摘要：本着节约能源资源和保护环境的初衷，同时为了满足市场的需求，郑州电缆有限公司开发研制出了单芯无磁场发热电缆和双芯无磁场发热电缆，简称地暖电缆。地暖电缆解决了冬季可选择性（局部）的采暖问题，节约了能源。该电缆和热电偶配合使用具有优良的加热保温性能和良好的节能环保特性。文章介绍了地暖电缆的结构设计、设计原理和制造工艺要点。
关键词：地暖电缆；发热金属丝；绝缘材料；屏蔽层；护套
中图分类号：TU832 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）15-0018-03
1 设计原理
1.1 定义
所谓地暖电缆就是指单芯无磁场发热电缆或双芯无磁场发热电缆，按照设计要求，安装在地面下，通电后电缆发热，使相应局部空间温度上升的电缆。
1.2 工作原理
地暖电缆的工作原理其实很简单，与水暖地暖的工作原理基本一致。不同点是：水暖地暖的发热原理采用的是管道中的热水。而地热电缆的发热原理是，电缆中金属丝通电后发热，然后将产生的热量传导到蓄热层，促使相应的局部空间温度上升。结合加热空间的大小，对金属丝的选型是一个重要环节，根据不同的加热空间要选用不同规格的发热合金丝；还有就是冷线（导线）和发热线的联接头非常重要，联接头做的好坏直接影响地暖电缆的质量。
1.3 基本特点
地暖电缆具有发热快、占用房间高度空间少、适用范围广、智能控温、寿命长、免维护、环保的特点。
1.4 安全性
电缆的金属屏蔽层，可有效的阻止电磁辐射，保护用户的安全使用。发热金属丝采用热稳定性较高的合金丝，绝缘和护套同样为稳定性较好的交联聚乙烯绝缘料和聚乙烯护套料，寿命可达30年
以上。
1.5 设计原理
1.5.1 结构
地暖电缆的结构是由其基本特点（发热快、占用房间高度空间少、适用范围广、智能控温、寿命长、免维护、环保）和安全性（防电磁辐射、寿命）所决定的。电缆由外至内的结构为：外护套、金属屏蔽（引流线）、绝缘、发热金属丝。
1.5.2 发热金属丝的选型
根据地暖电缆的特点，在选用发热金属丝材料时，要求结合加热空间的大小，选择有合适电阻率的金属丝，使其在工频220V电压下，满足单位长度设计的额定功率。
如果电阻率不合适，过大或过小，则加热电缆的长度就会很短或很长；或者说发热金属丝就会很粗或很细，这样就会给制造加工和使用安装造成困难。除此之外，对发热金属丝的熔点要求比较高，不能发热了就熔化了；同时在温度较高时，发热金属丝的化学稳定性要比较高，不能很快就氧化而缩短寿命。在电压一定时，随着温度的升高，发热合金丝的电阻会增大，功率是会有些下降的。当发热与散热达到平衡时，温度就会稳定下来。电阻丝的功率，由材料（电阻率）、电阻丝的粗细、长度来决定。如果是同一种材料，电阻丝越长、越细，电阻也就越大，功率就越小。发热金属丝的工作温度，在地暖电缆产品设计时，就确定好了。比如，地暖电缆设计工作温度只有几十度，根据房间的面积、散热情况来选定发热合金丝的单位长度的额定功率。如果使用中改变了使用条件，如将单位长度的额定功率增加一倍，造成地暖电缆散热不畅，就很容易引起地暖电缆的故障。地暖电缆温度控制，需要用功率和热能的转换公式来计算。
电功率公式：P=W/t=电功/时间
电功公式：W=UIt=电压*电流*时间
焦耳定律公式：Q=I2×Rt或热功率P=I2×R其中Q、I、R、t、P各量的单位依次为焦耳、安培、欧姆、秒和瓦特。
焦耳定律与电功公式W=UIt适用于任何元件及发热的计算，只有在纯电阻电路中才可用Q=W=UIt=I2Rt=（U2/R）×t。
热量与温度之间是有一定关联的，单位质量的某种物质，温度降低1℃或升高1℃所吸收或放出的热量，叫做这种物质的比热容简称比热。单位：KJ/（kg.℃）根据以上阐述，经反复研究、试验，我们决定采用镍铬合金丝、铜镍合金丝作为地暖电缆的发热金属丝。
1.5.3 绝缘材料的选用
地暖电缆的绝缘材料是由它的安全性和寿命决定的。聚乙烯受到高能射线或交联剂的作用，在一定条件下能从线型分子结构转变成体型三维结构，同时由热塑性塑料转变成不溶不熔的热固性塑料。交联聚乙烯与热塑性聚乙烯比较，提高了耐热变形性，改善了高温下的力学性能，改进了耐环境应力龟裂与耐热老化的性能，增强了耐化学稳定性和耐溶剂性。所以使用交联聚乙烯可使电缆的长期工作温度从70℃提高到90℃，特殊配方的交联聚乙烯，长期工作温度可达125℃和150℃。根据以上众多优越性我们选择交联聚乙烯作为地暖电缆的绝缘材料。
1.5.4 屏蔽层及护套材料的选用
地暖电缆的屏蔽层起电磁屏蔽的作用。电磁屏蔽即利用屏蔽材料阻隔或衰减被屏蔽区域与外界的电磁能量传播，即对电磁能流起到反射、吸收和引导作用。研制地暖电缆时，首先应该考虑地暖电缆作为干扰源产生电磁干扰和电磁辐射对人体或周围电子仪器的危害。一方面，电磁辐射会影响人们的身体健康，另一方面会对周围的电子仪器设备造成严重干扰，使它们的工作程序发生紊乱；为防止电磁辐射造成的干扰与危害，我们采用具有高导电和高导磁性能的金属复合带作为电磁屏蔽材料，并以纵包的方式将地暖电缆产生的电磁干扰屏蔽掉，同时为了更有效的抑制干扰，增强地暖电缆的安全性和可靠性，我们在金属复合带纵包的同时纵放具有高导电性能的镀锡铜丝作为接地引流线，有效地避免地暖电缆作为干扰源造成的危害。地暖电缆的护套材料同样是由它的安全性和寿命决定的。高密度聚乙烯为无毒、无味、无臭的白色颗粒，熔点约为130℃，相对密度为0.941～0.960。它具有良好的耐热性和耐寒性，化学稳定性好，还具有较高的刚性和韧性，机械强度好。介电性能，耐环境应力开裂性亦较好。熔化温度220℃～26℃。鉴于高密度聚乙烯具有上述的优良特性，我们将它作为地暖电缆护套材料的首选。
2 制造的工艺要点
2.1 工艺流程
发热合金丝绞合—绝缘挤出—绝缘线芯蒸煮（一步法硅烷交联料不需要蒸煮）—接地屏蔽护套联合挤出—成品试验—入库。
2.2 绝缘层挤包
在硅烷交联聚乙烯的生产工艺中应注意以下几个方面：
防止杂质混入。绝缘材料从储存处到加入挤出机的清洁度，对绝缘层的加工质量起着至关重要的作用。电缆的击穿场强，很大程度上取决于对材料清洁度所采取的预防措施。如果加工过程中绝缘材料混入杂质，则会引起电缆绝缘的击穿；防止材料在挤出机或机头内停滞时间过长。在挤出机和机头的连接区，在机头的流料腔中，应防止由于死角的存在而使材料停滞焦烧，焦烧产生的杂质，会使交联聚乙烯产生电树枝和电化树枝，从而引起电缆绝缘的击穿；在挤塑加工交联聚乙烯前，一般先用相容性的聚乙烯试运转，用以清洗螺杆，直到挤出系统稳定为止。挤塑结束后，必须再用聚乙烯清洗挤出机，以防止停机后硅烷交联聚乙烯凝结残留在挤出机内。当然最好的办法是擦拭机头和螺杆。
2.3 接地屏蔽、护套联合挤出
地暖电缆在接地屏蔽、护套联合挤出时，屏蔽用金属塑料复合带的质量是关键。首先根据地暖电缆设计要求的宽度，把金属塑料复合带分切成条，分切质量的好坏直接影响地暖电缆生产。复合带分切后应无刀痕、无荷叶边、端面平整，复合带放出来的时侯应该是平直的，这样，复合带在经过弯边模、初成型模、成型模和定径模过程中易于成型，搭盖处不易翘起，粘结良好，电缆的屏蔽及挤出后的外观效果好。反之则不然。
复合带的带面动摩檫系数对地暖生产工艺的影响是明显的，特别是铝塑复合带，因为它的机械强度、抗拉力、抗变形能力相对要小得多。实际工作中，除了工艺调整问题、故障或其他人为因素外，复合带本身过大的动摩擦系数往往是造成地暖电缆生产中铝塑复合带断带的主要原因。生产地暖电缆时采用带面摩擦系数小的复合带，复合带变形小、易成型，它带来的好处首先是不易断带，减少了断带的麻烦；其次是在工艺配合良好的情况下，可以明显提高生产线速度，即提高工作效率；最大的好处还是保证了地暖电缆的质量，同时对保证地暖电缆的安全使用和寿命有好处。单盘长度长的金属塑料复合带可以使地暖电缆生产时少接续，减少接续时的风险，减少废品率和提高生产效率；而单盘金属塑料复合带内无接头，则可以降低地暖电缆生产中断带的风险。
3 热线和冷线的连接头
地暖电缆的冷热线联接头分为外置式和内置式。我们采用的是外置式联接头。
内置式连接头是将冷线与发热线焊好后，使其在同一道工序中进行绝缘挤出，挤出后的绝缘线芯通过6000伏的高压检测，如果达不到耐压要求就会被击穿；地暖电缆生产工艺的特殊性，主要在发热线与冷线（导线）之间的接头不好处理上，接头工艺的好坏直接影响地暖电缆的运行寿命。发热线是合金丝，而冷线（导线）是铜，二者焊接需通过特殊工艺才能焊好，而且两种线的线径不同，轴心的对中需要很精密的夹具才能保证。接头处因焊接而产生应力集中，很容易使接头部位虚焊或产生气泡、裂纹等焊接不良。同时，发热线加热，而冷线不发热，二者之间的变形很大。发热电缆出现问题的部位很大程度上都是在接头部位出现的；外置式接头是将成圈的地暖电缆（热线），与加工好的导线（冷线）通过特殊工艺焊接起来，通常是将地暖电缆与导线分别剥离后，把合金丝和铜导体焊接在一起，处理好绝缘层，外屏蔽层同样接好，然后接头处用注塑的方式将接头处密封好，使其充分与地暖电缆和冷线结合，在此过程中，如果接头不慎很容易将导线接头与屏蔽层接头接在一起，造成屏蔽层带电，这样是非常危险的。另外，外面的塑料件如果注塑不好，在施工时很容易使接头进水，从而在接头处带电。
所以，针对外置式地暖电缆的热线和冷线接头技术首先抗拉力需在200牛顿以上；其次绝缘性测试，碱液加温到50摄氏度，接点完全震动浸泡4小时后，测绝缘电阻达500兆欧，耐压1800V一分种无闪烙；最后，接触电阻应为零欧姆。接头如有接触电阻，会导致接触点发热、绝缘层破裂或接触点出现打火，造成火灾或产生电腐蚀，从而熔断接触点。
4 结语
郑州电缆有限公司地暖电缆，已经通过省级鉴定，各项性能指标经国家电线电缆质量监督检测中心检测，符合企业标准要求，并且广泛应用在各个领域。
参考文献
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作者简介：杨宇怡（1963-），女，上海人，郑州电缆有限公司工程师，研究方向：电线电缆工艺与制造。
（责任编辑：周加转）