某大型相控陣?yán)走_(dá)轉(zhuǎn)繞裝置電纜試驗(yàn)及仿真預(yù)測(cè)

劉文科 彭 偉 鄧書山 趙克俊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

雷達(dá)是現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中的重要電子設(shè)備，其任務(wù)是探測(cè)、發(fā)現(xiàn)和跟蹤敵方目標(biāo)。現(xiàn)代雷達(dá)逐漸向大陣面、大數(shù)據(jù)發(fā)展，因而對(duì)雷達(dá)傳輸功率的要求越來(lái)越高[1-2]。某大型相控陣?yán)走_(dá)要求完成功率達(dá)4MW的旋轉(zhuǎn)傳輸任務(wù)，考慮采用轉(zhuǎn)繞裝置實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、安裝較方便以及維護(hù)成本低等。但由于傳輸功率特別高、電纜數(shù)量特別多，電纜排布密集等，大大增加了轉(zhuǎn)繞裝置的設(shè)計(jì)難度，尤其是轉(zhuǎn)繞裝置中電纜的工作狀態(tài)對(duì)于整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的安全可靠性具有非常重要的影響。

為了能夠掌握轉(zhuǎn)繞裝置在實(shí)際工作時(shí)電纜的真實(shí)狀態(tài)，本文擬開展轉(zhuǎn)繞裝置電纜的相關(guān)性能試驗(yàn)，并結(jié)合數(shù)值仿真的方法，對(duì)實(shí)際裝機(jī)時(shí)的轉(zhuǎn)繞裝置電纜的工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便為后期雷達(dá)工作時(shí)轉(zhuǎn)繞裝置的超高功率可靠傳輸提供參考依據(jù)。

1 轉(zhuǎn)繞裝置電纜試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)的轉(zhuǎn)繞裝置主要由底座、內(nèi)筒、外筒、拖鏈、電纜、內(nèi)轉(zhuǎn)接板和外轉(zhuǎn)接板組成，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)繞裝置實(shí)物圖

試驗(yàn)選用的電纜為電源電纜，其主要參數(shù)如表1所示。由于電纜數(shù)量有限，無(wú)法完全按照實(shí)際裝機(jī)時(shí)的100多根電纜進(jìn)行測(cè)試，故本文采用試驗(yàn)與熱仿真結(jié)果結(jié)合的方式對(duì)實(shí)際裝機(jī)時(shí)的電纜工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

表1 電源電纜主要參數(shù)

型號(hào)外徑(mm)彎曲半徑(mm)導(dǎo)體電阻(Ω/km)額定載流量(A)芯數(shù)及截面積(mm2)計(jì)算重量(kg/km)YGEERP1?150mm224≥2400.1294501×1501469

本次試驗(yàn)制作的電纜組件共8根，分為兩組，每組4根，分別安裝于左、右兩個(gè)拖鏈中底部位置，電纜在拖鏈中的位置排布如圖2所示。

圖2 電纜位置排布示意圖

試驗(yàn)設(shè)備為HCT-50KVA/5000A型模擬加載試驗(yàn)系統(tǒng)，該設(shè)備是基于電磁感應(yīng)原理進(jìn)行的，主要由試驗(yàn)控制臺(tái)、電氣控制柜、開啟式穿心加熱變壓器、感應(yīng)變壓器、電流互感器等組成，如圖3所示。

圖3 模擬加載試驗(yàn)設(shè)備

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.2.1 電流加載試驗(yàn)

為了驗(yàn)證傳輸過(guò)程中電源電纜的實(shí)際承載能力，進(jìn)行電流加載試驗(yàn)[3-5]。試驗(yàn)加載電流分別設(shè)定為250A、300A和350A。采用鉗形電流表對(duì)電纜的傳輸電流進(jìn)行檢測(cè)，如圖4所示。

圖4 傳輸電流檢測(cè)

結(jié)果表明，當(dāng)對(duì)電纜分別加載250A、300A和350A電流時(shí)，該電纜均無(wú)明顯異常發(fā)熱現(xiàn)象，表明電纜載流能力滿足要求。

1.2.2 電纜溫升試驗(yàn)

為了掌握轉(zhuǎn)繞裝置在工作條件下電纜的溫度變化情況，進(jìn)行電纜溫升試驗(yàn)[6-7]。試驗(yàn)選取包括外部環(huán)境在內(nèi)的5個(gè)采集點(diǎn)，采集點(diǎn)位置分布如圖5所示。

測(cè)試點(diǎn)1：內(nèi)筒左側(cè)入口電纜表皮位置；

測(cè)試點(diǎn)2：內(nèi)筒右側(cè)入口電纜表皮位置；

測(cè)試點(diǎn)3：外筒左側(cè)出口電纜表皮位置；

測(cè)試點(diǎn)4：外筒右側(cè)出口電纜表皮位置；

測(cè)試點(diǎn)5：內(nèi)轉(zhuǎn)接板焊片附近位置。

采用熱電偶采集儀分別對(duì)上述5個(gè)采集點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)試，如圖6所示。測(cè)試數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔為15min。

圖5 采集點(diǎn)分布位置示意圖

圖6 熱電偶采集儀

如圖7所示為在不同加載條件下的電纜溫升曲線。從圖中可以看到，當(dāng)加載250A電流時(shí)，電纜溫度開始上升，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間基本到達(dá)熱平衡狀態(tài)，即通過(guò)電流加載所產(chǎn)生的熱量與電纜自身向外輻射的熱量大致相等，此時(shí)電纜的最高溫度維持在48℃左右；當(dāng)加載300A電流時(shí)，電纜溫度開始上升，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間基本到達(dá)熱平衡狀態(tài)，此時(shí)電纜的最高溫度維持在55℃左右；當(dāng)加載350A電流時(shí)，電纜溫度開始上升，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間到達(dá)熱平衡，電纜的最高溫度在61℃左右。

圖7 不同加載電流條件下電纜溫升曲線

對(duì)相同電流條件下5個(gè)測(cè)試點(diǎn)位置的溫度曲線進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)試點(diǎn)3、4位置的溫度最高，測(cè)試點(diǎn)1、2位置的溫度次之，測(cè)試點(diǎn)5的溫度最低。說(shuō)明測(cè)試點(diǎn)3、4位置的電纜排布較密集，導(dǎo)致其散熱慢，測(cè)試點(diǎn)5位置由于散熱條件好，因此溫度低。在實(shí)際排布時(shí)應(yīng)盡量保證電纜之間足夠的間隙，加速散熱，防止電纜因溫度上升過(guò)快對(duì)電能傳輸影響。

綜合以上測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)加載350A電流時(shí)，在電纜排布最密集的位置溫度最高，為61℃左右，未超過(guò)電纜正常使用范圍，因此能夠滿足技術(shù)要求。

2 轉(zhuǎn)繞裝置試驗(yàn)狀態(tài)仿真

2.1 建立熱仿真模型

以現(xiàn)有的轉(zhuǎn)繞裝置為基礎(chǔ)，建立其熱仿真模型[8]。由于轉(zhuǎn)繞裝置中的電纜和裝置結(jié)構(gòu)的曲線度十分復(fù)雜，同時(shí)電纜相對(duì)裝置結(jié)構(gòu)的尺寸跨度比過(guò)大，模型建立或迭代運(yùn)算時(shí)容易失真；為了更為準(zhǔn)確地仿真，采用局部結(jié)構(gòu)空間抽離的仿真方法進(jìn)行建模，截取整體裝置的1/10部分，如圖8所示，兼容周圍環(huán)境包絡(luò)，著重考慮熱最嚴(yán)酷的電纜段，得到的轉(zhuǎn)繞裝置1/10仿真模型如圖9所示。為了與試驗(yàn)條件一致，初始環(huán)境溫度設(shè)置為30℃。電纜的發(fā)熱量可按照其通過(guò)電流進(jìn)行計(jì)算得到。

圖8 轉(zhuǎn)繞裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 轉(zhuǎn)繞裝置的1/10仿真模型圖

2.2 仿真結(jié)果分析

在不同加載電流條件下分別進(jìn)行仿真分析，得到轉(zhuǎn)繞裝置部分電纜的溫度熱仿真云圖，如圖10所示。

圖10 轉(zhuǎn)繞裝置部分電纜溫度熱仿真云圖

將以上三種工況的仿真結(jié)果與上述試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)加載電流為250A時(shí)，仿真得到的電纜最高溫度約為49℃，實(shí)際測(cè)試的電纜最高溫度約為48.5℃；當(dāng)加載電流為300A時(shí)，仿真得到的電纜最高溫度約為55.5℃，實(shí)際測(cè)試的電纜最高溫度約為55.1℃；當(dāng)加載電流為350A時(shí)，仿真得到的電纜最高溫度約為62℃，實(shí)際測(cè)試的電纜最高溫度約為61.2℃。綜合對(duì)比結(jié)果可知，仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果基本一致，最大誤差不超過(guò)3%，證明該轉(zhuǎn)繞裝置仿真模型是可靠的。

3 實(shí)際裝機(jī)狀態(tài)仿真預(yù)測(cè)

為了解正常裝機(jī)狀態(tài)下轉(zhuǎn)繞裝置的電纜溫度情況，對(duì)其進(jìn)行熱仿真預(yù)測(cè)。在上述轉(zhuǎn)繞裝置的仿真模型基礎(chǔ)上進(jìn)行模型拓展，補(bǔ)全所有剩余電纜和風(fēng)機(jī)，得到實(shí)際裝機(jī)狀態(tài)下轉(zhuǎn)繞裝置的熱仿真模型，如圖11所示。

圖11 實(shí)際裝機(jī)狀態(tài)下轉(zhuǎn)繞裝置的熱仿真模型

考慮到產(chǎn)品環(huán)境條件為工作溫度：-40℃～+50℃。因此，按照實(shí)際工作中最惡劣條件即環(huán)境溫度50℃進(jìn)行初始條件設(shè)定。在不同加載電流條件下進(jìn)行仿真分析，得到的電纜溫度熱仿真云圖如圖12所示。

圖12 轉(zhuǎn)繞裝置電纜溫度熱仿真云圖

從圖12中可以看出，在發(fā)熱量為8W/m(加載電流250A)條件下，系統(tǒng)到達(dá)熱平衡后電纜的最高溫度為59.2℃;在發(fā)熱量為11.6W/m(加載電流300A)條件下，系統(tǒng)到達(dá)熱平衡后電纜的最高溫度為63.9℃；在發(fā)熱量為15.8W/m(加載電流350A)條件下，系統(tǒng)到達(dá)熱平衡后電纜的最高溫度為68.2℃。

綜合以上仿真結(jié)果可知，在初始環(huán)境溫度50℃條件下，電纜到達(dá)熱平衡后的最高溫度為68.2℃，最大溫升為18.2℃，能夠滿足電纜正常使用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先針對(duì)某大型相控陣?yán)走_(dá)轉(zhuǎn)繞裝置開展了電纜的電流加載和溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)繞裝置電纜的電流承載能力和溫升情況均滿足要求。隨后對(duì)轉(zhuǎn)繞裝置試驗(yàn)電纜進(jìn)行了熱仿真分析，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，證明熱仿真模型是可靠的。最后對(duì)實(shí)際裝機(jī)狀態(tài)下轉(zhuǎn)繞裝置的電纜溫度進(jìn)行了仿真預(yù)測(cè)，仿真結(jié)果表明，在初始環(huán)境溫度50℃條件下，電纜的最高溫度為68.2℃，最大溫升為18.2℃，滿足電纜正常使用要求。