中頻400Hz電纜研制

李永江

(江蘇遠(yuǎn)洋東澤電纜股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州225129)

0 引言

在航空和大型艦船電力系統(tǒng)中，由于艦載發(fā)電機(jī)要求體積小重量輕，只有提高頻率才能滿足功率要求，所以相應(yīng)的艦載電氣設(shè)備和與飛機(jī)相關(guān)的電源逐漸采用400 Hz，從而要求配套的電纜滿足400 Hz系統(tǒng)要求。但其技術(shù)性能要求高，國內(nèi)常采用進(jìn)口產(chǎn)品或其仿制產(chǎn)品。采用進(jìn)口產(chǎn)品成本高昂，且后續(xù)維護(hù)不便;而采用國產(chǎn)仿制電纜則在材料性能、電氣性能和環(huán)境適應(yīng)上存在諸多差距。據(jù)此，我們通過計(jì)算分析現(xiàn)有材料、電纜結(jié)構(gòu)和電纜電氣參數(shù)，重新設(shè)計(jì)開發(fā)了400 Hz電纜。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

400 Hz電纜主要用于移動(dòng)式動(dòng)力供給，柔軟性和彎曲性需要予以保證，為此設(shè)計(jì)采用符合IEC 60228標(biāo)準(zhǔn)的第5類軟銅導(dǎo)體。與50 Hz電纜相比較，400 Hz電纜的電抗因頻率增加會(huì)有很大的增加，從而帶來使用過程中線路電壓降增大，制約工程實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)考慮了頻率和導(dǎo)體截面對導(dǎo)體電阻與電抗的影響，以及采用優(yōu)質(zhì)材料降低阻抗、增強(qiáng)使用壽命。

1.1 導(dǎo)體電阻

導(dǎo)體交流電阻:

式中，R為溫度θ時(shí)單位長度電纜導(dǎo)體交流電阻(Ω/m);Rθ為溫度θ時(shí)單位長度電纜導(dǎo)體直流電阻(Ω/m);Ys為集膚效應(yīng)因數(shù);Yp為鄰近效應(yīng)因數(shù)。

Ys和Yp分別通過式(2)和式(3)計(jì)算求得:

式中，f為頻率(Hz);Rθ為溫度θ時(shí)單位長度電纜導(dǎo)體直流電阻(Ω/m);Dc為絕緣線芯外徑(mm);S為絕緣線芯中心軸間距離(mm);ks和kp為常數(shù)，均取1。

額定電壓0.6/1 kV電纜，頻率400 Hz，計(jì)算得出的導(dǎo)體工作溫度為90℃時(shí)不同截面銅導(dǎo)體集膚效應(yīng)因數(shù)和鄰近效應(yīng)因數(shù)見表1。從表1可知，當(dāng)頻率為400 Hz時(shí)導(dǎo)體交流電阻大于直流電阻，隨著導(dǎo)體截面增加，其交流電阻和直流電阻的比值也逐漸增大。

表1 集膚效應(yīng)因數(shù)和鄰近效應(yīng)因數(shù)

1.2 導(dǎo)體電抗

低壓電力電纜的容抗可以忽略不計(jì)，導(dǎo)體的電抗值實(shí)際上就是感抗值，具體可按照式(6)計(jì)算:

式中，X為每相的電抗(Ω);f為頻率(Hz);a為導(dǎo)體之間的軸間距(mm);d為導(dǎo)體直徑(mm);L為導(dǎo)體長度(m)。

從式(6)可知，同等截面的導(dǎo)體，在400 Hz系統(tǒng)中時(shí)電抗值為其用于50 Hz系統(tǒng)中電抗值的8倍。導(dǎo)體工作溫度為90℃時(shí)400 Hz和50 Hz的導(dǎo)體交流電阻、電抗、阻抗值見表2。

表2 導(dǎo)體交流電阻、電抗、阻抗(單位:Ω/km)

400 Hz時(shí)，當(dāng)截面積達(dá)到一定程度，在計(jì)算導(dǎo)體線路壓降時(shí)，導(dǎo)體的電抗將會(huì)在總阻抗中起主要作用。為降低電纜的交流電阻值和電抗值，就需要對電纜所用的材料和電纜結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用同等截面導(dǎo)體并聯(lián)使用，達(dá)到所需的大截面效用，減小集膚效應(yīng)，降低阻抗值。

1.3 材料選擇

從柔軟性和延長電纜使用壽命角度出發(fā)，除了導(dǎo)體選用IEC 60228標(biāo)準(zhǔn)第5類軟結(jié)構(gòu)銅導(dǎo)體外，絕緣材料選用符合IEC 60092－351標(biāo)準(zhǔn)的乙丙橡膠，其彈性柔軟、電氣絕緣性能好、耐老化;護(hù)套選用具備耐油、耐熱、耐磨和高機(jī)械強(qiáng)度的氯磺化聚乙烯。

1.4 電纜結(jié)構(gòu)

為了降低電纜的阻抗，設(shè)計(jì)400 Hz電纜采用非鎧裝結(jié)構(gòu)，采用7芯導(dǎo)體絞合外擠加強(qiáng)厚度護(hù)套，其中6根線芯兩兩對稱并聯(lián)作為相線，中心1根絕緣線芯作接地保護(hù)使用;外部6根線芯縫隙采用控制線芯一并絞合，用于信號監(jiān)控。電纜的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 400 Hz電纜結(jié)構(gòu)圖

2 產(chǎn)品試制

2.1 工藝流程

根據(jù)設(shè)計(jì)確認(rèn)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能，編制的生產(chǎn)工藝流程如下:拉絲→韌煉→鍍錫→束絞→復(fù)絞→擠絕緣→控制線芯絞合成束→控制線芯束屏蔽→電力線芯和控制線芯束成纜→尼龍絲編織→擠包護(hù)套→成品檢驗(yàn)。

2.2 關(guān)鍵工藝

在電纜的制造過程中，各工序均需按照既定工藝，著力于工藝要點(diǎn)，確保工序質(zhì)量，完善成品性能，具體的各工序工藝要點(diǎn)如下:

(1)導(dǎo)體。控制單絲標(biāo)稱直徑，韌煉徹底，各根導(dǎo)體絞合節(jié)徑必須一致，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體電阻相同化。

(2)絕緣。線芯絕緣厚度和圓整度嚴(yán)格控制。

(3)屏蔽。控制線芯束采用鍍錫銅絲編織屏蔽，編織覆蓋率依據(jù)IEC 60092－350的公式計(jì)算，不小于95%。

(4)成纜。0號線芯置于中心，標(biāo)有相同數(shù)字編號的線芯對稱布置在0號線芯周圍。

(5)加強(qiáng)層。尼龍絲編織，編織覆蓋率依據(jù)IEC 60092－350的公式計(jì)算，在50%～70%，便于護(hù)套與加強(qiáng)層融為一體。

(6)外護(hù)套。擠包耐油、耐磨氯磺化聚乙烯，連續(xù)硫化，交聯(lián)度控制應(yīng)合適。

2.3 試制結(jié)果

我們按照設(shè)計(jì)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，通過反復(fù)試驗(yàn)不斷改進(jìn)，使電纜的技術(shù)指標(biāo)完全得以實(shí)現(xiàn)。以1×35+6×35+6×(3×1)結(jié)構(gòu)為例，最終試制產(chǎn)品400 Hz在90℃時(shí)導(dǎo)體交流阻抗值實(shí)測為0.937Ω/km，遠(yuǎn)小于理論計(jì)算的0.968Ω/km;環(huán)境溫度為30℃時(shí)額定載流量為270 A。在cosθ為0.8時(shí)的線路壓降為0.62 mV/Am。

3 結(jié)束語

研制生產(chǎn)的400 Hz電纜在達(dá)到進(jìn)口電纜性能的基礎(chǔ)上，價(jià)格較進(jìn)口電纜有著較大降低，僅為國外進(jìn)口電纜的60%。相信隨著航空、艦船等工業(yè)的發(fā)展，其必將具有更廣闊的市場空間。

［1］王春江主編.電線電纜手冊(第1冊)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.