某大型相控阵雷达转绕装置电缆试验及仿真预测

刘文科 彭 伟 邓书山 赵克俊

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

雷达是现代军事战争中的重要电子设备，其任务是探测、发现和跟踪敌方目标。现代雷达逐渐向大阵面、大数据发展，因而对雷达传输功率的要求越来越高[1-2]。某大型相控阵雷达要求完成功率达4MW的旋转传输任务，考虑采用转绕装置实现，其优点是结构相对简单、安装较方便以及维护成本低等。但由于传输功率特别高、电缆数量特别多，电缆排布密集等，大大增加了转绕装置的设计难度，尤其是转绕装置中电缆的工作状态对于整个雷达系统的安全可靠性具有非常重要的影响。

为了能够掌握转绕装置在实际工作时电缆的真实状态，本文拟开展转绕装置电缆的相关性能试验，并结合数值仿真的方法，对实际装机时的转绕装置电缆的工作状态进行预测，以便为后期雷达工作时转绕装置的超高功率可靠传输提供参考依据。

1 转绕装置电缆试验

1.1 试验条件

本次试验的转绕装置主要由底座、内筒、外筒、拖链、电缆、内转接板和外转接板组成，如图1所示。

图1 转绕装置实物图

试验选用的电缆为电源电缆，其主要参数如表1所示。由于电缆数量有限，无法完全按照实际装机时的100多根电缆进行测试，故本文采用试验与热仿真结果结合的方式对实际装机时的电缆工作状态进行预测分析。

表1 电源电缆主要参数

型号外径(mm)弯曲半径(mm)导体电阻(Ω/km)额定载流量(A)芯数及截面积(mm2)计算重量(kg/km)YGEERP1∗150mm224≥2400.1294501×1501469

本次试验制作的电缆组件共8根，分为两组，每组4根，分别安装于左、右两个拖链中底部位置，电缆在拖链中的位置排布如图2所示。

图2 电缆位置排布示意图

试验设备为HCT-50KVA/5000A型模拟加载试验系统，该设备是基于电磁感应原理进行的，主要由试验控制台、电气控制柜、开启式穿心加热变压器、感应变压器、电流互感器等组成，如图3所示。

图3 模拟加载试验设备

1.2 试验结果与分析

1.2.1 电流加载试验

为了验证传输过程中电源电缆的实际承载能力，进行电流加载试验[3-5]。试验加载电流分别设定为250A、300A和350A。采用钳形电流表对电缆的传输电流进行检测，如图4所示。

图4 传输电流检测

结果表明，当对电缆分别加载250A、300A和350A电流时，该电缆均无明显异常发热现象，表明电缆载流能力满足要求。

1.2.2 电缆温升试验

为了掌握转绕装置在工作条件下电缆的温度变化情况，进行电缆温升试验[6-7]。试验选取包括外部环境在内的5个采集点，采集点位置分布如图5所示。

测试点1：内筒左侧入口电缆表皮位置；

测试点2：内筒右侧入口电缆表皮位置；

测试点3：外筒左侧出口电缆表皮位置；

测试点4：外筒右侧出口电缆表皮位置；

测试点5：内转接板焊片附近位置。

采用热电偶采集仪分别对上述5个采集点的温度进行测试，如图6所示。测试数据记录时间间隔为15min。

图5 采集点分布位置示意图

图6 热电偶采集仪

如图7所示为在不同加载条件下的电缆温升曲线。从图中可以看到，当加载250A电流时，电缆温度开始上升，经过一段时间基本到达热平衡状态，即通过电流加载所产生的热量与电缆自身向外辐射的热量大致相等，此时电缆的最高温度维持在48℃左右；当加载300A电流时，电缆温度开始上升，经过一段时间基本到达热平衡状态，此时电缆的最高温度维持在55℃左右；当加载350A电流时，电缆温度开始上升，经过一段时间到达热平衡，电缆的最高温度在61℃左右。

图7 不同加载电流条件下电缆温升曲线

对相同电流条件下5个测试点位置的温度曲线进行比较可以发现，测试点3、4位置的温度最高，测试点1、2位置的温度次之，测试点5的温度最低。说明测试点3、4位置的电缆排布较密集，导致其散热慢，测试点5位置由于散热条件好，因此温度低。在实际排布时应尽量保证电缆之间足够的间隙，加速散热，防止电缆因温度上升过快对电能传输影响。

综合以上测试结果可知，当加载350A电流时，在电缆排布最密集的位置温度最高，为61℃左右，未超过电缆正常使用范围，因此能够满足技术要求。

2 转绕装置试验状态仿真

2.1 建立热仿真模型

以现有的转绕装置为基础，建立其热仿真模型[8]。由于转绕装置中的电缆和装置结构的曲线度十分复杂，同时电缆相对装置结构的尺寸跨度比过大，模型建立或迭代运算时容易失真；为了更为准确地仿真，采用局部结构空间抽离的仿真方法进行建模，截取整体装置的1/10部分，如图8所示，兼容周围环境包络，着重考虑热最严酷的电缆段，得到的转绕装置1/10仿真模型如图9所示。为了与试验条件一致，初始环境温度设置为30℃。电缆的发热量可按照其通过电流进行计算得到。

图8 转绕装置结构示意图

图9 转绕装置的1/10仿真模型图

2.2 仿真结果分析

在不同加载电流条件下分别进行仿真分析，得到转绕装置部分电缆的温度热仿真云图，如图10所示。

图10 转绕装置部分电缆温度热仿真云图

将以上三种工况的仿真结果与上述试验的测试结果进行对比可以发现：当加载电流为250A时，仿真得到的电缆最高温度约为49℃，实际测试的电缆最高温度约为48.5℃；当加载电流为300A时，仿真得到的电缆最高温度约为55.5℃，实际测试的电缆最高温度约为55.1℃；当加载电流为350A时，仿真得到的电缆最高温度约为62℃，实际测试的电缆最高温度约为61.2℃。综合对比结果可知，仿真结果与实际测试结果基本一致，最大误差不超过3%，证明该转绕装置仿真模型是可靠的。

3 实际装机状态仿真预测

为了解正常装机状态下转绕装置的电缆温度情况，对其进行热仿真预测。在上述转绕装置的仿真模型基础上进行模型拓展，补全所有剩余电缆和风机，得到实际装机状态下转绕装置的热仿真模型，如图11所示。

图11 实际装机状态下转绕装置的热仿真模型

考虑到产品环境条件为工作温度：-40℃～+50℃。因此，按照实际工作中最恶劣条件即环境温度50℃进行初始条件设定。在不同加载电流条件下进行仿真分析，得到的电缆温度热仿真云图如图12所示。

图12 转绕装置电缆温度热仿真云图

从图12中可以看出，在发热量为8W/m(加载电流250A)条件下，系统到达热平衡后电缆的最高温度为59.2℃;在发热量为11.6W/m(加载电流300A)条件下，系统到达热平衡后电缆的最高温度为63.9℃；在发热量为15.8W/m(加载电流350A)条件下，系统到达热平衡后电缆的最高温度为68.2℃。

综合以上仿真结果可知，在初始环境温度50℃条件下，电缆到达热平衡后的最高温度为68.2℃，最大温升为18.2℃，能够满足电缆正常使用要求。

4 结束语

本文首先针对某大型相控阵雷达转绕装置开展了电缆的电流加载和温升试验，试验结果表明，转绕装置电缆的电流承载能力和温升情况均满足要求。随后对转绕装置试验电缆进行了热仿真分析，仿真结果与试验结果基本一致，证明热仿真模型是可靠的。最后对实际装机状态下转绕装置的电缆温度进行了仿真预测，仿真结果表明，在初始环境温度50℃条件下，电缆的最高温度为68.2℃，最大温升为18.2℃，满足电缆正常使用要求。