Что такое скрутка кабеля и почему она определяет характеристики каждого электрического кабеля?

Скрутка кабеля — это производственный процесс спирального скручивания нескольких отдельных проводников (обычно медных или алюминиевых проводов) вместе для формирования единой жилы кабеля, которая обеспечивает превосходную гибкость, проводимость и механическую прочность по сравнению с одним сплошным проводником той же площади поперечного сечения. Скрутка кабеля, используемая в сфере передачи электроэнергии, телекоммуникаций, автомобильной электропроводки, аэрокосмической промышленности и промышленной автоматизации, является одним из наиболее фундаментальных и важных этапов в производстве кабеля. Понимание того, как работает скрутка, какие схемы доступны и почему важна каждая конфигурация, важно для инженеров, менеджеров по закупкам и всех, кто выбирает кабели для требовательных приложений.

Как работает скрутка кабеля?

Скрутка кабеля происходит путем одновременной подачи нескольких отдельных проводов через скруточную машину, которая вращает их вокруг центральной оси по контролируемой спиральной схеме, при этом длина шага (расстояние, на котором происходит одно полное скручивание) точно спроектирована для достижения целевой гибкости, округлости и электрических характеристик.

Процесс начинается с индивидуального волочения проволоки, при котором заготовка стержня протягивается через матрицы все меньшего размера, чтобы достичь заданного сечения проволоки. Эти проволоки затем загружаются на бобины или раздаточные катушки и подаются в крутильную машину. В зависимости от метода скрутки машина либо вращает бобины вокруг неподвижной приемной бобины (планетарная или трубчатая скрутка), либо удерживает бобины неподвижными, пока весь узел вращается (жесткая скрутка или люлька).

К основным параметрам процесса, определяющим качество скрутки кабеля, относятся:

• Длина свивки (шаг): Осевое расстояние для одного полного винтового витка. Более короткая длина свивки увеличивает гибкость, но увеличивает длину каждого провода, немного увеличивая сопротивление. IEC 60228 определяет пределы длины свивки для каждого класса проводников.
• Направление укладки: Провода скручены либо в правом (Z-образная), либо в левом (S-образной) направлении. В многослойных кабелях чередование направлений S и Z в последовательных слоях предотвращает распутывание и нарастание внутреннего напряжения.
• Количество проводов: Многожильные кабели следуют геометрической последовательности упаковки — 7, 19, 37, 61, 91 провод — что обеспечивает идеальную шестиугольную упаковку круглых проводов и предсказуемую площадь поперечного сечения.
• Коэффициент уплотнения: После скрутки пресс-форма или роликовый пресс позволяют уменьшить внешний диаметр на 5–15 %, улучшая коэффициент заполнения и снижая потребность в изоляционном материале.

Какие конфигурации скрутки кабеля наиболее широко используются?

Наиболее широко используемыми конфигурациями скрутки кабеля являются концентрическая скрутка, пучковая скрутка, канатная скрутка и секторная скрутка — каждая из них оптимизирована для различного баланса гибкости, диаметра и простоты изготовления.

1. Концентрическая скрутка

Концентрическая скрутка является наиболее распространенной конфигурацией в производстве силовых кабелей, состоящей из центрального провода, окруженного последовательными слоями проводов в шестиугольной упаковке. Каждый добавленный слой увеличивает количество проводов на 6: 7-жильный провод (1 центральный 6), 19-жильный провод (1 6 12), 37-жильный провод (1 6 12 18) и так далее. Концентрическая скрутка позволяет получить круглый, механически стабильный кабель с предсказуемыми электрическими характеристиками, соответствующий классу 1 и 2 стандарта IEC 60228. Это стандартный выбор для распределительных кабелей, строительных проводов и проводов воздушной передачи.

2. Скрутка пучков

При пучковой скрутке все провода скручиваются одновременно в одном направлении без какого-либо геометрического расположения, в результате чего получаются наиболее гибкие многожильные проводники за счет менее однородного поперечного сечения. Поскольку провода не имеют фиксированного геометрического положения, многожильные кабели достигают максимальной гибкости и являются предпочтительным выбором для портативных шнуров, проводки бытовой техники, аудиокабелей и тонкопроволочных инструментальных кабелей. Проводники IEC 60228 классов 5 и 6 обычно являются многожильными, а в классе 6 используются отдельные провода более тонкого диаметра — всего 0,05 мм — для сверхгибких применений.

3. Скрутка веревки

Скрутка каната объединяет несколько предварительно свитых субпроводников (называемых «прядями» или «группами») вместе во время второй операции скрутки, создавая проводник большого диаметра с высокой гибкостью, подходящий для очень больших площадей поперечного сечения. Эта конфигурация является стандартной для больших силовых кабелей сечением более 300 мм², сварочных кабелей, горнодобывающих кабелей и морских шлангокабелей, где требуются как очень высокая токовая нагрузка, так и устойчивость к динамической усталости при изгибе. Многожильные проводники могут содержать сотни и даже тысячи отдельных проволок.

4. Переплетение секторов

Секторная скрутка придает многожильному проводнику секторное (кусок) поперечное сечение, а не круг, что позволяет собирать трех- или четырехжильные кабели со значительно меньшим общим диаметром кабеля по сравнению с круглыми проводниками того же поперечного сечения. В трехжильном кабеле с проводниками секторной формы обычно достигается уменьшение внешнего диаметра на 10–15% по сравнению с круглыми проводниками, что напрямую снижает затраты на материалы для оболочки, брони и монтажного трубопровода. Секторная скрутка является стандартной для распределительных кабелей среднего напряжения.

Сравнение конфигураций скрутки кабелей

Таблица 1. Сравнение четырех основных конфигураций скрутки кабелей по гибкости, однородности поперечного сечения, классу проводника IEC 60228 и типичному применению.

Почему важно скручивание кабеля: одножильный проводник против многожильного проводника

Многожильные проводники превосходят одножильные проводники практически во всех динамических приложениях, поскольку отдельные провода в многожильном кабеле могут скользить относительно друг друга во время изгиба, распределяя механическое напряжение по всему поперечному сечению и предотвращая усталостное разрушение, которое может быстро разрушить сплошной проводник.

Когда сплошной проводник многократно сгибается, все изгибающие напряжения концентрируются на одном внешнем волокне, что приводит к наклепу и, в конечном итоге, усталостному растрескиванию — процесс, который может произойти всего за несколько минут. 1000–5000 гибких циклов для сплошного медного проводника диаметром 1,5 мм. 7-жильный концентрический многожильный провод того же сечения выдерживает 50 000–200 000 гибких циклов в сопоставимых условиях, тогда как для тонкопроволочного многожильного проводника класса 6 может превышаться 10 миллионов циклов в оптимизированных конфигурациях.

Дополнительные преимущества многожильных проводов перед сплошными:

• Уменьшен скин-эффект на высоких частотах: На частотах выше нескольких килогерц ток стекается к внешней поверхности проводника (скин-эффект), увеличивая эффективное сопротивление. В многожильных кабелях каждый отдельный провод имеет меньший радиус, что снижает потери на скин-эффект на 5–30 % в зависимости от частоты и сечения провода.
• Более простая установка: Многожильные кабели можно прокладывать через кабелепровод, вокруг углов и через узкие места, где может произойти изгиб или перекручивание сплошного проводника.
• Отказоустойчивость: Если один провод в многожильном проводнике рвется, по остальным проводам продолжает течь ток, что снижает риск внезапного полного выхода из строя по сравнению с одножильным проводником.
• Лучшее сжатие завершения: Многожильные проводники сжимаются и деформируются более равномерно в обжимных клеммах, обеспечивая более низкое сопротивление и более надежные электрические соединения, чем одножильные проводники эквивалентного поперечного сечения.

Таблица 2. Параллельное сравнение одножильных и многожильных проводников по основным электрическим и механическим свойствам.

Как IEC 60228 классифицирует скрутку кабелей

IEC 60228 является основным международным стандартом, регулирующим классификацию многожильных проводов, определяющим шесть классов проводов в зависимости от количества и диаметра отдельных проводов, при этом более высокие номера классов указывают на большую гибкость и более тонкие сечения отдельных проводов.

• Класс 1 (твердый): Один сплошной проводник. Используется для стационарной установки в кабелепроводе или под землей, где после установки не возникает изгибов.
• Класс 2 (Многожильный, фиксированная установка): Концентрические многожильные провода с относительно большими отдельными проводами. Используется для стационарной электропроводки в зданиях, подстанциях и подземных распределительных сетях.
• Класс 3 (гибкое, ограниченное использование): Не широко упоминается в современных спецификациях; средняя гибкость.
• Класс 4 (гибкий): Многожильный провод с большим количеством и более тонкими проводами, чем у класса 2; подходит для кабелей, которые время от времени перемещаются во время эксплуатации.
• Класс 5 (гибкий, портативный): Многожильный провод из тонкого провода, подходящий для частого сгибания, портативных инструментов, удлинителей и проводов для станков.
• Класс 6 (Очень гибкий): Очень тонкие отдельные проволоки (диаметром всего 0,05 мм); Предназначен для непрерывного динамического изгиба, роботизированных кабелей, буксирных цепей и сверхгибких специальных применений.

Какие крутильные машины и технологии используются в производстве?

Современная скрутка кабеля осуществляется с помощью четырех основных типов машин — трубчатых скруток, планетарных скруток, жестких (рамных) скруток и скиповых скруток — каждая из которых подходит для определенных размеров проводников, схемы скрутки и производственных скоростей.

Трубчатые страндеры

Трубчатые крутильные машины являются наиболее распространенным типом машин для скрутки тонкой и средней проволоки, способными развивать скорость производства до 2000 метров в минуту для небольших проводов. Катушки с проволокой установлены внутри вращающейся трубки, и вращение трубки придает скручивание выходящему проводнику. Трубчатые скрутки хорошо подходят для концентрической и пучковой скрутки проводов сечением примерно до 150 мм².

Планетарные странники

Планетарные крутильные машины удерживают катушки с проволокой на одном уровне (не вращаются), в то время как несущая рама вращается вокруг центральной оси, что позволяет скручивать большие и тяжелые катушки, которые невозможно вращать на высокой скорости. Они являются стандартом для проводников большого сечения (от 185 мм² до 2500 мм²), используемых в воздушных линиях электропередачи, подводных кабелях и крупных промышленных силовых кабелях. Планетарные крутильные машины обычно работают со скоростью 30–150 об/мин, обеспечивая длину свивки 50–1500 мм.

Жесткие (рамные) страндеры

Жесткие крутильные машины вращают приемную катушку и всю раму, что позволяет очень точно контролировать длину и направление скрутки, что делает их предпочтительным выбором для специализированных телекоммуникационных кабелей, кабелей передачи данных и коаксиальных центральных проводников, где электрическая однородность имеет решающее значение.

Пропустить незнакомцев

Скрученные крутильные машины, также называемые многокруточными машинами или SZ-крутками, периодически меняют направление скрутки (SZ-скрутка), а не постоянно в одном направлении, что позволяет выполнять поточные операции, такие как нанесение сита, наполнение и обшивка, без необходимости вращать тяжелое оборудование, расположенное ниже по потоку. Скрутка SZ стала доминирующей технологией в современном производстве высокоскоростных кабелей передачи данных и оптоволоконных кабелей, где интеграция производственных линий и бережное обращение с оптическим волокном имеют важное значение.

Почему длина свивки и угол наклона имеют решающее значение при скрутке кабеля

Длина свивки, возможно, является самой важной переменной в технологии скрутки кабеля, поскольку она напрямую контролирует компромисс между гибкостью, сопротивлением постоянному току, прочностью на разрыв и диаметром кабеля.

Более короткая длина свивки означает, что каждый провод следует по более плотной спирали, что:

• Увеличивает длину провода на единицу длины кабеля — увеличивая эффективное сопротивление проводника по постоянному току, как правило, 1–3% по сравнению с теоретическим сечением.
• Повышает гибкость и сопротивление усталости при изгибе.
• Увеличивает вклад прочности на растяжение за счет блокировки между проводами.
• Немного увеличивает внешний диаметр кабеля, требуя больше изоляционного материала.

И наоборот, большая длина свивки уменьшает сопротивление и диаметр, но увеличивает жесткость и снижает способность проволоки распределять изгибающее напряжение. МЭК 60228 определяет максимальную длину свивки, кратную диаметру многожильного проводника — например, для проводника класса 2 длина свивки не должна превышать в 16 раз больше внешнего диаметра проводящего слоя.

При многослойной концентрической скрутке длина свивки каждого последующего слоя обычно устанавливается равной 1,2–1,5 раза внутреннего слоя, чтобы поддерживать постоянный угол спирали между слоями, гарантируя, что кабель остается круглым и устойчив к растрескиванию при сжатии.

Как скрутка кабеля применяется в ключевых отраслях промышленности

Характеристики скрутки кабелей существенно различаются в разных отраслях, причем в каждой отрасли предъявляются уникальные требования к диаметру провода, длине свивки, чистоте материала и геометрии проводника.

Передача и распределение электроэнергии

В проводниках воздушной передачи, таких как ACSR (алюминиевый проводник, армированный сталью), используется концентрическая скрутка кабеля со стальным сердечником для обеспечения прочности на разрыв и внешними алюминиевыми слоями для обеспечения проводимости. Типичный проводник ACSR на напряжение 400 кВ может содержать 54 алюминиевые проволоки скручены в три концентрических слоя вокруг семипроволочного стального сердечника, причем каждый слой скручен в чередующихся направлениях. Стальной сердечник обеспечивает прочность на разрыв 100–200 кН, а алюминиевые внешние слои проводят большую часть электрического тока.

Автомобильная проводка

Автомобильные кабели должны выдерживать вибрацию, воздействие масла и циклическое изменение температуры от -40°C до 125°C в течение срока службы автомобиля, превышающего 10 лет. Тонкопроволочный пучок и концентрические многопроволочные медные проводники сечением от 0,35 мм² до 4 мм² являются стандартными, с отдельными диаметрами проводов от 0,35 мм² до 4 мм². 0,1–0,25 мм . Переход на электромобили привел к значительному росту количества скруток высоковольтных кабелей для подключения аккумуляторов, инверторов и двигателей, где все чаще используются поперечные сечения 35–240 мм² и гибкие проводники класса 5 или 6.

Данные и телекоммуникации

В кабелях передачи данных скрутка отдельных витых пар контролирует перекрестные и электромагнитные помехи. Каждая пара кабеля Ethernet Cat6A или Cat8 скручена индивидуально с определенной длиной скрутки (скоростью скрутки), обычно между 12 и 25 мм , чтобы пары не выравнивались и не индуктивно связывались друг с другом. Точный контроль длины скрутки с точностью до 1 мм необходим для соблюдения ограничений по вносимым потерям в канале и посторонних перекрестных помех, определенных в TIA-568 и ISO/IEC 11801.

Аэрокосмическая и оборонная промышленность

Скрутка аэрокосмического кабеля соответствует стандартам MIL-W-22759 и AS22759, требующим использования медных проводов с серебряным или никелированным покрытием для предотвращения окисления при высоких температурах и предусматривающим очень мелкие сечения отдельных проводов (0,05–0,1 мм) для снижения веса. Аэрокосмический кабель 20 AWG, рассчитанный на непрерывную эксплуатацию при температуре 260°C, может содержать 19 или 37 посеребренных медных проводов. в концентрической многожильной конфигурации, обеспечивающей сочетание термостойкости, гибкости и веса, с которым не могут сравниться коммерческие кабели.

Часто задаваемые вопросы о скрутке кабеля

Заключение: выбор правильной скрутки кабеля для вашего применения

Выбор правильной конфигурации скрутки кабеля начинается с трех вопросов: Насколько гибким должен быть кабель при эксплуатации? Какие электрические характеристики — сопротивление постоянному току, потери переменного тока или целостность сигнала — должны быть достигнуты? И каким механическим и экологическим нагрузкам будет подвергаться кабель в течение срока службы?

Для стационарных электроустановок концентрические многожильные проводники класса 1 или класса 2 обеспечивают наименьшую стоимость и самую высокую проводимость на единицу поперечного сечения. Для промышленных машин, портативных инструментов и автомобильных жгутов тонкопроволочная скрутка класса 5 обеспечивает гибкий срок службы и упрощает установку в соответствии с требованиями применения. Для крупной инфраструктуры передачи данных, скручивание секторов, конструкция Milliken и конструкции ACSR обеспечивают уникальное сочетание пропускной способности по току, механической прочности и управления потерями переменного тока, которого одновременно не может достичь ни одна готовая конфигурация.

По мере ускорения электрификации в сфере транспорта, возобновляемых источников энергии и промышленной автоматизации, технология скрутки кабелей продолжает развиваться — благодаря инновациям в области сверхтонкого волочения проволоки, усовершенствованным инструментам для уплотнения, интеграции скрутки SZ, а также проводниковым материалам на биологической основе или из переработанных материалов, расширяющим границы возможностей многожильных кабелей. Понимание основ скрутки кабеля сегодня остается таким же важным, как и в те времена, когда более века назад был протянут и скручен первый телеграфный провод.