地暖電纜設計制造

楊宇怡 馬越 秦荔

摘要：本著節約能源資源和保護環境的初衷，同時為了滿足市場的需求，鄭州電纜有限公司開發研制出了單芯無磁場發熱電纜和雙芯無磁場發熱電纜，簡稱地暖電纜。地暖電纜解決了冬季可選擇性（局部）的采暖問題，節約了能源。該電纜和熱電偶配合使用具有優良的加熱保溫性能和良好的節能環保特性。文章介紹了地暖電纜的結構設計、設計原理和制造工藝要點。

關鍵詞：地暖電纜；發熱金屬絲；絕緣材料；屏蔽層；護套

中圖分類號：TU832文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2012）15-0018-03

1設計原理

1.1定義

所謂地暖電纜就是指單芯無磁場發熱電纜或雙芯無磁場發熱電纜，按照設計要求，安裝在地面下，通電后電纜發熱，使相應局部空間溫度上升的電纜。

1.2工作原理

地暖電纜的工作原理其實很簡單，與水暖地暖的工作原理基本一致。不同點是：水暖地暖的發熱原理采用的是管道中的熱水。而地熱電纜的發熱原理是，電纜中金屬絲通電后發熱，然后將產生的熱量傳導到蓄熱層，促使相應的局部空間溫度上升。結合加熱空間的大小，對金屬絲的選型是一個重要環節，根據不同的加熱空間要選用不同規格的發熱合金絲；還有就是冷線（導線）和發熱線的聯接頭非常重要，聯接頭做的好壞直接影響地暖電纜的質量。

1.3基本特點

地暖電纜具有發熱快、占用房間高度空間少、適用范圍廣、智能控溫、壽命長、免維護、環保的特點。

1.4安全性

電纜的金屬屏蔽層，可有效的阻止電磁輻射，保護用戶的安全使用。發熱金屬絲采用熱穩定性較高的合金絲，絕緣和護套同樣為穩定性較好的交聯聚乙烯絕緣料和聚乙烯護套料，壽命可達30年

以上。

1.5設計原理

1.5.1結構

地暖電纜的結構是由其基本特點（發熱快、占用房間高度空間少、適用范圍廣、智能控溫、壽命長、免維護、環保）和安全性（防電磁輻射、壽命）所決定的。電纜由外至內的結構為：外護套、金屬屏蔽（引流線）、絕緣、發熱金屬絲。

1.5.2發熱金屬絲的選型

根據地暖電纜的特點，在選用發熱金屬絲材料時，要求結合加熱空間的大小，選擇有合適電阻率的金屬絲，使其在工頻220V電壓下，滿足單位長度設計的額定功率。

如果電阻率不合適，過大或過小，則加熱電纜的長度就會很短或很長；或者說發熱金屬絲就會很粗或很細，這樣就會給制造加工和使用安裝造成困難。除此之外，對發熱金屬絲的熔點要求比較高，不能發熱了就熔化了；同時在溫度較高時，發熱金屬絲的化學穩定性要比較高，不能很快就氧化而縮短壽命。在電壓一定時，隨著溫度的升高，發熱合金絲的電阻會增大，功率是會有些下降的。當發熱與散熱達到平衡時，溫度就會穩定下來。電阻絲的功率，由材料（電阻率）、電阻絲的粗細、長度來決定。如果是同一種材料，電阻絲越長、越細，電阻也就越大，功率就越小。發熱金屬絲的工作溫度，在地暖電纜產品設計時，就確定好了。比如，地暖電纜設計工作溫度只有幾十度，根據房間的面積、散熱情況來選定發熱合金絲的單位長度的額定功率。如果使用中改變了使用條件，如將單位長度的額定功率增加一倍，造成地暖電纜散熱不暢，就很容易引起地暖電纜的故障。地暖電纜溫度控制，需要用功率和熱能的轉換公式來計算。

電功率公式：P=W/t=電功/時間

電功公式：W=UIt=電壓*電流*時間

焦耳定律公式：Q=I2×Rt或熱功率P=I2×R其中Q、I、R、t、P各量的單位依次為焦耳、安培、歐姆、秒和瓦特。

焦耳定律與電功公式W=UIt適用于任何元件及發熱的計算，只有在純電阻電路中才可用Q=W=UIt=I2Rt=（U2/R）×t。

熱量與溫度之間是有一定關聯的，單位質量的某種物質，溫度降低1℃或升高1℃所吸收或放出的熱量，叫做這種物質的比熱容簡稱比熱。單位：KJ/（kg.℃）根據以上闡述，經反復研究、試驗，我們決定采用鎳鉻合金絲、銅鎳合金絲作為地暖電纜的發熱金屬絲。

1.5.3絕緣材料的選用

地暖電纜的絕緣材料是由它的安全性和壽命決定的。聚乙烯受到高能射線或交聯劑的作用，在一定條件下能從線型分子結構轉變成體型三維結構，同時由熱塑性塑料轉變成不溶不熔的熱固性塑料。交聯聚乙烯與熱塑性聚乙烯比較，提高了耐熱變形性，改善了高溫下的力學性能，改進了耐環境應力龜裂與耐熱老化的性能，增強了耐化學穩定性和耐溶劑性。所以使用交聯聚乙烯可使電纜的長期工作溫度從70℃提高到90℃，特殊配方的交聯聚乙烯，長期工作溫度可達125℃和150℃。根據以上眾多優越性我們選擇交聯聚乙烯作為地暖電纜的絕緣材料。

1.5.4屏蔽層及護套材料的選用

地暖電纜的屏蔽層起電磁屏蔽的作用。電磁屏蔽即利用屏蔽材料阻隔或衰減被屏蔽區域與外界的電磁能量傳播，即對電磁能流起到反射、吸收和引導作用。研制地暖電纜時，首先應該考慮地暖電纜作為干擾源產生電磁干擾和電磁輻射對人體或周圍電子儀器的危害。一方面，電磁輻射會影響人們的身體健康，另一方面會對周圍的電子儀器設備造成嚴重干擾，使它們的工作程序發生紊亂；為防止電磁輻射造成的干擾與危害，我們采用具有高導電和高導磁性能的金屬復合帶作為電磁屏蔽材料，并以縱包的方式將地暖電纜產生的電磁干擾屏蔽掉，同時為了更有效的抑制干擾，增強地暖電纜的安全性和可靠性，我們在金屬復合帶縱包的同時縱放具有高導電性能的鍍錫銅絲作為接地引流線，有效地避免地暖電纜作為干擾源造成的危害。地暖電纜的護套材料同樣是由它的安全性和壽命決定的。高密度聚乙烯為無毒、無味、無臭的白色顆粒，熔點約為130℃，相對密度為0.941～0.960。它具有良好的耐熱性和耐寒性，化學穩定性好，還具有較高的剛性和韌性，機械強度好。介電性能，耐環境應力開裂性亦較好。熔化溫度220℃～26℃。鑒于高密度聚乙烯具有上述的優良特性，我們將它作為地暖電纜護套材料的首選。

2制造的工藝要點

2.1工藝流程

發熱合金絲絞合—絕緣擠出—絕緣線芯蒸煮（一步法硅烷交聯料不需要蒸煮）—接地屏蔽護套聯合擠出—成品試驗—入庫。

2.2絕緣層擠包

在硅烷交聯聚乙烯的生產工藝中應注意以下幾個方面：

防止雜質混入。絕緣材料從儲存處到加入擠出機的清潔度，對絕緣層的加工質量起著至關重要的作用。電纜的擊穿場強，很大程度上取決于對材料清潔度所采取的預防措施。如果加工過程中絕緣材料混入雜質，則會引起電纜絕緣的擊穿；防止材料在擠出機或機頭內停滯時間過長。在擠出機和機頭的連接區，在機頭的流料腔中，應防止由于死角的存在而使材料停滯焦燒，焦燒產生的雜質，會使交聯聚乙烯產生電樹枝和電化樹枝，從而引起電纜絕緣的擊穿；在擠塑加工交聯聚乙烯前，一般先用相容性的聚乙烯試運轉，用以清洗螺桿，直到擠出系統穩定為止。擠塑結束后，必須再用聚乙烯清洗擠出機，以防止停機后硅烷交聯聚乙烯凝結殘留在擠出機內。當然最好的辦法是擦拭機頭和螺桿。

2.3接地屏蔽、護套聯合擠出

地暖電纜在接地屏蔽、護套聯合擠出時，屏蔽用金屬塑料復合帶的質量是關鍵。首先根據地暖電纜設計要求的寬度，把金屬塑料復合帶分切成條，分切質量的好壞直接影響地暖電纜生產。復合帶分切后應無刀痕、無荷葉邊、端面平整，復合帶放出來的時侯應該是平直的，這樣，復合帶在經過彎邊模、初成型模、成型模和定徑模過程中易于成型，搭蓋處不易翹起，粘結良好，電纜的屏蔽及擠出后的外觀效果好。反之則不然。

復合帶的帶面動摩檫系數對地暖生產工藝的影響是明顯的，特別是鋁塑復合帶，因為它的機械強度、抗拉力、抗變形能力相對要小得多。實際工作中，除了工藝調整問題、故障或其他人為因素外，復合帶本身過大的動摩擦系數往往是造成地暖電纜生產中鋁塑復合帶斷帶的主要原因。生產地暖電纜時采用帶面摩擦系數小的復合帶，復合帶變形小、易成型，它帶來的好處首先是不易斷帶，減少了斷帶的麻煩；其次是在工藝配合良好的情況下，可以明顯提高生產線速度，即提高工作效率；最大的好處還是保證了地暖電纜的質量，同時對保證地暖電纜的安全使用和壽命有好處。單盤長度長的金屬塑料復合帶可以使地暖電纜生產時少接續，減少接續時的風險，減少廢品率和提高生產效率；而單盤金屬塑料復合帶內無接頭，則可以降低地暖電纜生產中斷帶的風險。

3熱線和冷線的連接頭

地暖電纜的冷熱線聯接頭分為外置式和內置式。我們采用的是外置式聯接頭。

內置式連接頭是將冷線與發熱線焊好后，使其在同一道工序中進行絕緣擠出，擠出后的絕緣線芯通過6000伏的高壓檢測，如果達不到耐壓要求就會被擊穿；地暖電纜生產工藝的特殊性，主要在發熱線與冷線（導線）之間的接頭不好處理上，接頭工藝的好壞直接影響地暖電纜的運行壽命。發熱線是合金絲，而冷線（導線）是銅，二者焊接需通過特殊工藝才能焊好，而且兩種線的線徑不同，軸心的對中需要很精密的夾具才能保證。接頭處因焊接而產生應力集中，很容易使接頭部位虛焊或產生氣泡、裂紋等焊接不良。同時，發熱線加熱，而冷線不發熱，二者之間的變形很大。發熱電纜出現問題的部位很大程度上都是在接頭部位出現的；外置式接頭是將成圈的地暖電纜（熱線），與加工好的導線（冷線）通過特殊工藝焊接起來，通常是將地暖電纜與導線分別剝離后，把合金絲和銅導體焊接在一起，處理好絕緣層，外屏蔽層同樣接好，然后接頭處用注塑的方式將接頭處密封好，使其充分與地暖電纜和冷線結合，在此過程中，如果接頭不慎很容易將導線接頭與屏蔽層接頭接在一起，造成屏蔽層帶電，這樣是非常危險的。另外，外面的塑料件如果注塑不好，在施工時很容易使接頭進水，從而在接頭處帶電。

所以，針對外置式地暖電纜的熱線和冷線接頭技術首先抗拉力需在200牛頓以上；其次絕緣性測試，堿液加溫到50攝氏度，接點完全震動浸泡4小時后，測絕緣電阻達500兆歐，耐壓1800V一分種無閃烙；最后，接觸電阻應為零歐姆。接頭如有接觸電阻，會導致接觸點發熱、絕緣層破裂或接觸點出現打火，造成火災或產生電腐蝕，從而熔斷接觸點。

4結語

鄭州電纜有限公司地暖電纜，已經通過省級鑒定，各項性能指標經國家電線電纜質量監督檢測中心檢測，符合企業標準要求，并且廣泛應用在各個領域。

參考文獻

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作者簡介：楊宇怡（1963-），女，上海人，鄭州電纜有限公司工程師，研究方向：電線電纜工藝與制造。

（責任編輯：周加轉）