高電壓大電流柔性脈沖功率同軸電纜設(shè)計(jì)

樊 群,李永江

(南京全信傳輸科技股份有限公司,南京 211113)

0 引 言

脈沖功率技術(shù)作為新興特種電源技術(shù),通過能量的長久存儲和瞬時(shí)釋放能夠?qū)崿F(xiàn)能量壓縮和功率放大,廣泛應(yīng)用于電磁發(fā)射、強(qiáng)磁脈沖、核聚變等領(lǐng)域。 通常,脈沖功率系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),由若干脈沖功率單元組成,瞬時(shí)功率巨大,負(fù)載和儲能模塊之間的連接電纜須承受高壓環(huán)境、高度彎曲,單根電纜的瞬時(shí)載流量可達(dá)數(shù)萬安培,甚至數(shù)十萬安培。 若按通用直流電纜規(guī)范設(shè)計(jì),截面積將會有數(shù)萬平方毫米,導(dǎo)致電纜外徑和質(zhì)量較大,難以彎曲,無法在工程中應(yīng)用。 目前,脈沖大電流的主要傳輸介質(zhì)有同軸電纜和六芯絞合電纜[1-2]。 其中,同軸電纜包括柔性同軸電纜和內(nèi)置銅冷卻管電纜。 內(nèi)置銅冷卻管電纜較硬,難以彎曲。 柔性同軸電纜外導(dǎo)體采用細(xì)銅絲多層編織或粗銅絲稀疏纏繞,以實(shí)現(xiàn)回路低阻抗,在使用中易發(fā)生護(hù)套扭損等故障[3]。

本工作基于脈沖功率技術(shù)對電纜的柔軟性能、耐高壓、大電流、低回路電阻需求與傳統(tǒng)電纜性能的矛盾,設(shè)計(jì)研制了一種高電壓大電流柔性脈沖功率同軸電纜。 試驗(yàn)表明,產(chǎn)品達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期,可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的性能和功能。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

高電壓大電流柔性脈沖功率同軸電纜主要用于實(shí)現(xiàn)兆安級脈沖電流的可靠傳輸。 電纜的關(guān)鍵性能指標(biāo)見表1。

表1 關(guān)鍵性能要求

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是如何在耐高壓、大電流和低回路電阻的前提下確保實(shí)現(xiàn)電纜的超柔性能,主要通過同軸低回路電阻設(shè)計(jì)、大截面柔軟外導(dǎo)體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵材料篩選等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。 電纜的結(jié)構(gòu)見圖1,尺寸見表2。 其中,電纜的質(zhì)量為3.9 kg·m-1。

圖1 電纜結(jié)構(gòu)示意圖

表2 電纜結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 柔軟同軸低回路電阻

導(dǎo)體材料、截面積、電阻、電流密度和彎曲性能是超柔脈沖電纜的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)。 為了解決高壓同軸電纜內(nèi)、外導(dǎo)體等阻抗時(shí)外導(dǎo)體剛性大,從而影響彎曲性能的問題,通過導(dǎo)體材料、結(jié)構(gòu)和絞合工藝之間的相互關(guān)系設(shè)計(jì)高柔性結(jié)構(gòu)。 本工作內(nèi)導(dǎo)體采用6類柔軟結(jié)構(gòu),外導(dǎo)體采用“股線同向緊密纏繞+單層編織”的復(fù)合結(jié)構(gòu),使內(nèi)、外截面相同,并結(jié)合節(jié)距設(shè)置,使直流電阻相同,以實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外導(dǎo)體在構(gòu)成大載流回路時(shí)的低電阻、高柔性,以及系統(tǒng)對電纜的彎曲性能要求。

2.2 大截面柔軟外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)是影響同軸電力電纜通流能力的主要因素。 結(jié)構(gòu)合理的外導(dǎo)體可以提高其抵抗電磁力的能力和通流能力,提高運(yùn)行安全,避免護(hù)套在電纜彎曲時(shí)產(chǎn)生形變爆裂。

本工作外導(dǎo)體設(shè)計(jì)采用“股線同向緊密纏繞+單層編織”的復(fù)合結(jié)構(gòu)。 采用多根細(xì)銅絲以小節(jié)距絞合成股;股線再以小節(jié)距同向緊密排列纏繞在內(nèi)絕緣外周;股線纏繞外用編織單層鍍錫銅絲,緊密約束內(nèi)層纏繞股線,以確保電纜的柔軟性能,防止因重復(fù)彎曲產(chǎn)生的形變。

2.3 材料選擇

2.3.1 導(dǎo)體材料

高電壓大電流柔性脈沖功率同軸電纜對柔軟性能有較高的要求。 絕緣可考慮采用柔軟型交聯(lián)橡膠,交聯(lián)材料在發(fā)熱工況下易與裸銅發(fā)生化學(xué)反應(yīng),會降低導(dǎo)體的導(dǎo)電能力和絕緣的物理機(jī)械性能。 本工作選用6 類柔軟鍍錫絞合銅導(dǎo)體。

2.3.2 屏蔽和絕緣材料

良好的絕緣層是脈沖功率電纜在高電壓下可靠工作的保證,電纜需要通過5 min 的直流電壓為20 kV 的耐壓測試。 內(nèi)導(dǎo)體擠包屏蔽、絕緣和絕緣擠包屏蔽采用三層共擠結(jié)構(gòu),可有效控制同心度和圓整度,以控制電纜外徑和質(zhì)量,保證其綜合性能。硫化乙丙橡膠具有優(yōu)異的電氣性能、耐熱老化、抗臭氧、耐氣候、耐電暈、耐腐蝕和工藝性能。 本工作中三層共擠層與外絕緣層的材料均采用硫化乙丙橡膠,耐低溫可達(dá)-30 ℃,長期工作溫度為90 ℃,短路工作溫度為250 ℃,短時(shí)工作溫度為130 ℃。

2.4 護(hù)套材料

柔軟電纜的常用護(hù)套材料主要包括熱塑性彈性體和聚醚型聚氨酯。 熱塑性彈性體具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)良的回彈性能、寬廣的使用溫度和較好的加工工藝特性,但耐磨性能和耐熱性能相對較差;聚醚型聚氨酯比重小、機(jī)械強(qiáng)度高,具有耐油、耐臭氧、耐磨、抗水解、耐腐蝕、耐低溫等性能,可在環(huán)境溫度為-50 ℃時(shí)使用。 依據(jù)電纜的環(huán)境工況,本工作選用聚醚聚氨酯作為護(hù)套材料。

3 尺寸設(shè)計(jì)

3.1 導(dǎo)體截面

導(dǎo)電材料及其通流截面是脈沖功率電纜設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 同軸脈沖電力電纜的內(nèi)、外導(dǎo)體通過大小相同、方向相反的電流構(gòu)成同一回路,依據(jù)正、反電流相位差所產(chǎn)生的磁場相互抵消的原理,設(shè)置內(nèi)、外導(dǎo)體同截面、等電阻,可以消除內(nèi)、外導(dǎo)體之間的電動力,抵消內(nèi)、外導(dǎo)體之間的磁場。 根據(jù)在溫度為20 ℃時(shí)電纜回路的直流電阻不大于0.3 mΩ·m-1的設(shè)計(jì)要求,結(jié)合制造截面的通用性和便利性,本工作設(shè)計(jì)的內(nèi)、外導(dǎo)體截面均為150 mm2,由3 050 根直徑為0.25 mm 的鍍錫銅絲構(gòu)成。

研究表明,脈沖功率同軸電纜外導(dǎo)體的脈沖電流密度大于2.5 kA·mm-2時(shí),易發(fā)生電纜變形損壞[3-4]。 本工作設(shè)計(jì)的脈沖功率電纜內(nèi)、外導(dǎo)體的通流截面積均為149.6 mm2。 在表1 規(guī)定的工況下,脈沖電流幅值密度僅為0.57 kA·mm-2,具有較高的可靠性。

3.2 絕緣厚度

電纜的絕緣耐壓要求直流電壓為20 kV。 由于圓形擠包絕緣電力電纜內(nèi)部電場強(qiáng)度隨著絕緣半徑從導(dǎo)體和絕緣接觸邊界向外逐漸減小,絕緣層與內(nèi)導(dǎo)體邊界承受的電場強(qiáng)度最大[5]。 電場分布和半徑成反比,最大電場強(qiáng)度位于導(dǎo)體線芯表面(包含內(nèi)導(dǎo)體屏蔽層),最小電場強(qiáng)度位于絕緣外表面。

電纜絕緣的擊穿場強(qiáng)是絕緣厚度的主要決定因素。 當(dāng)電纜絕緣層內(nèi)最大電場強(qiáng)度等于其擊穿場強(qiáng)時(shí),由電纜發(fā)生擊穿的原理可確定電纜絕緣層的厚度。 考慮到擊穿強(qiáng)度的分散性,并確保電纜絕緣應(yīng)有一定的安全裕度,對于單芯均勻介質(zhì)絕緣電纜,絕緣厚度可通過公式(1)計(jì)算。

式中:U為試驗(yàn)電壓,kV;m為安全裕度,一般取值為1.5;rc為線芯半徑(含內(nèi)半導(dǎo)電屏蔽層),mm;R為絕緣外半徑,mm;E為絕緣介電強(qiáng)度,kV·mm-1。

乙丙橡膠在常溫下的相對介電常數(shù)為2.6,介電擊穿強(qiáng)度約為26 kV·mm-1,擠包絕緣局部放電的起始電場強(qiáng)度約為20 kV·mm-1。 綜合考慮工況條件,本工作設(shè)計(jì)內(nèi)絕緣厚度為2.5 mm。 此時(shí),絕緣最大電場強(qiáng)度為9 kV·mm-1。 通常情況下,三層共擠設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)最薄點(diǎn)絕緣厚度為標(biāo)稱厚度的90% 再減去0.1 mm。 此時(shí),絕緣最薄點(diǎn)厚度為2.15 mm,絕緣最大電場強(qiáng)度為10.2 kV·mm-1,絕緣最小厚度處可承受直流電壓為40 kV,遠(yuǎn)大于系統(tǒng)要求的20 kV 的耐壓要求,絕緣設(shè)計(jì)具有可靠性。

3.3 外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

同軸電纜的低回路電阻主要通過內(nèi)、外導(dǎo)體采用相同截面,并結(jié)合節(jié)距設(shè)置,來達(dá)到直流電阻相同的目標(biāo)。 對于目標(biāo)電纜,其內(nèi)、外導(dǎo)體截面積均為150 mm2。 考慮柔軟性和脈沖彎曲受力變形,外導(dǎo)體設(shè)計(jì)采用“股線同向纏繞+單層編織”的復(fù)合結(jié)構(gòu);股線纏繞外用32 錠重型編織機(jī)以60°～70°的編織角度進(jìn)行鍍錫銅絲編織,編織覆蓋率約為90%。

外導(dǎo)體內(nèi)層股線同向纏繞以確保柔軟,外層編織對電纜施加約束力以防止重復(fù)彎曲形變,從而實(shí)現(xiàn)緊密約束內(nèi)層纏繞股線、柔軟彎曲和優(yōu)異屏蔽性能等三重作用。 外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖

4 仿真分析及性能測試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性,根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)對電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度、導(dǎo)體交流電阻、切應(yīng)力、重頻連續(xù)工作能力等進(jìn)行仿真,并對成品電纜的關(guān)鍵性能進(jìn)行測試。

4.1 仿真分析

4.1.1 電場強(qiáng)度

建立電場仿真模型,將內(nèi)、外導(dǎo)體之間的電壓設(shè)定為20 kV,仿真分析絕緣層的電場分布。 脈沖功率電纜內(nèi)絕緣電場分布見圖3。

圖3 脈沖功率電纜內(nèi)絕緣電場分布示意圖

由圖3 可以看出,內(nèi)絕緣層的最大電場強(qiáng)度約為6.67 kV·mm-1,擠包絕緣局部放電的起始電場強(qiáng)度約為20 kV·mm-1。 由此可知,脈沖功率電纜的絕緣設(shè)計(jì)可靠,絕緣層的最大電場強(qiáng)度小于乙丙橡膠擠包絕緣局部放電的起始電場強(qiáng)度。

假定內(nèi)、外導(dǎo)體層中心圓點(diǎn)的“偏心”尺寸為1 mm,進(jìn)行建模仿真,絕緣電場分布見圖4。

圖4 內(nèi)導(dǎo)體“偏心”時(shí)絕緣電場分布示意圖

由圖4 可以看出,考慮“偏心”的情況下,內(nèi)絕緣層內(nèi)最大電場強(qiáng)度約為8.96 kV·mm-1,同樣小于乙丙橡膠擠包絕緣局部放電的起始電場強(qiáng)度,設(shè)計(jì)滿足要求。

此外,考慮外導(dǎo)體與地面之間也應(yīng)具有良好的絕緣特性,將外導(dǎo)體與地面之間的電壓設(shè)定為20 kV,仿真分析絕緣層的電場分布,結(jié)果見圖5。

圖5 脈沖功率電纜外絕緣電場分布示意圖

由圖5 可以看出,外絕緣層的最大電場強(qiáng)度約為4.70 kV·mm-1,小于乙丙橡膠擠包絕緣局部放電的起始電場強(qiáng)度,設(shè)計(jì)滿足要求。

4.1.2 磁場強(qiáng)度

建立脈沖功率電纜的磁場仿真模型。 為了使脈沖電流具有一定的裕度,將內(nèi)、外導(dǎo)體通過的脈沖電流設(shè)定為100 kA(大于指標(biāo)要求),仿真分析脈沖功率電纜的磁場分布,結(jié)果見圖6。

圖6 通流100 kA 下脈沖功率電纜的磁場分布圖

由仿真結(jié)果可知,脈沖功率電纜內(nèi)部最大電場強(qiáng)度約為2.25 T,而外部磁場很小,幾近于零。

4.1.3 交流電阻

在脈沖放電工作條件下,脈沖功率電纜會受到集膚效應(yīng)的影響。 為此,建立脈沖功率電纜的渦流場仿真模型,分析不同頻率下電纜內(nèi)、外導(dǎo)體中的電流密度,并計(jì)算其交流電阻。

根據(jù)表1 中的技術(shù)指標(biāo)要求,脈沖電流的工作脈寬約4 ms。 由此可知,脈沖電流頻率處于百赫茲量級的低頻帶。 選取并計(jì)算100,300,500 Hz 下的脈沖功率電纜內(nèi)、外導(dǎo)體的電流密度分布。 500 Hz下脈沖功率電纜的電流密度分布見圖7。

圖7 500 Hz 下脈沖功率電纜的電流密度分布

由仿真結(jié)果可知,當(dāng)頻率為500 Hz 時(shí),脈沖功率電纜內(nèi)導(dǎo)體的最大電流密度為715 A·mm-2,遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)所采用的銅導(dǎo)體的最大耐受電流密度。 與前述計(jì)算相對應(yīng),在100,300,500 Hz 脈沖電流頻率下,計(jì)算脈沖功率電纜內(nèi)、外導(dǎo)體的焦耳分布和相應(yīng)的交流電阻。 根據(jù)計(jì)算,在脈沖電流頻率為100,300,500 Hz 時(shí),脈沖功率電纜單位長度(m)的等效電阻依次為0.12,0.18 mΩ 和0.26 mΩ。 技術(shù)指標(biāo)中要求,脈沖功率電纜單位長度(m)的等效直流電阻小于0.3 mΩ,而交流電阻大于直流電阻,因此本工作方案滿足要求。

4.1.4 切應(yīng)力

脈沖功率電纜內(nèi)導(dǎo)體的抗剪切能力也是設(shè)計(jì)分析時(shí)應(yīng)關(guān)注的重要指標(biāo)。 在脈沖功率系統(tǒng)中,使用脈沖功率電纜傳輸電能,開展脈沖放電時(shí),通常采用簡化等效匯流的連接方式,見圖8。 此時(shí),電纜終端部位的內(nèi)導(dǎo)體會單獨(dú)承受強(qiáng)電動力的沖擊,由于通常會在此處內(nèi)導(dǎo)體表面設(shè)計(jì)安裝剛性的保護(hù)套,故內(nèi)導(dǎo)體將承受較大剪切力的作用。

圖8 電纜終端簡化匯流連接結(jié)構(gòu)示意圖

考慮爬電距離等安全因素,假定發(fā)射器端匯流器上脈沖功率電纜終端部位的內(nèi)導(dǎo)體裸露芯線長度為80 mm,同時(shí)假設(shè)內(nèi)導(dǎo)體芯線連接可靠,建立仿真模型,開展電磁場和電動力分析,仿真時(shí)考慮到冗余設(shè)計(jì),將脈沖電流設(shè)置為100 kA。 匯流器端部磁場分布見圖9,匯流器電纜終端部位內(nèi)導(dǎo)體受力分析見圖10。

圖9 匯流器端部磁場分布示意圖

圖10 匯流器電纜終端部位內(nèi)導(dǎo)體受力分析

由圖9、圖10 可以看出,匯流器部位的最大電場強(qiáng)度約為3.26 T。 100 kA 電流作用下,匯流器部位內(nèi)導(dǎo)體受到大的徑向斥力約為3.22 kN,內(nèi)導(dǎo)體截面承受的切應(yīng)力為10.78 MPa,遠(yuǎn)小于本工作中銅材料能夠承受的最大切應(yīng)力160 MPa,滿足要求。

4.1.5 連續(xù)工作能力

脈沖功率系統(tǒng)的應(yīng)用要求,在自然空氣冷卻條件和規(guī)定射頻下,脈沖功率電纜連續(xù)工作10 次而不出現(xiàn)損傷,由此帶來的一個不可忽視的問題是電纜在高幅值脈沖電流作用下的溫升特性。 由于絕緣層規(guī)定的最高允許工作溫度相對較低,需要保證絕緣層的溫度不超出其規(guī)定的最高允許工作溫度。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,脈沖功率電纜需要承受的脈沖電流脈寬約為4 ms,該脈寬下單位長度脈沖功率電纜的交流電阻小于300 Hz 下的交流電阻(計(jì)算值為0.18 mΩ)。 考慮到設(shè)計(jì)冗余,在焦耳熱計(jì)算時(shí)將單位長度脈沖功率電纜的交流電阻取值為0.2 mΩ,并認(rèn)為在單次放電時(shí)脈沖功率電纜流過的脈沖電流為100 kA,電流波形見圖11。 在上述條件下,放電過程中單位長度脈沖功率電纜承受的焦耳熱見圖12。

圖11 脈沖功率電纜的脈沖電流波形

圖12 脈沖放電過程中電纜承受的焦耳熱

由圖11、圖12 可知,單次放電的總發(fā)熱量約為4 000 J。

建立熱仿真模型,分析脈沖功率電纜的重頻連續(xù)工作能力。 為了簡化分析,仿真時(shí)假設(shè):①在脈沖放電過程中以平均功率施加熱量;②忽略放電過程中溫升對導(dǎo)線電阻的影響;③電纜的初始溫度為313.15 K(40 ℃);④自然空氣的溫度為298.15 K(25 ℃),對流傳熱對應(yīng)的傳熱系數(shù)為10.0 W·m-2·K-1;⑤脈沖功率系統(tǒng)以每分鐘10 次進(jìn)行脈沖放電,連續(xù)放電12 次。

第1 次和第12 次放電結(jié)束時(shí),脈沖功率電纜的內(nèi)部溫度場見圖13。 在整個放電過程中,電纜內(nèi)部的最高溫度變化曲線見圖14。

圖13 脈沖放電過程中電纜內(nèi)部的溫度場

圖14 脈沖放電過程中電纜內(nèi)部最高溫度變化

由圖13 和圖14 可以看出,電纜內(nèi)部溫度最高處在內(nèi)導(dǎo)體上,連續(xù)12 次放電結(jié)束時(shí),電纜內(nèi)部的最高溫度約為339.32 K(66.17 ℃);脈沖功率電纜中內(nèi)、外絕緣層溫度均低于內(nèi)導(dǎo)體溫度。 由此可知,連續(xù)12 次放電后乙丙橡膠上局部最高溫度遠(yuǎn)低于其長期允許的工作溫度。 因此,脈沖功率電纜完全滿足連續(xù)脈沖放電能力的要求。

4.2 性能測試

除仿真分析外,根據(jù)電纜整體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵性能指標(biāo),對成品電纜樣品進(jìn)行性能測試,檢測結(jié)果見表3。

表3 電纜性能檢測結(jié)果

由表3 可以看出,本工作設(shè)計(jì)的產(chǎn)品性能均優(yōu)于指標(biāo)要求,滿足使用需求。

5 結(jié)束語

根據(jù)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)要求,進(jìn)行脈沖功率電纜的設(shè)計(jì)。 基于以往同軸大功率直流電纜試驗(yàn)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)成果,開展了材料選用和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了低回路電阻和柔軟彎曲性能;增加了屏蔽層,抑制了電動力,平衡了內(nèi)部電場;通過同軸低回路電阻和外導(dǎo)體工藝,實(shí)現(xiàn)了耐壓和脈沖電流。 為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果,通過仿真和試驗(yàn),進(jìn)行電氣強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度和溫升分析。 結(jié)果表明,產(chǎn)品達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期,可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的性能和功能。