一种同轴型脉冲功率电缆的设计与试制

0 引言

电热化学(ETC)发射技术是一种新概念发射技术，依靠脉冲功率电源(PPS)提供电能、产生等离子体引燃发射药，从而推进弹丸高速运动，是实现火炮超高速、远程化的有效途径之一[1-6]。作为ETC发射系统内部电能传输的必要元件，脉冲功率电缆主要用于PPS与发射器之间的连接。经过长期不懈的研究，目前ETC发射关键技术正逐步获得突破。在技术概念和应用设想验证阶段、技术方案和技术途径试验验证阶段等以往研究过程中，脉冲功率电缆采用平行双导线结构或多根商业大功率电缆并联，缺乏工程化的适用性和匹配性[7-8]。根据发射系统工况与研究背景需求，本文为ETC炮系统设计和研制了同轴结构的脉冲功率电缆。

1 研究背景

ETC炮系统原理结构如图1所示。图1中，PFUi(i=1，2，3，4)为电容储能型脉冲形成单元。

图1 ETC炮系统原理结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of ETC system structure

由图1可见，核心器件为位于火炮药室内的等离子体发生器，其在电性质上属于快爆炸负载。PPS由4个相同结构和参数的PFU1、PFU2、PFU3、PFU4并联组成，PFUi的原理电路是具有续流电路的电阻- 电感- 电容2阶电路，电源汇流器是PFUi电能输出的公共端子。系统中,脉冲功率电缆主要用于连接电源汇流器和炮尾输电装置。

由于传输的脉冲电流幅值大，若采用平行双导线、多根商业大功率电缆等连接方式，发射器将不得不使用平行双极板结构的炮尾输电装置，但是平行板输电会产生很强的电磁干扰和较大的电动力，不利于系统工程化设计与应用。当前研究阶段要求采用单根同轴型电缆，其可为系统工程化设计、使用和维护带来极大方便。

2 方案设计

2.1 指标要求

脉冲功率电缆的技术参数由发射工况和背景需求决定，设计时应重点关注电流、电压和连续工作能力等技术指标。指标大小的确定主要基于文献[6-9]研究与试验得到的典型数据，同时为提高安全性与可靠性，适当增加了裕度。脉冲功率电缆的主要设计参数如表1所示。

为实现系统发射目标要求，典型脉冲电流输出i1、i2、i3如图2所示。

3次发射PPS的工作电压均为7.0 kV. 由图2可见，脉冲电流输出i1、i2、i3幅值约为180 kA，半峰值时间约为1.5 ms，输出脉冲电流经过等离子体发生器与发射药的匹配试验验证，可达到现阶段研究目标的期望。表1中的脉冲电流指标高于该组脉冲电流相关指标，可满足要求。电压方面，相关研究[8-9]表明，发射过程中负载电爆炸会使系统出现内部过电压，过电压幅值最高可接近工作电压的2倍。表1中，电压指标高达系统工作电压7.0 kV的3.5倍以上，故可满足电压水平的要求。连续工作能力方面，当前研究阶段要求单根脉冲功率电缆在自然空气冷却条件和规定射频下，能连续通过3次前述脉冲电流而不出现损伤。基本参数方面，系统放电电路的等值电阻为毫欧姆量级，等值电感为微亨利量级，等值电容为毫法拉量级，据此结合脉冲功率电缆特性参数可能的量级分析认为，如果系统使用电缆相对较长，则电缆的电阻和电感会对系统放电产生一定影响，但电缆的等值电容(一般为几个纳法拉或更小)非常小，影响可忽略，故在表1中仅对脉冲功率电缆的单位长度电阻和单位长度电感提出了设计要求。此外，根据实际使用环境和系统脉冲放电工况，表1中提出了脉冲功率电缆的最小弯曲半径和最大径向应力的期望值，其中，最大径向应力计算采用的脉冲电流峰值为250 kA.

表1 脉冲功率电缆的主要设计参数

Tab.1 Main design parameters of pulsed power cable

图2 发射实测脉冲电流曲线
Fig.2 Measured pulse current curves

2.2 材料与结构

导电材料及其通流截面为脉冲功率电缆设计的关键，电流分布均匀为减小内阻、提高导电性能的有效途径。以图2的i2为例分析脉冲电流的幅频特性，结果如图3所示。

图3 脉冲电流幅频曲线
Fig.3 Amplitude-frequency curve of pulse current

由图3可见，脉冲电流的高振幅分量主要集中在低频段，但设计时仍需尽量消除趋肤效应。综合分析后，选取直径为0.49 mm绝缘漆包圆铜单线，采用多线绞合与换位等工艺方法制作脉冲功率电缆的内导体和外导体。内导体和外导体的通流截面积决定了脉冲电缆的实际通流能力。商业大功率电缆过载放电试验统计表明：当外导体层(0.49 mm圆铜单线编织)流过的脉冲电流幅值密度大于2.5 kA/mm2时，容易发生电缆变形损坏，如图4(a)所示；当脉冲电流幅值密度大于3.0 kA/mm2时，甚至会产生外导体撕裂或爆裂等故障，如图4(b)所示。文献[10]同样进行了电缆过载放电试验，在脉冲电流幅值密度为3.2 kA/mm2时，该电缆的外导体层与外护套发生了爆裂。

图4 商业大功率电缆变形与爆裂故障
Fig.4 Deformation and bursting faults of commercial high power cable

本文将脉冲功率电缆内导体与外导体通流截面积均取120.0 mm2，在前述典型应用工况下，脉冲电流幅值密度仅为1.5 kA/mm2时，具有较高的安全性与可靠性。常用的商业大功率电缆和某些科研单位研制的专用脉冲电缆均采用同轴结构设计，自内向外主要包括内导体(芯线)、绝缘层、外导体层和外护套4层[10-13]，本文设计的脉冲功率电缆结构示意图如图5所示。

图5 脉冲功率电缆的结构示意图
Fig.5 Structure of pulsed power cable

由图5可知，脉冲功率电缆在商业大功率电缆结构上作了一些适应性改进，增加了屏蔽加强层、半导电层和隔离层等，自内向外共8层：内导体，设计半径为7.3 mm；内半导电层，设计厚度为0.1 mm；绝缘层，设计厚度为3 mm；外半导电层，设计厚度为0.1 mm；外导体层，设计厚度为2.4 mm；屏蔽加强层，设计厚度为1.0 mm；隔离层，设计厚度为0.1 mm；外护套，设计厚度为2 mm. 内导体使用630根单线，采用紧压复绞结构和换位绕制工艺。外导体层采用同样数量的圆铜单线紧密交叉编织。半导电层由混有炭黑和极细金属微粒的高分子材料交联聚乙烯(XLPE)制成的半导电布紧密缠绕而成，主要作用为填充气隙、均衡电场，消除绝缘层与金属层之间的气隙。绝缘层采用乙丙橡胶挤包，乙丙橡胶具有优异的电绝缘性能和耐电晕性，且低温下电气性能与机械性能更为优异。屏蔽加强层采用48锭绝缘漆包不锈铁丝编织，铁丝线径为0.3 mm，主要作用为分担承受径向力、增加电缆机械强度，同时约束外导体层编织线发生错位后产生的强电动力，提高电缆屏蔽效果，减小对外电磁干扰。隔离层采用涤纶无纺布制作。外护套采用热塑性聚氨酯(TPU)材料制作。脉冲功率电缆的外径设计值为32 mm.

2.3 辅助设计分析

采用有限元分析ANSYS等软件对图5所示脉冲功率电缆进行电磁场和热分析，协助开展电气强度、机械强度和连续工作能力等辅助设计。

1)电场分析。建立脉冲功率电缆的电场仿真模型，将内导体和外导体之间的电压设定为25 kV(即表1中的最大电压)，仿真分析绝缘层电场分布，得到内部电场强度随半径变化的计算曲线如图6所示。

图6 电缆内电场强度计算曲线
Fig.6 Curve of calculated electric field strength in cable

乙丙橡胶绝缘层与内导体边界承受的电场强度最大，约为10 kV/mm. 乙丙橡胶常温下介电常数为2.6，介电强度约为26 kV/mm，挤包绝缘的局部放电起始电场强度约为20 kV/mm[14-15]. 有关研究[15-17]表明，乙丙橡胶低温下的介电强度更好，如温度为77 K时，介电常数达2.7，挤包绝缘的介电强度高达40 kV/mm. 综上所述可知，脉冲功率电缆的绝缘设计可靠，绝缘层的最大电场强度值小于乙丙橡胶挤包绝缘的局部放电起始电场强度值。

2)径向力分析。当弯曲半径较小时，脉冲功率电缆外导体层可能会因外力作用而出现轻微堆积、拉伸、扭曲情况，即外导体层编织线间可能会发生错位，甚至出现小间隙，进而使电缆圆周电流分布不均匀，导致电磁场发生畸变。由于半导电层包裹着绝缘层，编织线的滑移对其电场几乎没有影响，但滑移间隙对于磁场却具有一定影响，外导体层因此会受到一定径向作用力。导体为绝缘漆包线，故磁场仿真使用电流密度均匀的实体进行简化建模。脉冲电流为200 kA时，假设编织线沿外导体层出现了宽1 mm、长100 mm的滑移间隙，则脉冲功率电缆的磁场分布如图7所示。

图7 存在滑移间隙时的磁场分布图
Fig.7 Distribution diagram of magnetic field in existence of slipping and clearance

由图7可见，由于屏蔽加强层的存在，滑移间隙对其附近的磁场分布会产生影响，对稍远的磁场影响并不大。同时电动力计算表明，外导体层受到了幅值为1.55 kN的径向作用力。若没有屏蔽加强层，则径向作用力将造成电缆变形甚至外导体导线和外护套的撕裂，这也是前述商业电缆爆裂的主要原因之一。本文设计的屏蔽加强层能够在上述情况下，施加足够大的约束力防止电缆变形。需要说明的是，由于外导体层由多层导线编织而成，即使较小的弯曲半径通常也不会使其某一部位所有编织导线出现方向一致且距离较大的滑移现象，因此实际应用中外导体层上的滑移间隙将会远小于上述仿真间隙，从而产生的径向力也较小。

3)拉力分析。系统放电时，脉冲功率电缆终端部位的内导体将单独承受强电动力的冲击，因此内导体的抗拉能力也是一个重要指标。由于内导体是绞合芯线，单线的质量缺陷和机械强度能得到分散，通常不会集中在导体的某一点上，因此本文按理想情况计算内导体的抗拉能力。退火铜导体的抗拉强度为227 MPa，630根芯线可承受的拉力约为26.78 kN. 系统中，电源汇流器上脉冲功率电缆终端部位的芯线长度为80 mm，芯线与汇流器的支撑底板间距为30 mm，假设芯线两端可靠固定，建立仿真模型进行电动力分析。分析结果表明，脉冲电流200 kA时内导体受到的拉力(汇流器斥力的合力)最大，约为13.67 kN，由此可知，芯线抗拉能力具有较大的冗余。脉冲电流200 kA时电源汇流器上脉冲功率电缆终端部位内导体受力分布如图8所示。

图8 电缆终端部位内导体受力分布图
Fig.8 Force distribution of inner conductor at cable terminal

4)温升特性分析。系统应用要求脉冲功率电缆在自然空气冷却条件和规定射频下，能连续通过3次脉冲电流而不出现损伤，由此带来一个不可忽视的研究问题，即电缆在高幅值脉冲电流作用下的温升特性。脉冲功率电缆能连续工作的前提是在通流过程中，各处温度都不超出材料使用所规定的最高允许工作温度。由于绝缘层规定的最高允许工作温度相对较低，必须保证绝缘层的温度不超出其规定的最高允许工作温度。乙丙橡胶长期允许工作温度为363.15 K(90 ℃)，短路热稳定允许温度为523.15 K(250 ℃).

根据实际发射过程中的脉冲电流，基于以下假设建立简化的脉冲功率电缆热仿真模型，研究脉冲功率电缆的放电温升问题：

1)由于脉冲放电过程极短，时长不足2 ms，分析时假设热量瞬间施加；

2)铜导体平均电阻温度系数仅为0.004×10-6 ℃-1(20 ℃)，相对较小，忽略放电过程中温升对导线电阻影响；

3)自然空气对流传热对应的传热系数为9.0 W/(m2·K).

参照图2中i2的脉冲电流波形，放大其幅值为200 kA并作为输入脉冲电缆的电流，其电作用量(电流平方与时间积)为3.45×107 A2·s. 由圆铜单线标称电阻0.093 7 Ω/m(20 ℃)可知，脉冲功率电缆内导体芯和外导体层分布电阻均约为0.16 mΩ/m，进一步计算得内导体芯与外导体层产生的焦耳热均约为5.5 kJ/m. 根据焦耳热计算结果，适当增加作用到导体上的电能，设定电缆温升热量为6.0 kJ/m，初始温度为313.15 K(40 ℃)，放电间隔时间为6 s. 仿真结果表明，电缆内部温度最高部位在内导体，3次放电结束时最高温度分别为323.59 K、333.90 K、344.11 K. 乙丙橡胶绝缘层中心部位温度低于两侧表面温度，变化较缓慢，而其内导体侧表面和外导体侧表面与导体相连，温度相对较高，变化相对明显。内导体侧表面温度和外导体侧表面温度变化计算曲线如图9所示，最高温度部位在内导体侧表面处，3次放电结束时该处温度分别为323.58 K、333.89 K、344.09 K.

图9 绝缘层温度变化计算曲线
Fig.9 Changing curves of calculated temperature of insulating layer

计算结果表明，连续3次放电后乙丙橡胶上局部最高温度比其长期允许工作温度低19.06 K，比其短路热稳定允许温度低179.09 K. 对于脉冲功率电缆而言，系统脉冲放电工况可视为短路。

综上所述，连续3次放电后，乙丙橡胶上局部最高温度远小于其短路热稳定允许温度，因此脉冲功率电缆完全满足ETC炮系统本阶段研究对其连续脉冲放电能力的要求。

3 试验验证

3.1 耐压试验

直流耐压试验采用的电缆试品长度约10 m，升压仪器采用苏州华电电气股份有限公司生产的ZGS-Ⅲ型高压直流发生器，电压稳定度控制在0.5%范围内，配装ZGS-B型全屏蔽数字高压微安表。试验电压为25 kV，加压时间为5 min，电缆试品泄露电流维持在3 μA，没有异常现象发生。

3.2 基本参数测量

采用台湾固纬电子有限公司生产的Gwinstek LCR-817型高精密LCR测试仪测量脉冲功率电缆的特性参数。测量频率为100 Hz时，脉冲功率电缆试品长10 m，电缆外径32.1 mm，芯线电阻为1.58 mΩ，电感为1.23 μH，电容为3.56 nF. 对脉冲功率电缆的弯曲半径进行测量，结果表明其最小允许弯曲半径不大于160 mm.

3.3 脉冲放电测试

采用长度10 m的脉冲功率电缆试品连接PPS与模拟负载，进行脉冲放电测试。模拟负载初始电阻值略低于发射试验采用的等离子发生器固态电阻值，负载放置于空气中。工作电压为7.0 kV时，进行3次连续脉冲放电试验，实测脉冲电流幅值高达203 kA，半峰值时间约为2 ms，放电结束后观察电缆，发现其外观无明显形变。试品脉冲放电前后直流耐压试验表明，其泄露电流值无明显变化；脉冲电流测试结果表明，脉冲功率电缆符合研制要求。

试品连续放电试验中，首次放电时电源工作电压U和负载脉冲电流i的实测曲线如图10所示，图10中，tU为U的时间刻度，ti为i的时间刻度。

图10 脉冲放电测试的电流与电压曲线
Fig.10 Measured current and voltage curves during pulse discharge

3.4 推广使用与结构改进

本文设计与试制的脉冲功率电缆不仅可应用于ETC炮工程化技术试验研究，还可推广到金属丝快爆炸装置、电磁轨道炮等技术试验研究。在电缆终端的正极(内导体)与负极(外导体)间距较大(大于400 mm)的某些场合下使用时，绝缘层与内导体芯剥露部分相对较长。当电缆多次通过较高脉冲电流(峰值大于150 kA)后，在电缆终端部位出现了芯线明显拉长、断股与撕裂等现象，原因在于芯线在强脉冲电流作用下反复承受较大电动力冲击后引起了疲劳损伤。为此，对脉冲功率电缆结构进行了改进，主要措施为在内导体中心部位增加1根直径4 mm的钢芯(抗拉强度为1 730 MPa)，以提高内导体机械强度。增加钢芯后，脉冲电缆半径增大了约1.2 mm，脉冲电缆内导体可承受的总拉力增大至47.5 kN. 在后续使用中没有再次出现内导体芯端部断股、撕裂的现象。

图11 脉冲功率电缆样品
Fig.11 Pulsed power cable samples

脉冲功率电缆结构改进前后的单位长度电阻、单位长度电感、单位长度电容等特性参数值存在微小变化，但系统放电电路的等值电阻、等值电感、等值电容等远远大于变化差值，故电缆结构改进几乎不影响系统脉冲放电的结果。结构改进后的脉冲功率电缆样品及其试用如图11所示。

4 结论

本文针对ETC炮系统研究的需求开展了同轴型脉冲功率电缆设计和研制工作，并根据推广使用情况对脉冲功率电缆结构作了进一步改进。耐压试验和脉冲放电测试结果表明，设计与试制的脉冲功率电缆满足系统研制要求，在25 kV/5 min电压作用下无损坏，在幅值203 kA、半峰值时间大于2 ms的脉冲电流作用下无形变。脉冲功率电缆为炮尾输电装置的设计、使用和维护带来极大方便，有利于PPS与发射器之间电能的传输与匹配，有助于ETC炮系统工程化的实现。