后,其走向、排列和在电缆铁架托板上的位置应按设计处理。一般来讲,电缆上线铁架应附装在电缆室一侧的墙壁上,并与上线预留孔和管孔相对应,这样可以达到电缆敷设上的便利,而且符合标准。进局电缆在电缆进线室内应排列整齐,不得有重叠和交错现象,每条进局电缆所占用的壁孔应有与之相对应的电缆托板位置。电缆垂直上线时,应用塑料卡条固定在上线铁架上。电缆末端应封好端帽,以防潮气浸入。

3.8用户引入线与引入设备

从电缆分线设备到用户话机的这一段线路叫用户引入线。用户引入线分为两部分,即分线设备下线和用户室外皮线。分线设备下线是指从分线设备接线柱起经分线设备出口到用户室外皮线的第一终端支持物。由分线设备下线终端第一支持物至用户保安器外线端称为用户室外皮线。作为用户引入线,一般选用小对数电缆或用户皮线。而电缆一般采用自承式同心型全塑电缆,用户皮线则多用平行塑料护套线。用户引入线全长应在100m以下(有杆档皮线者除外),自电杆至墙壁第一支持物应小于40m。自墙壁第一支持物至用户保安器外线端应小于60m。

皮线的导线应连接在分线设备接线柱螺母的两垫片之间并绕接线柱一周,皮线绝缘物应紧靠垫片边缘,最大间隙应小于2.5mm。

分线设备内的皮线走向应整齐、合理、连接良好,皮线出分线设备口应有余线、弯曲部分。如图3—92

所示。

图3—92 分线盒

用户引入设备有绝缘子(多沟、鼓形、小号、双重绝缘子等)、插墙担、L型卡担、地线装置、用户保安器等。在电杆上装设绝缘子的方位应装在线路有下线的一侧,线路两侧均有用户时,应在电杆两侧分别装设,如图3—93所示。

皮线在各种情况下的绑扎方法如图3—94所示,皮线在多沟绝缘子上做终端的绑扎方法如图3—95所示。

用户引入线在跨越里弄胡同或街道时,其最低点与地面的垂直距离不得小于4.5m。用

户引入线由室外引入室内的穿线孔,室内应比室外略高10~20mm。皮线布设应尽量美观、整齐。如皮线自高位引入时,应在室外进入穿线孔处略向下留一小余弯,如图3—96所示。

皮线从下方引入室内时可直接引入穿线孔。

3—93 电杆上装设绝缘子

图3—94 皮线在各种情况下的绑扎方法

3—95 皮线在多沟绝缘子上做终端的绑扎方法

图3—96 皮线自上方引入

本章小结

1.全塑电缆线路不管采用哪一种敷设方式,在敷设前都要进行单盘检验(或查验出厂检验数据)和配盘。单盘检验包括:不良线对检验(主要是断、混线和地气检验)、电缆气闭性检验、绝缘电阻测量和耐压测试等。电缆配盘是根据电缆检验记录和电缆线路图等按一定的要求把长度不等、电气性能不同的电缆(尽量做到全线路电缆规格程式相同)安排在预计的段落内,以保证电缆线路的传输质量和合理的经济效果。

2.架空电缆线路分为吊挂式架空电缆线路和自承式架空电缆线路。吊挂式架空电缆线路

范文九:通信电子电路课程设计 投稿:卢杓杔

通信电子电路课程设计

---基于simulink的通信电子电路的设计与仿真

一、课程设计的目的:

本课程设计是作为通信电子线路课程的重要组成部分,目的是进一步理解课程内容,基本掌握通信电子线路设计和调试的方法,增加模拟电路应用知识,培养实际动手能力以及分析、解决问题的能力。更好地巩固和加深对专业基础知识的理解,学会设计通信电路的方法,独立完成调试过程,增强理论联系实际的能力,提高分析和设计能力。通过实践教学引导学生在理论指导下有所创新,为专业课的学习和日后工程实践奠定基础。

二、课题设计平台与要求:

MATLAB是由美国MathWorks公司推出的软件产品。它是一种功能强大的科学计算和工程仿真软件,它的交互式集成界面能够帮助用户快速完成数值分析、数字信号处理、仿真建摸、系统控制等功能。MATLAB语言采用与数学表达相同的形式,不需要传统的程序设计语言,易于掌握,而且使用MATLAB语言要比使用BASIC、FORTRAN和C等语言提高效率许多倍。许多人赞誉它为万能的数学“演算纸”。Simulink是MATLAB软件中对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包,是MATLAB中的一种可视化仿真工具,广泛应用于通信仿真、数字信号处理、模糊逻辑、

神经网络等领域。课程设计要求利用MATLAB语言和MATLAB/Simulink仿真工具对书中的调幅和调频的概念和基本方法进行了仿真,一方面是为了增加对内容的理解,另一方面可使学生从中体会到MATLAB工具的优越性和实用性。

三、设计内容:

1.课题一

内容:对抑制载波的双边带调制解调系统进行仿真。设传输的基带信号为正弦波,其幅度为1,频率范围为1Hz到10Hz,载波频率为100Hz。传输信道为高斯白噪声信道,其信噪比SNR为10dB。系统仿真采样率设置为1000Hz。

原理:DSB信号是抑制了载波的双边带信号,发送时,不发送载波信号,对于DSB信号,其包洛的变化反映了调制信号绝对值的变化情况,当调制信号过零点时,有相位的突变。DSB信号的解调就是从它的幅度变化上提取原调制信号的过程。

原理图:

波形图:载波相位相同

载波相位不同:

2.课题二:

内容:采用simulink仿真电路图产生DSB波形。当载波频率分别为调制信号频率的偶数倍和奇数倍时,相位突变点处的波形是不同的。

原理:将调制信号和载波信号直接加到乘法器或平衡调幅器电路得到。

原理图:

波形图:

偶数倍波形图

奇数倍波形图:

思考:

载波频率分别为调制信号频率的偶数倍和奇数倍时,相位突变点处的波形是不同的,请思考一下,为什么?

答:双边带调幅信号写为:

高频信号的振幅按调制信号的规律变化,不是在Ucm的基础上,而是在零值得基础上变化,可正可负。因此,当调制信号从正半周进入负半周的瞬间(即调幅包络线过零点时),相应的高频振荡相位发生180度的突变。可看上两幅图的2处。

3.课题三

内容:设基带信号分别为一个150HZ,300HZ,400HZ内原始产生信号幅度为0.003,0.002,0.001载波信号为1000Hz的正弦波,幅度为1。仿真采样率设为10000Hz,仿真时间1秒。求SSB调制输出信号波形和频谱。

原理图:

波形图:

0.003,150HZ

0.002,300HZ

0.001,400HZ

4.课题四

内容:对有SSB信号产生的单边带(上边带)信号进行相干解调,仿真其解调波形和幅度频谱。

原理:调制过程是一个频谱搬移的过程,它是将低频信号的频谱搬移到载频位置。解调是调制的逆过程,是将已调制的信号还原成原始基带信号的过程。

单边带SSB信号的解调采用相干解调法,这种方式被广泛应用在载波通信和无线电话通信中。

单边带调制信号SSB是将双边带信号重的一个边带滤掉而形成的。

原理图:

功率谱分析:

波形图:

5.课题五

内容:振荡器电路的设计与仿真

(1)设计要求:高频应用环境下,稳频稳幅输出。

(2)原理:1.平衡条件:KF=1;2.起振条件:KF>1;3.稳定条件:(1)振幅稳定条件:dK/du|k=1/F

件:dψ/df|f=f0

这种振荡电路可以得到很高的振荡频率,它利用电容C2将相位稳定条

谐振回路的一个部分电压反馈到基极,同时将LC谐振回路的三个端点与晶体管的三个电极相连构成了电容反馈三点式振荡器。根据公式频率f=1/T=1/(2π√LC)可知通过调节C1,C2,L可以改变振荡频率。

原理图:

波形图:

6.课题六

内容:混频器的电路设计与仿真

原理:混频器是由输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或为两者其他组合的电路。混频器通常由非线性元件和选频回路构成。混频器原理是当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时,屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度,将不同频率上信号的幅度记录下来,就得到了被测信号的频谱。从频谱观点看,混频的作用就是将已调波的频谱不失真地从fc搬移到中频的位置上,因此,混频电路是一种典型的频谱搬移电路,可以用相乘器和带通滤波器来实现这种搬移。

原理图:

波形图:

7.课题七

内容:高频调谐功率放大器

原理:调谐功率放大器的输入信号一般在几百毫伏到几伏,晶体管工作在非线性区域——截止区和饱和区,放大器工作在丙类状态,具有选频的功能,能够大功率、高效率的输出。

原理图:

波形图:

项目成员:

组长:朱征帅

组员:郁浩浩

张坤

赵伟伟学号:1241903135124190313212419031331241903134

参考文献:

[1]徐明远.matlab仿真在通信与电子工程中的应用[M].西安电子科技大学出版社,2005

[2]于洪珍.通信电子电路[M].清华大学出版社,2005

[3]周开刊.matlab基础及其应用教程[M].北京大学出版社,2007

[4]曾兴雯.高频电子线路[M].高等教育出版社,2004.组员的心得与体会:

范文十:通信电子电路课程设计 投稿:谭榰榱

通信电子电路课程设计

题 目:高频功率放大器

姓 名:

学 号: 6

专业班级:通信工程

指导老师:

日 期:2013/7/10

摘 要

高频功率放大器是发射机的重要组成部分,因而也是通信系统必不可少的环节。介绍高频功率放大器的基本原理和特性,利用电子设计工具软件Multisim2001对丙类功率放大器电路从方案选择、单元电路设计、元器件参数选取等方面进行具体设计分析, 同时对高频功率放大器原理和特性进行仿真分析,实现了对高频功放电路的几种外部特性的分析以及仿真测试,通过仿真结果分析电路特性,使电路得到进一步完善。仿真结果表明,该电路设计方案正确, 仿真数据与理论数据一致,并且能显示出一些无法用电子仪器设备显示的波形和曲线,使结果更直观,更易于理解,能达到预期设计要求,性能良好。

关键词:高频功率放大器;Multisim2001;仿真

高频功率放大器

一、引 言

高频功率放大器是无线电发射机末端的重要部件,是评价通信系统性能的重要参数。近年来,针对功率放大器设计的各种研究不断涌现,对功率放大器的性能进行优化的算法不断出现。本文在Multisim2001软件仿真基础上给出了丙类功率放大器电路的设计步骤和仿真过程, 利用Multisim软件工具,通过仿真结果对高频功率放大器原理和电路的特性进行仿真分析,实现了对高频功放电路的几种外部特性的分析以及仿真测试,逐步完善了电路。

二、对功率放大器的要求

功率放大器是通过将直流输入功率转换化为交流功率输出,以提高发射信号能量,便于接收机接收的电路,因而要求输出功率大,效率高,同时,输出中的谐波分量应该尽量小,以免对其他频道产生干扰。根据电流导通角的不同,功率放大器分为甲类、乙类、丙类等,电路由馈电电路、输入匹配、输出匹配及级间耦合四部分组成。

对电路设计要求如下:工作频率为14.5 MHz,要求带宽为1.5MHz,输出功率为不小于20W。

三、高频功率放大器工作原理分析 高频功率放大器用于发射机的末级,作用是将高频已调波信号进行功率放大,以满足发送功率的要求,然后经过天线将其辐射到空间,保证在一定区域内 的接收机可以接收到满意的信号电平,并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种,窄带高频功率放大器,通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路,故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器。

利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器,这是无线电发射机中的重要组成部分。根据放大器电流导通角θ的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型的功率放大器。电流导通角θ愈小,放大器的效率η愈高。如甲类功放的θ=180,效率η最高也只能达到50%,而丙类功放的θ

效率η可达到80%,甲类功率放大器适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。

高频功放的基极偏置电压为负值,使集电极电流的导通时间比较短,导通角小于90度,集电极电流为脉冲状。脉冲电流可以分解为如下形式:

ic=Ic0+ic1+ic2+„+icn=Ic0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+„+Icnmcosnωt (1)式中, Ic0表示直流成分; ic1表示基波频率成分;ic2、icn分别表示二次谐波、n次谐波成分;ω表示角频率,2ω、nω分别表示角频率的2倍和n倍。

利用集电极调谐电路的选频作用,让谐振回路工作于基频,从而取出基频分量,使输出信号与输入信号的频率成分相同。

当放大器的集电极电源、基极偏置电压、输入信号幅度以及负载四个参数中的一个发生改变,其余三个参数不变的前提下,了解放大器输出电流、输出功率及效率的变化与参数之间的关系即为外部特性。对应各个参数变化的外部特性分别称为集电极调制特性、基极调制特性、振幅特性和负载特性。

四、结构设计

4.1 设计分析

为了在较宽的通带内使功率放大器增益相对稳定,电路由甲类、丙类两级功率放大器组成。甲类功率放大器的输出信号作为丙类功率放大器的输入信号,丙类功率放大器作为发射机末级功率放大器以获得较大的输出功率和较高的效率。电路原理如图1所示。

根据设计要求和晶体管实际参数,采用Philips公司的NPN型高压晶体管2N5551作为放大管,三极管Q1、电感L1、电容C2组成甲类功率放大器,工作在线性放大状态。三极管Q和由电感L3、电容C7、C6构成的负载回路组成丙类功率放大器。

R1、R2、R3、R4组成第1级静态偏置电阻,调节R2、R3可改变放大器的增益。L1、C2组成一级调谐回路,L2、R5、C4组成的部分在丙类功率放大器基极处产生负偏压馈电,R7为射级反馈电阻,调整R7可改变丙类功率放大器的增益。C6、C7、L3组成末级调谐回路, C6用来微调谐振频率以获得最佳工作状态。C8、C9和L4组成滤波回路,起到改善波形的作用。R9和C10、R11和C11以及R8和C12均为负载回路外接电阻。集电极可选择连接不同的负载。

当基极输入的正弦信号频率取值在L1、C2谐振频率附近时,集电极输出正弦信号电压增益最大。C5为射级旁路电容,有效地控制了可能由于射级电阻R3、R4过大而引起电压增益下降的问题。当甲类功率放大器输出信号大于丙类功率放大器三极管Q2的be间负偏压时,Q2才导通工作。当L3、C7处谐振频率与从甲类功率放大器集电极获得的放大输出正弦信号的频率一致时,丙类功率放大器工作于谐振状态,集电极将获得最大的电压增益,达到功率放大的目的。

4.2 元件参数选取

a)功率放大器管:选用Philips公司的NPN型高压晶体管(2N5551)作为放大管。

b)直流电源:根据设计要求放大器的电源电压初始值均取+12V。

c)甲类功率放大器的调谐回路由L1和C2组成,根据谐振频率公式

:

及工作中心频率为14.5MHz,取参数为L1=1.0μH,C2=120 pF,丙类功率放大器的调谐回路由L3、C6、C7组成,为使甲类功率放大器集电极的输出信号能在丙类功率放大器产生谐振,两功率放大器调谐回路的谐振频率应一致,因此,取L3=1.0μH,C7=120 pF,C6(最大值取30 pF)用来微调调谐回路的谐振频率,保证丙类功率放大器的输入信号产生谐振。

d)甲类放大器参数选取

甲类功率放大器的静态偏置由R1、R4、R2和R3组成。R1、R2一般在同一数量级,取R1=10 kΩ,R2最大值为50 kΩ,通过调节R2改变三极管基极Q点电压,即改变放大器增益,R2取值越大时Q点电压越大。取R4=51Ω,R3最大值为1 kΩ,通过调节R3改变输出信号增益,R3不宜过大,否则会影响增益。此外,C5为射极旁路电容,有效地控制了由于射极电阻R3、R4

而引起电压增益下降的问题。在高频电路中射极旁路电容取值一般较小,这里取C5=10 nF[1]。

e)丙类功率放大器参数选取

丙类功率放大器三极管Q2的be间负偏压由L2、R5、C4组成的电路产生, L2起到传送直流、隔离交流的作用,使得R5两端为直流电压。取L2=100μH,R5=51Ω,C4=10 nF。Q2射极电阻由R6、R7组成,取R6=51Ω,R7最大值为1 kΩ,通过调节R7改变丙类功率放大器增益,R7取值不宜过大,否则会降低增益。L4、C8、C9组成滤波回路,减小集电极输出信号的失真。C8、C9一般取等值,这里取C8=C9=10 nF,L4=470μH。

f)外接负载分别取51Ω, 150Ω, 680Ω。3个电阻的取值差异较大是为了后面仿真测试丙类功率放大器的特性做准备。

g) C1、C3以及C10、C11、C12均为隔直电容,其作用是传送交流,隔离直流。在高频电路中隔直电容取值一般较小,这里取C1=51 pF,C3=10 nF,C10=C11=C12=10 nF。

五、仿真测试及结果分析

5.1 高频功率放大器工作状态的测试分析

调整高频功率放大器输入电压振幅为300 mV,通过示波器或仿真分析可得到输出信号的波形,如下图2所示。图2中上面的波形为集电极输出信号,下面的波

形为基极输入信号。从图中可知二者频率相同,相位相反,幅度得到一定程度的放大。集电极电流曲线(图3)无法直接从示波器中得到,在Multisim可以通过相关电流经后处理后得到。电流曲线为余弦脉冲,频率成分可由傅里叶分析得到(见图

4)。由图4可知余弦脉冲的频率成分有直流、基频和各次谐波,各个分量的幅度及相位数据均可求出。输出回路谐振于基频,因而输出信号的频率为基频。由此可看出丙类功率放大器工作状态的特点。

5.2 丙类功率放大器工作状态的测试分析

调整丙类功率放大器电源电压为12 V,不接负载电阻。将基极与甲类功率放大器断开,从基极处输入300mV、14.5 MHz的高频信号,用万用表测量三极管Q2 be间的电压,测得该电压为负偏压,改变输入电压振幅,该偏压随之改变。此时,接在集电极处的示波器上可看到放大输出信号,如图2所示。下面的波形(信道B)为基极输入信号,上面的波形(信道A)为集电极输出信号,电压增益约为12倍。若使基极激励信号,Ub=0。则测得负偏压也为0,由此可看出丙类功率放大器工作状态的特点。

5.3 丙类功率放大器的调谐特性

调整参数使电路正常工作,保持功率放大器管的输入信号为300 mV左右,不接负载电阻,改变输入信号从8MHz~20MHz[3],输出电压值如表1所示。

基极输入正弦信号频率取f=1 /(2πRC)≈14.5MHz(C6、C7、L3回路谐振频率)时集电极获得最大的电压增益,约为12.25倍,这就说明了丙类功率放大器的调谐特性,如图3所示。

5.4 外部特性分析

改变放大器的外部参数,输出电压发生变化。利用Multisim的参数扫描分析功能,可以将电压的变化曲线在同一个图形中显示出来,曲线如图6、图7所示。曲线幅值由小到大分别对应负载和集电极电源电压。在图6中负载较小时,输出信号出现失真,且幅值较小。当负载大小在6 kΩ~10 kΩ变化时,幅度基本保持不变,说明放大器已经处于过电压状态。此时集电极电流出现失真,顶部出现凹陷。这种情况无法采用现有的仪器设备进行观测,而采用Multisim的后处理即可得到电流曲线(如图8)。在图7中集电极电源电压在2~20 V之间变化,输出电压逐渐增大,基本成线性增加。

六、结束语

本文利用电子设计工具软件Multisim2001设计了高频功率放大器, 并对其各项性能进行仿真分析。仿真结果表明放大器的各项性能与理论分析结果相一致,并能够得到实际电子仪器设备无法观测的图形和曲线,放大器满足设计要求,性能良好。高频功率放大器是通信系统中发送装置的主要组件,经过对高频功率放大器电路的设计使我对高频电路课程有了更深一步的了解,课程设计是培养学生综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。此次的高频课程设计,不仅让我加深了对电子电路理论知识的理解,还加强和同学交流沟通的能力,在设计电路时和同组成员共同讨论解决问题,同时设计出的电路经过Multisim软件仿真达到预期的放大效果,了解了Multism软件的使用。总之,这次课程设计让我受益匪浅,收获很大,学到了真正的知识。

- 10 -

参考文献:

[1]张肃文,陆兆熊.高频电子线路[M].北京:高等教育出版社, 1992.

[2]陈松,金鸿.电子设计自动化技术Multisim2001 & Protel99se[M].南京:东南大学出版社, 2001.

[3]路勇.电子电路实验及仿真[M]. 2版.北京:清华大学出版社, 2004.

[4]李雅茹.基于Multisim2001的DSB信号的调制与解调[J].机电技术, 2009 (4): 44-46.

[5]辛修芳,曾庆国.计算机仿真在高频电子线路教学中的应用[ J].佳木斯大学学报:自然科学版, 2010(2): 190-192.

[6]周绍平,杜洪林. Multisim仿真在“高频电子技术”教学中的应用[ J].扬州职业大学学报, 2009 (1):49-51.

- 11 -

站点地图