00 / 導論 高頻線材與大電流線材的進階應用探討
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高頻線材常見的進階問題
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大電流線材常見的進階問題
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具備基礎知識後，通常可以知道「該如何選擇哪線材」。但實際應用中，問題通常不是「選錯線材」，而是錯誤評估了某個物理特性，像是:
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阻抗不連續造成訊號反射、眼圖塌陷
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散熱算不準，導致線材發熱超乎預期，壽命降低
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損耗隨頻率非線性上升，28G
應用沒問題，56G 以上應用卻失效
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線束綁在一起走線，載流被降額
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連接器到了
50 GHz 出現不預期的共振模式
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短路時絕緣外被撐不住，幾秒被燒穿
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NRZ
通信撐不住，要改 PAM4通信，發現要重新調整 EQ
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水樹現象加速線材劣化
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01 / 高頻線材 從「線」到「傳輸線」
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高頻線材常討論特性阻抗是「50Ω或 100Ω」。但這個數字到底是怎麼算出來的？當它不匹配的時候會發生什麼狀況？
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1.1 傳輸線理論：把線材當波導看
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當訊號的波長接近線材的物理長度時，電壓和電流不再是純量，而是以行波 (travelling wave)
的形式在線上傳播。
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此時線材必須用「分布參數模型」描述：每單位長度有 L
(電感)、C (電容)、R (電阻)、G (漏電導)。
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(a)特性阻抗(Z₀): Z₀=√( (R + jωL) / (G + jωC)
) ≈ √( L / C )（高頻、低損近似）
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特性阻抗 = 線材固有屬性，與長度無關。同軸線 Z₀ =
(60/√εᵣ) × ln(b/a)，其中 a 中心導體半徑、b 屏蔽內半徑、εᵣ 相對介電常數。
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(b)反射係數 (Reflection Coefficient)：當線材端接到不匹配的負載時，部分能量會反射回源端。
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Γ=(ZL− Z₀) / (ZL+ Z₀)
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Γ = 0 表示完全匹配，Γ = ±1
表示全反射（開路或短路）。回波損耗 RL = −20 log|Γ|，VSWR = (1+|Γ|)/(1−|Γ|)。
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(c)駐波示意圖 (Standing Wave):
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當波長與線材長度接近時，失配的反射會在線上形成駐波，造成某些位置電壓高、某些位置電壓低。
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線材越長、頻率越高，這個效應越明顯。
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1.2 損耗機制：為什麼高頻訊號越走越弱
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進階的應用裡，我們常問高頻訊號每走一米會衰減多少dB？這個數字常見隨頻率非線性上升，原因究竟是什麼?
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① 導體損耗α_c :由趨膚效應造成。電流只走表面，頻率 ↑ → 等效截面積 ↓ → 電阻 ↑。
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α_c ∝ √f · Rs / (2π · a ·
ln(b/a))（同軸線，Rs 為表面電阻）
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② 介電損耗α_d :介電質的分子在交變電場下反覆極化，產生熱。
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α_d ∝ f · √εᵣ · tan δ（tan δ 為損耗正切，是材料的關鍵指標）
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③ 鄰近效應 Proximity :多條線靠近時，電流分布互相擠壓，等效電阻上升。對絞線、差分對尤其明顯。
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典型同軸線總損耗 vs 頻率
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在 ~1 GHz
以下，導體損耗主導；以上則介電損耗開始反超。毫米波線材因此追求極低 Df 材料（如泡沫 PE、PTFE）。
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1.3 S 參數 & TDR：量測世界的語言
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S 參數 (Scattering Parameters)描述一個二埠網路在特定頻率下，訊號如何被反射與傳遞：
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參數
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含義
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理想值
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S11
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埠 1 反射係數 (dB)
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−∞ (越小越好)
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S21
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埠 1→2 傳遞係數 (dB)
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0 (越小越好)
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S12
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埠 2→1 隔離度 (dB)
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−∞ (反向隔離)
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S22
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埠 2 反射係數 (dB)
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−∞
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S21 在 −3 dB
處定義的頻率，就是該纜線的−3 dB 頻寬，相當於半功率點。
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TDR (Time Domain
Reflectometry)：在線材輸入一個快速脈波，看波反射回來的時間與幅度。常用定位阻抗不連續點的位置與性質。
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正反射 = 開路或高
Z，負反射 = 短路或低 Z。時間軸 × 傳播速度 = 故障位置。
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1.4 介電材料對照：Dk 與 Df
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介電質的兩個指標決定高頻特性：Dk = εᵣ（介電常數，影響阻抗與傳播速度）、Df = tan δ（損耗正切，越小訊號損耗越低）。
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下表是常見材料在 1-10 GHz 的典型值。
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材料
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Dk (εᵣ)
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Df (×10⁻⁴)
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耐溫 °C
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典型應用
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成本
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Solid PE
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2.3
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2-4
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75
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RG58/RG174、低損 RF 纜線
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低
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Foam PE
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1.4-1.6
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1-3
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85
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CATV 分配線、半剛性跳線
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中
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PTFE (Teflon)
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2.1
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2-4
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260
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半剛性、毫米波、航太
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高
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FEP
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2.1
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5-7
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200
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耐溫 RF 纜線 (RG316)
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中-高
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Air (helical spacer)
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~1.1
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<1
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—
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HELIAX、廣播天饋、損耗最低
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高
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LCP (液晶聚合物)
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2.9-3.2
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2-4
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270
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5G 軟板、USB4 排線基板
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高
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半剛性
(semi-rigid) 線用實心 PTFE，損耗最低但無法反覆彎曲；柔性同軸 (flex) 用發泡 PE 折衷。
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1.5
同軸連接器的高頻極限
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連接器的最高可用頻率由內部空氣介質段的物理尺寸決定——當訊號波長接近開口尺寸時，會激發不必要的傳播模式（TE11）。
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為此業界發展出「縮小空氣段」的漸進設計鏈：
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1.6 高速訊號演進：NRZ → PAM4
→ 224G
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過去 30 年，每一代訊號速率大約翻倍。當達到56 Gbps NRZ附近時，物理通道的損耗已經逼近極限，
業界開始改用PAM4（4
階脈波振幅調變）。
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通道損耗預算演進
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世代
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調變
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Nyquist 損耗預算
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10G KR
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NRZ
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~ 8 dB @ 5 GHz
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25G KR
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NRZ
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~ 10 dB @ 12.5 GHz
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56G PAM4
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PAM4
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~ 13 dB @ 14 GHz
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112G PAM4
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PAM4
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~ 16 dB @ 28 GHz
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224G PAM4
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PAM4
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~ 20 dB @ 56 GHz
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關鍵介面標準
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PCIe Gen5/6：32
/ 64 GT/s PAM4，伺服器內部
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USB4 v2：80
Gbps PAM3 + 雙通道
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HDMI 2.1：48
Gbps，固定線纜架構
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IEEE 802.3ck：100G
/ 200G / 400G 乙太網
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OIF CEI-224G：晶片對晶片下一代
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Loss
budget=ILcable+ ILconnector+ ILpcb+ ILcrosstalk≤TX
EQ headroom + RX EQ headroom
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每個元件的損耗加總，必須小於
Tx/Rx 端等化器能補償的總量。一旦超出去，BER 雪崩式崩盤。
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1.7 高頻線材極限的救命藥: 等化器
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112G
起，要使用「換更好的線材」的方式來解決問題，十分困難，成本也很高，因此業界常用三種等化器 (Equalizer) 補回高頻損耗：
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(a) CTLE: Continuous Time Linear EQ。
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在 Rx 端用高通濾波器「抬高」高頻，補償通道衰減。被動、結構簡單、功耗低。
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(b) FFE: Feed-Forward EQ。
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在 Tx 端送出多個不同延遲/權重的脈衝疊加（pre-emphasis / de-emphasis），預先補償通道效應。
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(c) DFE: Decision Feedback EQ。
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用已判斷的 bit 回授，消除 ISI。能力最強但會增加 Rx 延遲與功耗。
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實務上 112G SerDes 通常CTLE + DFE並用，TX 端再加 FFE。三者共同目標是「打開收斂的眼圖」。
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02 / 大電流線材
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從「線徑選擇」到「壽命選擇」
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線材的選擇，絕大部份人都由
Ampacity 表格選線徑開始。但是，那個表是怎麼來的？實際應用跟表格差多少? 線材壽命到了會怎樣？
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2.1 熱平衡：安培容量真正的意義
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線材的安培容量不僅僅只是「銅越粗越好」。它的本質是發熱與散熱的熱平衡方程式： 也就是導體產生的焦耳熱必須等於絕緣表面散到環境的熱。
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(a)公式: I² · Rac=(Tc− Ta) / (Rth,dielectric+ Rth,jacket+ Rth,ambient)
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T_c = 導體工作溫度，T_a = 環境溫度，R_th
為各層熱阻，R_ac 為交流電阻（含趨膚與鄰近效應）。
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(b)簡化版（單芯、空氣中）
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I=√[ (Tc− Ta) · h · π · d / Rac]
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h 為表面散熱係數 (W/m²·K)，d
為導體外徑。實務上對小電纜約 5-15 W/m²·K。
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(c)埋地電纜（IEC 60287）
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需額外考慮土壤熱阻率（典型 1.0-2.5 K·m/W）、埋設深度、鄰近電纜的熱耦合。 IEC 60287
是一整套迭代公式，可處理多芯、鎧裝、HDPE 護套等複雜結構。
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(d)Neher-McGrath 法（NEC 採用的經驗方法）把上述熱平衡簡化為查表用的經驗式， 對 600V 級纜線誤差在 ±5% 內，但對高壓電纜 (≥
5kV) 與非標準敷設場景，仍要用 IEC 60287 完整算。
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2.2
降額因子：為什麼表格上的數字要打折?
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標準表上的安培容量是基準條件下的值（通常是 30°C 環境、單芯、空中敷設）。 實際工況必須疊加多個降額因子：
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環境溫度降額 (NEC Table
310.15(B)(1))
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環境 °C
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90°C 額定
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75°C 額定
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30
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1
|
1
|
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40
|
0.91
|
0.88
|
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50
|
0.82
|
0.75
|
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60
|
0.71
|
0.58
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70
|
0.58
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—
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2.3
壓降計算：需注意在不同電路上、有不同的應用公式
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(a)直流DC：Vdrop=2 · I · R · L（來回兩條線）
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(b)單相 AC：Vdrop=2 · I · L · (R cosφ + X
sinφ)（X 為電抗，大電流纜線要算）
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(c)三相 AC：Vdrop=√3 · I · L · (R cosφ + X
sinφ)（工業配電最常見）
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實用建議：低壓配電
(≤ 1000V) 一般要求壓降≤ 3%（照明）或≤ 5%（動力）； 從變壓器到最末端負載，總壓降不可超過5%（NEC 210.19 / 215.2）。
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cos φ 影響：純電阻負載
cos φ = 1，公式簡化為 2·I·R·L。電感性負載（馬達）cos φ = 0.7-0.85， 此時電抗 X 不可忽略，特別是 ≥ 35 mm²
的纜線 X 約 0.07-0.1 Ω/km。
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2.4 短路耐受：絕緣稱不稱得住
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短路時電流可能是正常值的10-30 倍，持續時間 0.1-5 秒。
在這麼短的時間，導體來不及散熱——所有能量都拿來把銅線和絕緣升溫。絕緣必須在這段時間內不被擊穿。
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Amin=Isc· √t / k
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A_min = 最小允許截面積 (mm²)，I_sc =
短路電流 (A)，t = 保護時間 (s)，k 為材料常數。
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k 範例（PVC: 115, XLPE: 143, EPR:
141）— XLPE 比 PVC 耐熱，所以同樣條件可選細一截。
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實務：常用 I²t
法（能量等值）。斷路器的時間-電流曲線必須在導體 I²t 承受曲線的左下方，才有保護。
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2.5 絕緣老化：線材的「壽命方程式」
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絕緣材料會隨時間劣化。蒙辛格壽命定律（10°C 規則）：每超過額定溫度 10°C，壽命減半。
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(a)加速老化 Arrhenius 方程式：
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L(t)=L₀ · exp[ (Ea/ k) · (1/T − 1/T₀) ]
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E_a = 活化能（PVC 約 80 kJ/mol，XLPE
約 110 kJ/mol），T 為絕對溫度 (K)。
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同樣工作溫度下，XLPE 的壽命約是 PVC 的 5-10
倍。
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(b)常見老化現象
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(b-1)熱老化
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長時間高溫使聚合物鏈斷裂。PVC 60°C/30
年，80°C 剩 7-8 年。
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(b-2)水樹 (Water Treeing)
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XLPE 地下電纜在水 +
電場下，絕緣內部長出樹狀微通道，20-30 年後擊穿。
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(b-3)電樹 (Electrical Tree)
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中/高壓電纜在局部放電 (PD) 處產生枝狀劣化，可用 PD
偵測儀提早發現。
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2.6 特殊應用：HVDC、800V
EV、海底電纜
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(a)HVDC 高壓直流:
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±525 kV、2000 MW 等級。用XLPE取代傳統油浸紙絕緣，傳輸損耗低、免維護。
中國「白鶴灘-江蘇」等工程已全用國產 535 kV XLPE 直流電纜。
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(b)800V EV 平台:
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對比 400V 系統，800V 讓同等功率下電流減半，線徑小、損耗低。 挑戰是高頻切換（PWM 邊緣 dV/dt > 5
kV/μs）造成的高頻干擾與絕緣應力，需用矽膠或ETFE。
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(c)海底電纜:
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多達 8 層結構：銅導體、導體屏蔽、XLPE
絕緣、絕緣屏蔽、阻水層、金屬護套、鎧裝鋼絲、外護套。 設計壽命30 年以上，需耐 1000 m 水壓、海水腐蝕。
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2.7 三大標準體系對照
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全球最常被引用的安規/設計標準。實務上同一條電纜可能要同時符合多套設計（車規
+ UL + IEC）。
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領域
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美國 (NEC / UL)
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國際 (IEC)
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中國 (GB)
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車規 (ISO / QC/T)
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安培容量
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NEC Table 310.16
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IEC 60364-5-52
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GB 50054
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ISO 6722 (道路車輛)
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NFPA 70
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IEC 60287
|
GB/T 16886
|
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線材結構/試驗
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UL 44, 758, 4703
|
IEC 60228, 60502
|
GB/T 5023, 12706
|
ISO 14572
|
|
QC/T 1037
|
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EV 充電
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UL 2263, 2594
|
IEC 61851, 62196
|
GB/T 33594, 20234
|
—
|
|
IEC 62893
|
|
光伏
|
UL 4703, 6703
|
IEC 62930
|
GB/T 39548, 39549
|
—
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|
儲能
|
UL 1973, 9540
|
IEC 62619
|
GB/T 36276
|
—
|
|
軌道交通
|
—
|
EN 50264, 50306
|
TB/T 1484, 3159
|
—
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選型實務：先決定「哪一國/哪個產業的安規」必須通過，再對照該體系的測試項目，最後才選線材品牌與結構。
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