机场用400Hz卷筒电缆结构设计及制造工艺

陈文刚 孟秋娟 王春华

（上海金丰电缆有限公司）

0 引言

飞机停靠在廊桥候机过程中，需要进行通电检查、启动等操作，其内部的空调系统、照明系统、通信系统等均需要持续运行。如果发动机持续工作，对飞机燃油消耗量较大，增加运营成本，并且对环境造成污染，而且噪声特别大，所以停靠在廊桥的飞机一般采用静变电源供电。

航空发电机电源为中频400Hz，且要求外接电源应具有相同的频率；外接电源中的电缆采用卷筒形式收、放线，要求电缆具有较高的柔软性和耐磨性，并且在频繁使用过程中，不能出现变形和断芯现象，更不能影响电气性能和控制系统数据传输［1］。普通的电缆无法满足在400Hz电源下压降、电感及电抗等的特殊要求［2］。为此，本文针对上述问题，设计一种新型机场用卷筒电缆方案，以供卷筒电缆的行业同仁共同探讨。

1 电缆的技术要求

机场用400Hz卷筒电缆需要满足电缆的电能传输和控制信号的正常通讯，在输出电源为400Hz的情况下，保持的阻抗、压降等技术指标满足要求，并适用于卷筒收放使用，电缆不变形、不断芯。

2 电缆结构的初步设计

电缆在卷筒中是单层螺旋排列，其结构应满足卷筒运行状态，具有较好的柔软性，成品电缆外径应尽量小，以免增加卷筒体积及重量。本文研究的电缆设计［3］要求为三相四线制，包括至少18芯控制线芯，允许设置适当备用线芯。初步设计2种设计方案，如图1和图2所示。

图1 设计方案一电缆截面图

图2 设计方案二电缆截面图

方案一：电缆为3＋1结构，三根动力线芯（70mm2）加一根中性线芯（35mm2），为保持整根电缆的结构稳定，设计时中性线芯与动力线芯的外径相同，成缆边隙放置4组单元成缆控制线芯，经计算单元成缆组最多可放置5芯（1mm2），共20芯控制线芯，电缆总外径DA＝43.5mm，电缆单位重量WA＝3.72kg／m。

方案二：电缆为6＋1结构，6根动力线芯（35mm2）加一根中性线芯（35mm2），即将方案一的3芯70mm2拆分为6芯35mm2，边隙放置6组单元成缆控制线芯，经计算每单元成缆组最多可放置4芯（1mm2），共24芯控制线芯，总成缆外增加了一层芳纶编织的加强层，大大提高了整根电缆的抗拉力的同时，使线缆整体更加紧密。电缆外径DA＝40.9mm，电缆单位重量WA＝3.66kg／m。

以上两种设计方案，均可适用于卷筒电缆。方案一是传统结构，生产易实现，工序相对简便。方案二优化了总体结构，电缆更加柔软，同时对工艺控制提出了更高的要求，特别是总成缆工序的张力均匀控制。但也存在工序较多、增加工时成本等缺点。经两种方案的对比，方案二在外径、重量、柔软性等方面均优于方案一，本文以方案二进行讨论。

3 卷筒电缆的理论设计

根据《电线电缆手册》［4］相关理论计算公式与实际应用参数，对该电缆进行了性能与结构计算。

3.1 直流电阻R的计算

式中，λ为导体的总绞合系数；ρ为导体的电阻率；S为导体的截面积，S＝nπd0／4，n为导体的单丝根数；d0为导体的单丝直径。对于方案二的电缆结构，λ取值为1.02，ρ铜＝0.017241Ω·mm2／m，n＝1121，d0＝0.2mm。经计算得出R＝0.45Ω／km，符合GB／T 3956标准中第6类导体要求［5］。

3.2 击穿电压V的计算［6］

式中，V工为工频击穿电压；δ为绝缘厚度。

绝缘材料V工＝20kV／mm，δ＝0.9mm，通过计算得出击穿电压V＝18kV，实际电缆使用额定电压为115V。

3.3 电感L的计算

式中，Li为内感；S为电缆中心间距；Dc为导体外径。

一般取Li＝0.5×10－7H／m；S＝8.54mm，Dc＝11.54mm，经计算L＝0.249μH／m

3.4 电抗X的计算

式中，f为频率，400Hz。 经计算X＝0.625mΩ／m。

3.5 电缆的阻抗Z的计算

式中，R为直流电阻。经计算Z＝0.77mΩ／m。

3.6 电缆的电压降ΔU的计算

式中，I为导体电流；l为电缆长度。取I＝115／R，l＝28m，经计算ΔU＝5.51V。

通过上述计算，该设计满足电缆压降要求。

3.7 编织加强层的最大拉力F max计算

式中，N1为第一层编织芳纶的总根数，每锭为2根加捻；N2为第二层编织芳纶的总根数，每锭为3根加捻；F1＝1445N为每根填充芳纶破断力；λ为芳纶层有效利用系数，本文取λ＝0.6；编织角度θ＝40°；计算得出Fmax＝1445×0.6× （24×2＋24×3）×0.766＝80kN

4 卷筒电缆关键工序的工艺设计及控制要点

该电缆制造过程的关键工序有：导体绞合，绝缘挤出，编织加强层，挤出内、外护套等。在关键工序中要严格控制工艺参数及要求，确保满足电气参数指标，并适用于卷筒使用。

（1）导体均采用六类镀锡铜丝绞合而成，铜丝直径、绞合节距应保持一致，应首选同一批次铜丝生产导体，以确保相间阻抗的平衡。导体复绞节径比控制在16倍以内，相邻层应为反向，最外层为左向，导体绞合后绕包加强轻型无纺布，绕包方向为右向。控制线芯应采用紧压特圆导体，以实现绝缘层的薄壁挤出。

（2）动力线芯的绝缘采用免硫化乙丙橡胶，该材料具有柔软性好，介电常数高，易挤出成型等特点。为满足成品电缆各相间电性能指标的平衡，所有绝缘线芯的同心度均应控制在90%以上；控制线芯绝缘采用高强度弹性体材料（TPEE），增加控制线芯的耐弯折、耐疲劳性，降低断芯的风险。绝缘标称厚度为0.3mm，挤出时应严格控制各区温度，从喂料区至机头位置，各区温度间隔10℃递增，并保持在±3℃温控范围内。

（3）控制线芯单元组成缆方向为右向，应注意控制各线芯张力，保持均匀一致，开机前检查各出线口及压模的光滑、完整性，避免划伤绝缘。总成缆时同样要保持各芯张力均匀，成缆方向为右向，成缆后间隔绕包无纺布，间隔距离约为一个包带宽度。单元组成缆及总成缆前，应采用特种云母粉均匀涂敷在线芯表面，总成缆时线组应通过装有特种云母粉的上粉机，确保线组间隙均匀上粉。

（4）电缆设计有两层加强层，即为抗扭层，均采用加捻芳纶编织，编织密度控制在40%以内。第一层抗扭层的作用是使成缆后的线芯组更加紧密，形成一个整体；第二层抗扭层设置在内、外护套之间，并与内、外护套紧密粘合融为一体，增强电缆的抗弯折和耐扭转性能。

（5）内、外护套均采用聚醚型聚氨酯材料，该材料有较高强度，可达25MPa以上，具有优异耐磨性和耐弯曲性能，更适用于卷筒使用。总成缆后采用间隔绕包，便于内护套嵌入成缆间隙中，使成缆线芯组更加紧实，减少线芯之间的位移。相同材料具有最佳的相融性，外护套采用与内护套相同牌号的聚氨酯，使内护套、编织芳纶层、外护套三者融合的更加紧密。内护套生产完毕及第二层抗扭层的编织工序完毕后，均应对电缆盘进行防尘保护，并尽快进行外护套生产，缩短三道工序的间隔时间。成缆电缆外径应严格控制在±0.5mm范围内。

5 成品电缆性能检测

电缆技术指标和成品电缆性能检测见下表。

表 电缆技术指标和成品电缆性能检测

模拟弯曲试验简介：电缆卷筒形式多样，设计的结构、材质、加速度等均不相同。该电缆的卷筒形式为单层、凹槽式排列。成品电缆试验项目中涉及的“模拟弯曲试验”是模拟电缆实际装配到卷筒中，从电缆全部卷绕到电缆盘开始，到整根电缆全部拉出，再全部卷绕到电缆盘上，为一个周期，累计进行10万个周期。电缆长度为28m，单层排列卷绕约13圈，内筒直径大于16倍电缆直径，拉出和收回的速度约为4m／s。电缆在卷盘上的排列形式如图3所示。

图3 模拟弯曲试验图

6 结束语

通过上述结构设计、电性能计算、工艺要点以及测试结果，验证了该电缆等设计满足应用场合的电性能要求。该机场用400Hz卷筒电缆结构设计较为合理，柔软耐弯折，适用于卷筒上频繁移动使用。该电缆在生产过程中，应严格控制各道工序，特别是绝缘同心度及总成缆时各线芯的张力控制，以及内护套生产时工艺控制等，以实现成品电缆的综合性能。通过电缆合理的设计，精确的理论计算，工艺的严格控制，质量过程监管，成品电缆性能的综合测试为静变电源配套优质的电缆，为飞机提供更加可靠、安全、环保的动力。