導(dǎo)體絞制是指將若干根相同直徑或不同直徑的單線, 按一定的方向和一定的規(guī)則絞合在一起,成為一個整體的絞合線芯。大截面實心導(dǎo)體由于不易彎曲而不能順利敷設(shè)、成型和連接。絞合導(dǎo)體解決了這一問題。采用何種絞合方式取決于選用何種金屬以及金屬的特性。
同心絞合
這是電力電纜導(dǎo)體的典型絞合方式。由中心線或者由一層或多層螺旋線圍繞的線芯構(gòu)成。每多加一層,就要比上一層多六根線芯。除單向絞合的導(dǎo)體之外,每一層的絞合方向都與下面的一層相反。對于電力電纜的導(dǎo)體,線芯是單根線材,且絞合的都是同一直徑的線材。如圖3-1所示,線芯外第一層是6根;第二層,12根;第三層,18根;以此類推。導(dǎo)體的單線在一層內(nèi)完成一個完整螺旋的距離叫做節(jié)距。節(jié)距的要求在ASTM標(biāo)準(zhǔn)第四部分中進(jìn)行了規(guī)定,節(jié)距應(yīng)在相應(yīng)絞層外徑的8~16倍之間。
在電力電纜中,絞合標(biāo)準(zhǔn)是B級。標(biāo)準(zhǔn)中要求,最外層絞向應(yīng)該是左向。也就是說當(dāng)沿電纜導(dǎo)體軸向看去,最外層的絞線在離開觀察者時是向左絞制的。通過增加導(dǎo)體的單線數(shù)量來獲得更好的柔軟性。C級比B級多一層單線,D級比C級多一層單線。級別設(shè)置一直到M級(通常用于焊接電纜等)。C級和D級導(dǎo)體的重量與B級導(dǎo)體相似,外徑在比B級導(dǎo)體大3mil的范圍內(nèi)。n=1+3N(N+1)可用于計算同心絞合導(dǎo)體的單線數(shù)量。式中,n為絞合導(dǎo)體中單線總數(shù)量;N為中心單線外的層數(shù)。
緊壓絞合
這個概念描述的是,通過絞層的輕微變形,使絞層緊密的結(jié)合。導(dǎo)體面積并未減少。最后緊壓完成的導(dǎo)體直徑可以比普通同心絞合線芯導(dǎo)體等效直徑減小不超過3%。普遍的減少量在2.5%。
減小導(dǎo)體外層節(jié)距可以解決這一問題,但又會導(dǎo)致高阻抗并且需要消耗更多的導(dǎo)體材料。
緊壓絞合是更常見的絞合方式,因為同心絞合中設(shè)置的節(jié)距,造成了導(dǎo)體中層間形成了微小的間隙。低黏度的材料擠包后“落入”形成的這些間隙中。這會導(dǎo)致表面不規(guī)則,增加要承受的電壓,并使這一層剝除難度加大。
型線絞合
這種方式與緊壓絞合類似,只是額外的成型工藝使得導(dǎo)體直徑與普通同心絞合導(dǎo)體直徑相比可以減小9%。導(dǎo)致導(dǎo)體直徑近似于實心導(dǎo)體。但空氣間隙作為潮氣的遷移通道依然存在。型線絞合導(dǎo)體主要的優(yōu)點在于減小導(dǎo)體直徑。
束絞
這個概念是用于描述在不考慮幾何排列情況下,將單線按統(tǒng)一方向集中扭絞。
這種結(jié)構(gòu)用于美國線規(guī)小尺寸導(dǎo)體對于柔軟性要求極高的電纜,如便攜式電纜,應(yīng)用于真空吸塵器、割草機(jī)等場合。
K級和M級導(dǎo)體中,單線直徑是常數(shù)。通過增加單線數(shù)量來滿足要求的導(dǎo)體截面積。
束絲復(fù)絞
這個概念用于同心絞合導(dǎo)體,其中每一根單線也是絞合過的。也就是一個同心導(dǎo)體和束絞導(dǎo)體的集合。最終導(dǎo)體是由一組束絞或同軸絞合導(dǎo)體同心組合構(gòu)成的。每一組都是由一定數(shù)量的單線構(gòu)成,而不是一根單線絞合的。對于束絲復(fù)絞導(dǎo)體的描述要給出絞線組數(shù)和每一組中單線的數(shù)量。
G級和H級電纜通常用于礦用便攜式電纜。I、L、M級電纜利用束絞電纜構(gòu)成同心電纜,單線尺寸相同,通過增加線的數(shù)量來達(dá)到需要的截面積尺寸。I級線纜使用#24AWG(0.020in)單線,L級電纜使用#30AWG(0.010in)單線,M級電纜使用#34AWG(0.0063in)單線。I級電纜通常用于鐵路,L和M級用于便攜程度更高的場合,如焊接用電纜和移動電源線。
扇形導(dǎo)體
橫截面近似是扇形的導(dǎo)體叫做扇形導(dǎo)體。典型的三導(dǎo)體電纜有三個120°的扇形,它們構(gòu)成了圓形電纜的基本形狀。這樣的電纜比相應(yīng)的同心圓導(dǎo)體電纜的外徑小一些,由于減小了鄰近效應(yīng)而可以顯示出較低的交流阻抗。
對于紙絕緣電纜,扇形導(dǎo)體大部分絞合后壓緊以獲得盡可能高的導(dǎo)體截面積與電纜截面積之比。各生產(chǎn)廠商產(chǎn)品的精確形狀和尺寸都稍有不同。
圖3-2所示是典型壓縮扇形導(dǎo)體額定尺寸。
在一定范圍內(nèi),實心而非絞合的扇形導(dǎo)體已用于低壓電纜,也曾有人試圖將這種導(dǎo)體用于中壓電纜,但基于當(dāng)時經(jīng)濟(jì)上的考慮而尚未實現(xiàn)。
分割導(dǎo)體
分割導(dǎo)體為圓形,由三個或更多的股塊絞合而成,股塊之間以薄絕緣層隔離。每股塊承載比整個導(dǎo)體小一些的電流,電流通過整個導(dǎo)體的內(nèi)外位置進(jìn)行傳輸。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于集膚效應(yīng)較低,而較小的集膚效應(yīng)使得交流阻抗比傳統(tǒng)絞合方式要低。
這種形式的導(dǎo)體應(yīng)考慮用于如1000kcmil(對應(yīng)公制507mm2)以及更大截面積承載大電流的電纜中。四分制導(dǎo)體的直徑約等于B級同心絞合導(dǎo)體直徑。
注:GB/T 18890.2-2015指出“標(biāo)稱截面積為800mm2以上的導(dǎo)體應(yīng)采用分割導(dǎo)體結(jié)構(gòu)”
環(huán)形導(dǎo)體(中空導(dǎo)體)
環(huán)形導(dǎo)體為圓形絞合導(dǎo)體,是將各單線絞合在中心的纖維繩、螺紋金屬管或I形橫梁周圍。這種導(dǎo)體的優(yōu)勢在于,對于一定截面積的導(dǎo)體,可以消除集膚效應(yīng)在中心位置的影響,使得整體交流阻抗變小。在空間允許的條件下,對于60Hz、1000kcmil及以上截面積的電纜,以及低頻條件下(如25Hz)1500kcmil(對應(yīng)公制760mm2)及以上截面積的電纜導(dǎo)體而言,環(huán)形導(dǎo)體更具經(jīng)濟(jì)性。
同向絞合導(dǎo)體
如它的名字一般,同向?qū)w所有的單線都是朝向同一方向。低壓電力電纜通常的設(shè)計是同向的,外層單線中有一部分是比其他單線直徑稍小的單線。這種絞合方式的外徑可以達(dá)到與型線絞合導(dǎo)體相近。常用的同向?qū)w是緊壓的,常用于8000系列鋁合金。