一种直流高压测试系统用超柔软电缆的设计探讨

>> 海军驻北京8359所军事代表室 胡黎明 上海电缆研究所 靳志杰

一种直流高压测试系统用超柔软电缆的设计探讨

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引言

本项目研制的耐高温、耐高压的超柔软测试电缆是专门针对大功率发射机在高低温循环测试过程中使用的测试电缆。在测试的过程中，电缆经常需要进行弯曲和插拔，并且最小弯曲处仅有80mm。怎样进行电缆的小型化和柔软化的设计成为研制的关键。与此同时，该电缆的研制成功也为对于小弯曲半径的超柔软电缆的发展带来了另一种设计参考。

一 设计输入：

使用温度：-55℃～+180℃

弯曲半径：40mm

导体电阻：135Ω/km max.

使用电压：4000V AC 或 9000V DC

测试电压：18kV DC 芯-芯；芯-屏

二 电缆设计

2.1 导体设计

该电缆的设计需要满足小弯曲半径，超柔软，耐高温性能优越的特点，常用电缆导体材料的特性见表1：

表1 常用导体材料特性

由上表的比较，我们选择绞合方式的镀银铜导体是比较优化的方案。

再参考导体电阻的计算公式（一）：

式中：

R ——导体直流电阻

ρ——导体电阻率，铜为0.0178Ω·m

——导体的长度

根据设计输入导体电阻：135Ω/km max，利用公式（二）：

可计算出导体截面积为0.13mm2，考虑到柔软性能，选择标准五类导体，19根绞合方案，绞合系数选择1.02，利用公式（三）：

式中：

——单根导体直径

——导体整体截面积

——绞合导体根数

——绞合系数

可以计算得出单根导体直径为0.0924mm，考虑到导体电阻为最大值，导体的选择直径大一规格为19根0.1mm的绞合镀银铜丝。

2.2 绝缘设计

该电缆需要长期满足-55℃～+180℃的工作环境，一般的绝缘材料难以满足这种要求。电缆常用耐高温材料的性能比较见表2：

表2 常用高绝缘材料特性

通过表2的对比，XLETFE（辐照交联乙烯-聚四氟乙烯共聚物）和PI（聚酰亚胺）两种材料的耐电压特性比较突出，由于聚酰亚胺的加工性能比较差，主要考虑选择辐照交联的乙烯-聚四氟乙烯共聚物进行绝缘。实际测量我们使用的乙烯-聚四氟乙烯共聚物的击穿场强为60kv/mm,考虑到安全系数，绝缘材料的厚度选择为0.4mm。

2.3 屏蔽层设计

由于使用的设备为大功率发射机，对于电磁辐射的要求非常严格，怎样在保证电缆柔软性的情况下提供电磁屏蔽性能。

电缆使用的频率非常低，一般为直流或者交流400kHz，在这种频率下，提供电缆的屏蔽性能主要设计思路是减低屏蔽的导体电阻。这里有两种主要设计思路：

1）采用镀银铜带绕包结构，屏蔽性能非常好，接触电阻小，不过绕包的结构不够稳定，同时该结构的电缆比较硬；

2）采用镀银铜丝编织的结构，由于编织密度不可能全部覆盖，所以总是有信号容易溢出。接触电阻也比较小，结构非常稳定，可以通过减少编织截距的方式来使电缆变得柔软。

该电缆的设计在第二种屏蔽方式的基础上加以改进，首先选择两层镀银铜丝编织，编织密度大于85%，同时编织截距选择非常小（正切角大于40°）来保证电缆的柔软性。

由于电缆需要经常运动，两层编织相互间容易摩擦，容易导致编织层磨损，所以我们选择在电缆成缆外部以及两层编织间增加聚四氟乙烯绕包带，既能保证电缆柔软，同时聚四氟乙烯的自润滑性又能有效延长电缆的使用寿命。

2.4 护套设计

一般耐高温的电缆护套选择见表3：

表3 耐高温电缆护套方式

我们选择一种高强度聚四氟乙烯纤维材料进行编织护套。该材料具有强度高（36CN/Tex），耐温广（-190℃～260℃），摩擦系数低，等特点。采用该种编织结构，电缆柔软性能非常优越。

三 电缆的设计验证

通过实际生产的产品对该电缆的设计进行验证，各方面性能指标均达到设计要求。具体测试指标见下表4：

表4 成品电缆试验

该电缆的柔软性可以通过图1静态弯曲试验显示，直径为7.84mm缠绕在直径为12mm的钢笔上，弯曲半径小于1.5D,电缆无损伤。

图1 电缆静态弯曲示意图

本文通过对一种直流高压测试系统用超柔软电缆的实际使用出发，从理论方面逐步分析该电缆的设计思路和原则，同时充分考虑到电缆使用的工装条件及加工条件，充分采用了新的工艺和设计材料选择，通过理论和实践相结合的思路完成了该电缆的设计和生产验证。该电缆的柔软性设计方法，未来可以在动态使用的拖链电缆、拖曳电缆以及机器人电缆等领域进行尝试推广。希望通过本文设计探讨，能对今后在特种使用领域的电缆设计提供一种思路和经验。