中频400Hz电缆研制

2013-02-18李永江

电线电缆 2013年5期

李永江

(江苏远洋东泽电缆股份有限公司，江苏扬州225129)

0 引言

在航空和大型舰船电力系统中，由于舰载发电机要求体积小重量轻，只有提高频率才能满足功率要求，所以相应的舰载电气设备和与飞机相关的电源逐渐采用400 Hz，从而要求配套的电缆满足400 Hz系统要求。但其技术性能要求高，国内常采用进口产品或其仿制产品。采用进口产品成本高昂，且后续维护不便;而采用国产仿制电缆则在材料性能、电气性能和环境适应上存在诸多差距。据此，我们通过计算分析现有材料、电缆结构和电缆电气参数，重新设计开发了400 Hz电缆。

1 产品设计

400 Hz电缆主要用于移动式动力供给，柔软性和弯曲性需要予以保证，为此设计采用符合IEC 60228标准的第5类软铜导体。与50 Hz电缆相比较，400 Hz电缆的电抗因频率增加会有很大的增加，从而带来使用过程中线路电压降增大，制约工程实现。本设计考虑了频率和导体截面对导体电阻与电抗的影响，以及采用优质材料降低阻抗、增强使用寿命。

1.1 导体电阻

导体交流电阻:

式中，R为温度θ时单位长度电缆导体交流电阻(Ω/m);Rθ为温度θ时单位长度电缆导体直流电阻(Ω/m);Ys为集肤效应因数;Yp为邻近效应因数。

Ys和Yp分别通过式(2)和式(3)计算求得:

式中，f为频率(Hz);Rθ为温度θ时单位长度电缆导体直流电阻(Ω/m);Dc为绝缘线芯外径(mm);S为绝缘线芯中心轴间距离(mm);ks和kp为常数，均取1。

额定电压0.6/1 kV电缆，频率400 Hz，计算得出的导体工作温度为90℃时不同截面铜导体集肤效应因数和邻近效应因数见表1。从表1可知，当频率为400 Hz时导体交流电阻大于直流电阻，随着导体截面增加，其交流电阻和直流电阻的比值也逐渐增大。

表1 集肤效应因数和邻近效应因数

1.2 导体电抗

低压电力电缆的容抗可以忽略不计，导体的电抗值实际上就是感抗值，具体可按照式(6)计算:

式中，X为每相的电抗(Ω);f为频率(Hz);a为导体之间的轴间距(mm);d为导体直径(mm);L为导体长度(m)。

从式(6)可知，同等截面的导体，在400 Hz系统中时电抗值为其用于50 Hz系统中电抗值的8倍。导体工作温度为90℃时400 Hz和50 Hz的导体交流电阻、电抗、阻抗值见表2。

表2 导体交流电阻、电抗、阻抗(单位:Ω/km)

400 Hz时，当截面积达到一定程度，在计算导体线路压降时，导体的电抗将会在总阻抗中起主要作用。为降低电缆的交流电阻值和电抗值，就需要对电缆所用的材料和电缆结构进行优化设计，采用同等截面导体并联使用，达到所需的大截面效用，减小集肤效应，降低阻抗值。

1.3 材料选择

从柔软性和延长电缆使用寿命角度出发，除了导体选用IEC 60228标准第5类软结构铜导体外，绝缘材料选用符合IEC 60092－351标准的乙丙橡胶，其弹性柔软、电气绝缘性能好、耐老化;护套选用具备耐油、耐热、耐磨和高机械强度的氯磺化聚乙烯。

1.4 电缆结构

为了降低电缆的阻抗，设计400 Hz电缆采用非铠装结构，采用7芯导体绞合外挤加强厚度护套，其中6根线芯两两对称并联作为相线，中心1根绝缘线芯作接地保护使用;外部6根线芯缝隙采用控制线芯一并绞合，用于信号监控。电缆的结构示意图见图1。

图1 400 Hz电缆结构图

2 产品试制

2.1 工艺流程

根据设计确认的产品结构和技术性能，编制的生产工艺流程如下:拉丝→韧炼→镀锡→束绞→复绞→挤绝缘→控制线芯绞合成束→控制线芯束屏蔽→电力线芯和控制线芯束成缆→尼龙丝编织→挤包护套→成品检验。

2.2 关键工艺

在电缆的制造过程中，各工序均需按照既定工艺，着力于工艺要点，确保工序质量，完善成品性能，具体的各工序工艺要点如下:

(1)导体。控制单丝标称直径，韧炼彻底，各根导体绞合节径必须一致，实现导体电阻相同化。

(2)绝缘。线芯绝缘厚度和圆整度严格控制。

(3)屏蔽。控制线芯束采用镀锡铜丝编织屏蔽，编织覆盖率依据IEC 60092－350的公式计算，不小于95%。

(4)成缆。0号线芯置于中心，标有相同数字编号的线芯对称布置在0号线芯周围。

(5)加强层。尼龙丝编织，编织覆盖率依据IEC 60092－350的公式计算，在50%～70%，便于护套与加强层融为一体。

(6)外护套。挤包耐油、耐磨氯磺化聚乙烯，连续硫化，交联度控制应合适。

2.3 试制结果

我们按照设计的参数和结构，通过反复试验不断改进，使电缆的技术指标完全得以实现。以1×35+6×35+6×(3×1)结构为例，最终试制产品400 Hz在90℃时导体交流阻抗值实测为0.937Ω/km，远小于理论计算的0.968Ω/km;环境温度为30℃时额定载流量为270 A。在cosθ为0.8时的线路压降为0.62 mV/Am。