电缆的技术原理远不止是“用金属线导电”那么简单。它是一门融合了材料科学、电磁学、绝缘技术和机械设计的综合工程。

我们可以将电缆的技术原理拆解为以下几个核心层面：

一、 核心目标：高效、安全、可靠地传输电能或信号

所有技术都围绕这个目标展开。

二、 基本结构原理：分层防护

一根典型的电力电缆就像一个精心设计的“洋葱”，每一层都有其不可替代的功能。

从内到外依次为：

导体：

导电率：追求低电阻以减少能量损耗（发热）。铜的导电性优于铝。

绞合：多根细丝绞合而成，增加柔韧性，便于生产和敷设。

截面形状：中高压电缆采用扇形或瓦形导体，以优化空间、减小外径。

原理：利用金属（铜、铝）内部自由电子的定向移动形成电流。

技术关键：

绝缘层：

介电强度：承受高电压而不被击穿的能力。

耐热等级：决定电缆的载流量（YJV-90℃, YJLV-105℃等）。

材料演进：

PVC（聚氯乙烯）：机械性好，成本低，用于低压。

XLPE（交联聚乙烯）：通过交联工艺，将聚乙烯的线性分子结构变为三维网状结构。这是革命性进步，使其耐热性、机械强度和耐老化性大幅提升，成为中高压电缆的主流。

EPR（乙丙橡胶）：柔韧性极佳，用于需要频繁移动的场合。

原理：用高电阻率材料包裹导体，将电流严格限制在导体内，是电缆的核心安全部件。

技术关键：

屏蔽层（中高压及以上电缆必备）：

导体屏蔽：在导体和绝缘之间涂覆半导电材料，平滑电场，消除导体表面毛刺引起的电场畸变，防止局部放电。

绝缘屏蔽：在绝缘层外涂覆半导电材料，同样用于均匀电场。它与外部的金属屏蔽层接触。

金属屏蔽：通常为铜带或铜丝编织。其核心原理是法拉第笼效应：

将电缆运行时在绝缘表面感应的电荷导入大地，使电缆外部的电场为零，保护人身安全。

作为故障电流的通道（如短路时），配合继电保护系统动作。

原理：

护套层：

原理：电缆的“铠甲”，提供整体机械保护（抗压、抗拉、抗冲击）、防化学腐蚀、防潮、防日光老化。

材料：PVC、PE（聚乙烯）、ST8（特种防鼠蚁材料）等。

铠装层（可选）：

原理：在护套内或外增加金属层（钢带、钢丝），提供极强的机械保护，用于直埋、易受外力损伤或需要承受大拉力的场合（如海底电缆）。

三、 关键技术原理详解

电场均匀化原理（绝缘的核心）

在直流电路中，电场分布由电阻决定。但在交流电缆中，电场分布由介电常数决定。

如果不采取屏蔽措施，导体表面的电场会非常集中（曲率半径小），极易导致绝缘局部击穿。

解决方案：采用“导体屏蔽 + 绝缘 + 绝缘屏蔽”的三层共挤结构。两个半导电层与导体等电位，使中间的绝缘层承受均匀的径向电场，极大提升了绝缘效率和电缆的工作电压等级。

集肤效应与邻近效应

集肤效应：交流电通过导体时，电流会趋向于集中在导体表面流动，中心部分电流密度变小。这导致导体的有效电阻增加，损耗加大。

对策：对于大截面电缆，采用分割导体（如Milliken结构）或采用多根较小截面的电缆并联，以增加表面积。

邻近效应：相邻导体通以交流电时，彼此的磁场会相互作用，导致电流分布进一步不均，增加损耗。合理的相序排列和电缆间距可以减轻此效应。

电容与充电电流

导体与金属屏蔽层构成一个圆柱形电容器。

电缆越长，电容越大。在交流电压下，电容会产生充电电流。对于超高压长距离电缆，这个电容电流会非常可观，可能占据导体载流量的很大一部分，限制了有效传输距离。这是电缆与架空线的一个重大区别。

热力学原理（载流量的决定因素）

电缆的额定载流量并非由导体本身决定，而是由整个电缆系统的散热能力决定。

电流通过导体会产生热量（I²R损耗）。热量必须通过绝缘层、护套、周围介质（空气、土壤、管道）散发出去，最终达到热平衡。

如果散热不畅（如电缆密集敷设、埋设于热阻高的干燥沙土中），电缆温度会持续上升，直至超过绝缘的耐热极限，导致热老化并最终击穿。因此，敷设方式（空气中、直埋、排管）和环境温度直接影响电缆的实际载流量。

传输线理论（高频/信号电缆）

当电缆传输高频信号时，必须考虑其特性阻抗、衰减、驻波比等参数。

同轴电缆是完美应用：中心导体传输信号，外层金属编织网同时作为屏蔽层（防止信号泄露和干扰） 和回流路径，中间的绝缘层保持固定间距以确保特性阻抗稳定（如50Ω、75Ω）。

四、 总结：电缆技术的演进逻辑

电缆技术的发展史，就是一部围绕 “绝缘” 和 “散热” 两大核心挑战的突破史：

从材料上：油浸纸绝缘 → PVC → XLPE。XLPE因其卓越的电气性能、耐热性和易于制造，成为现代固体绝缘电缆的基石。

从结构上：无屏蔽 → 三层共挤屏蔽。解决了电场均匀性问题，使电缆电压等级不断提升（从10kV到500kV及以上）。

从系统上：不仅关注电缆本身，更关注敷设环境和热循环。通过实时温度监测（DTS系统）、优化敷设方式、采用回水冷却技术等，最大化传输容量。