>> 海軍駐北京8359所軍事代表室 胡黎明 上海電纜研究所 靳志杰

一種直流高壓測試系統(tǒng)用超柔軟電纜的設(shè)計探討

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引言

本項目研制的耐高溫、耐高壓的超柔軟測試電纜是專門針對大功率發(fā)射機在高低溫循環(huán)測試過程中使用的測試電纜。在測試的過程中，電纜經(jīng)常需要進行彎曲和插拔，并且最小彎曲處僅有80mm。怎樣進行電纜的小型化和柔軟化的設(shè)計成為研制的關(guān)鍵。與此同時，該電纜的研制成功也為對于小彎曲半徑的超柔軟電纜的發(fā)展帶來了另一種設(shè)計參考。

一 設(shè)計輸入：

使用溫度：-55℃～+180℃

彎曲半徑：40mm

導體電阻：135Ω/km max.

使用電壓：4000V AC 或 9000V DC

測試電壓：18kV DC 芯-芯；芯-屏

二 電纜設(shè)計

2.1 導體設(shè)計

該電纜的設(shè)計需要滿足小彎曲半徑，超柔軟，耐高溫性能優(yōu)越的特點，常用電纜導體材料的特性見表1：

表1 常用導體材料特性

由上表的比較，我們選擇絞合方式的鍍銀銅導體是比較優(yōu)化的方案。

再參考導體電阻的計算公式（一）：

式中：

R ——導體直流電阻

ρ——導體電阻率，銅為0.0178Ω·m

——導體的長度

根據(jù)設(shè)計輸入導體電阻：135Ω/km max，利用公式（二）：

可計算出導體截面積為0.13mm2，考慮到柔軟性能，選擇標準五類導體，19根絞合方案，絞合系數(shù)選擇1.02，利用公式（三）：

式中：

——單根導體直徑

——導體整體截面積

——絞合導體根數(shù)

——絞合系數(shù)

可以計算得出單根導體直徑為0.0924mm，考慮到導體電阻為最大值，導體的選擇直徑大一規(guī)格為19根0.1mm的絞合鍍銀銅絲。

2.2 絕緣設(shè)計

該電纜需要長期滿足-55℃～+180℃的工作環(huán)境，一般的絕緣材料難以滿足這種要求。電纜常用耐高溫材料的性能比較見表2：

表2 常用高絕緣材料特性

通過表2的對比，XLETFE（輻照交聯(lián)乙烯-聚四氟乙烯共聚物）和PI（聚酰亞胺）兩種材料的耐電壓特性比較突出，由于聚酰亞胺的加工性能比較差，主要考慮選擇輻照交聯(lián)的乙烯-聚四氟乙烯共聚物進行絕緣。實際測量我們使用的乙烯-聚四氟乙烯共聚物的擊穿場強為60kv/mm,考慮到安全系數(shù)，絕緣材料的厚度選擇為0.4mm。

2.3 屏蔽層設(shè)計

由于使用的設(shè)備為大功率發(fā)射機，對于電磁輻射的要求非常嚴格，怎樣在保證電纜柔軟性的情況下提供電磁屏蔽性能。

電纜使用的頻率非常低，一般為直流或者交流400kHz，在這種頻率下，提供電纜的屏蔽性能主要設(shè)計思路是減低屏蔽的導體電阻。這里有兩種主要設(shè)計思路：

1）采用鍍銀銅帶繞包結(jié)構(gòu)，屏蔽性能非常好，接觸電阻小，不過繞包的結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，同時該結(jié)構(gòu)的電纜比較硬；

2）采用鍍銀銅絲編織的結(jié)構(gòu)，由于編織密度不可能全部覆蓋，所以總是有信號容易溢出。接觸電阻也比較小，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，可以通過減少編織截距的方式來使電纜變得柔軟。

該電纜的設(shè)計在第二種屏蔽方式的基礎(chǔ)上加以改進，首先選擇兩層鍍銀銅絲編織，編織密度大于85%，同時編織截距選擇非常?。ㄕ薪谴笥?0°）來保證電纜的柔軟性。

由于電纜需要經(jīng)常運動，兩層編織相互間容易摩擦，容易導致編織層磨損，所以我們選擇在電纜成纜外部以及兩層編織間增加聚四氟乙烯繞包帶，既能保證電纜柔軟，同時聚四氟乙烯的自潤滑性又能有效延長電纜的使用壽命。

2.4 護套設(shè)計

一般耐高溫的電纜護套選擇見表3：

表3 耐高溫電纜護套方式

我們選擇一種高強度聚四氟乙烯纖維材料進行編織護套。該材料具有強度高（36CN/Tex），耐溫廣（-190℃～260℃），摩擦系數(shù)低，等特點。采用該種編織結(jié)構(gòu)，電纜柔軟性能非常優(yōu)越。

三 電纜的設(shè)計驗證

通過實際生產(chǎn)的產(chǎn)品對該電纜的設(shè)計進行驗證，各方面性能指標均達到設(shè)計要求。具體測試指標見下表4：

表4 成品電纜試驗

該電纜的柔軟性可以通過圖1靜態(tài)彎曲試驗顯示，直徑為7.84mm纏繞在直徑為12mm的鋼筆上，彎曲半徑小于1.5D,電纜無損傷。

圖1 電纜靜態(tài)彎曲示意圖

本文通過對一種直流高壓測試系統(tǒng)用超柔軟電纜的實際使用出發(fā)，從理論方面逐步分析該電纜的設(shè)計思路和原則，同時充分考慮到電纜使用的工裝條件及加工條件，充分采用了新的工藝和設(shè)計材料選擇，通過理論和實踐相結(jié)合的思路完成了該電纜的設(shè)計和生產(chǎn)驗證。該電纜的柔軟性設(shè)計方法，未來可以在動態(tài)使用的拖鏈電纜、拖曳電纜以及機器人電纜等領(lǐng)域進行嘗試推廣。希望通過本文設(shè)計探討，能對今后在特種使用領(lǐng)域的電纜設(shè)計提供一種思路和經(jīng)驗。