电缆分配系统用物理发泡同轴电缆的设计与制造

电缆分配系统用物理发泡同轴电缆的设计与制造  
（淮平）
[摘要] 介绍了电缆分配系统用物理发泡同轴电缆的结构与主要性能，阐述了其设计思路、工艺制造及关键设备要求。
[关键词] 物理发泡；同轴电缆；回波损耗；挤出生产线
1 前言
同轴电缆是被广泛应用的传输媒介。尽管光纤光缆已越来越受到人们青睐，但由于目前光缆的分支分配技术难度大以及经济上的原因，光纤光缆多用于长距离干线上，分配网络仍以同轴电缆为主。将物理发泡技术用于同轴电缆中，使同轴电缆的发展出现了崭新局面，物理发泡同轴电缆在有线电视传输领域、移动通信系统、卫星通信以及国防重点项目等领域都将获得较为广泛的应用。
电缆分配系统用物理发泡PE（聚乙烯）绝缘同轴电缆应用于CATV系统和其它电子装置中，它具有优良的高频性能、衰减低、一致性好、弯曲半径小、不易受潮、结构性能稳定、使用寿命长，而且发泡度高、节省材料。
2 电缆分配系统用物理发泡PE绝缘同轴电缆的结构与主要性能
2.1 结构
电缆分配系统用物理发泡同轴电缆由内导体、绝缘、外导体和护层四个部分组成。
1）内导体
内导体要求有较好的电气性能，一定的机械强度和柔软性，常用的内导体是实心铜线，也可用铜包钢线或铜包铝线。
2）绝缘
绝缘材料和结构的选取应使电缆有尽可能低的传输损耗，足以保证内、外导体始终处于同轴位置，物理发泡PE绝缘是一种半空气绝缘结构，是目前绝缘形式的最佳选择。
3）外导体
外导体要求有良好的机械、物理及密封性能、常用结构有两种：a）铝塑复合带纵包加镀锡铜线（或铝镁合金线）编织外导体。b）铝管外导体，这种结构屏蔽性能、机械性能及密封防潮性能都较好。
4）护层
常用护套料有聚乙烯和聚氯乙烯、防止护套受到机械外力、潮气、腐蚀、高低温环境等因素影响。
2.2 主要性能
1）特性阻抗
电缆分配系统用同轴电缆首先要考虑的主要参数就是特性阻抗。传输线匹配的条件是线路终端负载阻抗正好等于该传输线的特性阻抗，此时没有能量的反射，因而有最高的传输效率。在CATV系统中的标准特性阻抗为75Ω。特性阻抗取决于电缆的结构尺寸和绝缘材料的介电常数。
2）衰减常数
衰减常数反映了电磁波能量沿电缆传输时的损耗大小，通常要求电缆有尽可能低的衰减常数。
衰减由内外导体的损耗与支撑该导体的绝缘材料的介质损耗之和构成，其中导体损耗占主要地位，尤以内导体的衰减最大，约占整个导体衰减的80％。低频端主要是导体衰减，随着频率提高，介质衰减也随之增大，在高频端的导体衰减和介质衰减约各占80％。
3）回波损耗
电缆制造过程中产生的结构尺寸偏差和材料变形，会使电缆的特性阻抗产生局部的不均匀，当电缆加上传输信号时，这些地方便会出现信号的反射。回波损耗越大，反射系数越小，则表示电缆内部均匀性越好。
4）工作电容
电容是同轴电缆重要参数之一，当应用同轴电缆传输脉冲信号时，为减少波形畸变，要求电缆具有尽可能低的电容值。
5）屏蔽性能
屏蔽性能不良的系统，会破坏信号的正常传输，影响通信业务的正常进行，降低系统的传输质量。电缆分配系统用同轴电缆屏蔽性能的好坏，可以用屏蔽系数、屏蔽衰减来反映。屏蔽衰减越大，屏蔽系数越小，表示电缆屏蔽性能越好。
3 物理发泡PE绝缘同轴电缆工艺要求及关键设备
3.1 物理发泡PE绝缘单线的工艺要来
物理发泡同轴电缆性能的好坏，取决于单线的结构和质量，因此单线制造过程中应满足以下工艺要求：
1）内结皮应尽可能薄且均匀一致，同心度高，为减小衰减，内结皮厚度应控制在0.05mm左右。
2）物理发泡方式为氮气发泡，发泡度最高应达到75％，泡沫绝缘层应均匀、致密，每个泡沫孔均应密闭，绝缘应圆整均匀，同心度高。绝缘外径公差≤±0.1mm；同轴电容公差≤±1.5pF／m。
3）物理发泡绝缘材料由基本树脂、发泡剂、成核剂构成。a）基本树脂采用LDPE（低密度聚乙烯）和HDPE（高密度聚乙烯）以一定比例混合或专用物理发泡绝缘料。b）发泡剂为氮气。c）成核剂配量不同，种类亦不同。当采用ADCA（偶氮二甲酸胺（成核剂））时，虽然发泡挤出性能好，气泡细微，但高频性能差；若采用美国AK20公司的02-320A2无机型成核剂，挤出性能好，高频性能好，气泡细微，而且不会热分解，但价格较高。
4）生产线速度最高应达到120m／min，生产线速度快，可以弥补出胶量不均匀所造成的缺陷，提高回波损耗值。
3.2 物理发泡挤出生产线技术要来
物理发泡同轴电缆的最关键设备就是绝缘挤出生产线。1996年以前，我国生产的物理发泡同轴电缆的厂家主要依靠引进瑞士、芬兰、美国等设备，费用较昂贵，最近几年，国内一些设备厂家也陆续开发出了物理发泡专用挤出生产线，而且生产出来的产品，也符合标准要求，设备价格却不到进口设备的1／10，有较好的性能价格比。笔者通过对多家产品生产厂和设备生产厂的调研之后证实，只要设备达到如下所述的配置，即可满足电缆分配系统用物理发泡同轴电缆的生产需求，而且产品能够符合GY／T135－1999及SJ／T11138.1－4 1997等标准的要求。
1）主动放线系统
通过恒张力调节系统来调整放线张力，保持速度稳定，放线张力应能满足实心铜线、铜包钢线、铜包铝线等导体要求。
2）拉丝校直装置
采用聚晶模拉拔，配循环冷却系统，解决铜线非一致性、微弯等问题，改善电缆的回波损耗，实践证明，增加拉丝校直装置后，回波损耗一般可增加2dB。
3）牵引系统
设备牵引的稳定性是生产物理发泡单线的关键因素之一，应采用前后双牵引，而且前后牵引均为主动式双轮卧式牵引机。轮径为1000mm，由变频调速装置和恒张力调节系统组成，保证牵引稳定，前后同步。1000mm卧式主动牵引，由于轮径大，既可增加牵引稳定性，又可减少铜线微弯，保证了产品性能。牵引速度最大应达到120m／min。
4）收线系统
通过恒张力调节系统来调整收线电机速度，以跟踪生产线速度。
5）导线预热装置
在内结皮挤出前将铜线预热，可提高绝缘层与铜线的剥离强度。应采用变频感应加热方式，根据产品及牵引速度，自动跟踪调节温度，铜线应平直通过预热装置，以减少微弯。
6）内结皮挤出机
为使发泡体和导线能有效地粘结，导体在进行发泡挤出前，需挤塑一层很薄的LDPE料作为内结皮，其厚度和同心度对最终产品性能影响较大，因此，应采用交流电机和交流变频调速装置与主控系统及测径装置组成双闭环调速控制系统，以确保稳定、均匀地挤出极薄的结层。机头应采用自定心模具。
7）充气气路系统
目前有低压注氮系统和高压注氮系统两种配置，它们要求的挤塑机螺杆结构不一样，注气压力差别也很大。低压注氮压力一般为3－6MPa，而高压注氮压力是机膛内塑料压力的1.9倍，如机膛压力为15MPa，则注气压力为28.5MPa。
a）低压注氮系统
2－5只氮气瓶组成多路汇流系统，应配有减压器和流量自动控制器，流量可根据所测在线电容大小来自动调整，亦可人工调整，另配有注入阀，保证压力稳定，其中含一止逆装置，防止塑料倒流。
b）高压注氮系统
通过压缩空气启动注入泵，在一定压力下使氮气增压泵升压，并通过稳流阀进行控制，然后从喷头把氮气注入到挤出机中，该装置可提高注气压力，用尽瓶中气体。在生产大线径物理发泡PE绝缘料时，该系统与低压注氮系统相比有较强的优越性。
8）发泡挤出主机
采用直流电机和全数字直流调速装置来实现调速，保证挤出量稳定，螺杆直径有65mm和90mm两种，可根据电缆线径大小进行选用，长径比应不低于34：1，保证挤出的绝缘层发泡度符合设计要求，发泡孔细腻均匀、闭合。
9）冷却系统
包括可移式温水槽和冷水槽及吹干器。温水槽水温可自动控制与显示。
10）电气控制系统
生产线应采用计算机在线集中控制，可在计算机上集中显示与控制：绝缘外径、电容、线速度、长度、机头熔体压力、挤出机温度、水温、注氮口熔体压力、氮气压力、流量、螺杆转速等。并能根据电容、外径等变化，由PLC等驱动几个内置控制器，精确修正生产线生产状态的各项参数，保持生产线自动化。
11）在线检测系统
生产发泡电缆时，应同时具备外径和同轴电容测量装置，外径测量包括内结皮外径及发泡绝缘层外径。外径和电容测量均应具备反馈功能，使生产线构成闭环反馈，自动控制电缆的绝缘外径和发泡度等，以充分保证发泡电缆质量。另外，通过对电容的测量，还可以反映出单线中导体的偏心情况。
4 结束语
随着社会信息化的进程，通信事业迅速发展，集电视、广播、通信、数字传输于一体的多功能双向系统，在发达国家已被广泛应用，我国也正朝这方面发展。物理发泡同轴电缆因其回波损耗大、衰减小、高频性能好等优点，已成为较为理想的传输线，具有广阔的市场前景。
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