機(jī)場(chǎng)用400Hz卷筒電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝

陳文剛 孟秋娟 王春華

（上海金豐電纜有限公司）

0 引言

飛機(jī)?？吭诶葮蚝驒C(jī)過(guò)程中，需要進(jìn)行通電檢查、啟動(dòng)等操作，其內(nèi)部的空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等均需要持續(xù)運(yùn)行。如果發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作，對(duì)飛機(jī)燃油消耗量較大，增加運(yùn)營(yíng)成本，并且對(duì)環(huán)境造成污染，而且噪聲特別大，所以停靠在廊橋的飛機(jī)一般采用靜變電源供電。

航空發(fā)電機(jī)電源為中頻400Hz，且要求外接電源應(yīng)具有相同的頻率；外接電源中的電纜采用卷筒形式收、放線(xiàn)，要求電纜具有較高的柔軟性和耐磨性，并且在頻繁使用過(guò)程中，不能出現(xiàn)變形和斷芯現(xiàn)象，更不能影響電氣性能和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸［1］。普通的電纜無(wú)法滿(mǎn)足在400Hz電源下壓降、電感及電抗等的特殊要求［2］。為此，本文針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種新型機(jī)場(chǎng)用卷筒電纜方案，以供卷筒電纜的行業(yè)同仁共同探討。

1 電纜的技術(shù)要求

機(jī)場(chǎng)用400Hz卷筒電纜需要滿(mǎn)足電纜的電能傳輸和控制信號(hào)的正常通訊，在輸出電源為400Hz的情況下，保持的阻抗、壓降等技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足要求，并適用于卷筒收放使用，電纜不變形、不斷芯。

2 電纜結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)

電纜在卷筒中是單層螺旋排列，其結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足卷筒運(yùn)行狀態(tài)，具有較好的柔軟性，成品電纜外徑應(yīng)盡量小，以免增加卷筒體積及重量。本文研究的電纜設(shè)計(jì)［3］要求為三相四線(xiàn)制，包括至少18芯控制線(xiàn)芯，允許設(shè)置適當(dāng)備用線(xiàn)芯。初步設(shè)計(jì)2種設(shè)計(jì)方案，如圖1和圖2所示。

圖1 設(shè)計(jì)方案一電纜截面圖

圖2 設(shè)計(jì)方案二電纜截面圖

方案一：電纜為3＋1結(jié)構(gòu)，三根動(dòng)力線(xiàn)芯（70mm2）加一根中性線(xiàn)芯（35mm2），為保持整根電纜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，設(shè)計(jì)時(shí)中性線(xiàn)芯與動(dòng)力線(xiàn)芯的外徑相同，成纜邊隙放置4組單元成纜控制線(xiàn)芯，經(jīng)計(jì)算單元成纜組最多可放置5芯（1mm2），共20芯控制線(xiàn)芯，電纜總外徑DA＝43.5mm，電纜單位重量WA＝3.72kg／m。

方案二：電纜為6＋1結(jié)構(gòu)，6根動(dòng)力線(xiàn)芯（35mm2）加一根中性線(xiàn)芯（35mm2），即將方案一的3芯70mm2拆分為6芯35mm2，邊隙放置6組單元成纜控制線(xiàn)芯，經(jīng)計(jì)算每單元成纜組最多可放置4芯（1mm2），共24芯控制線(xiàn)芯，總成纜外增加了一層芳綸編織的加強(qiáng)層，大大提高了整根電纜的抗拉力的同時(shí)，使線(xiàn)纜整體更加緊密。電纜外徑DA＝40.9mm，電纜單位重量WA＝3.66kg／m。

以上兩種設(shè)計(jì)方案，均可適用于卷筒電纜。方案一是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)易實(shí)現(xiàn)，工序相對(duì)簡(jiǎn)便。方案二優(yōu)化了總體結(jié)構(gòu)，電纜更加柔軟，同時(shí)對(duì)工藝控制提出了更高的要求，特別是總成纜工序的張力均勻控制。但也存在工序較多、增加工時(shí)成本等缺點(diǎn)。經(jīng)兩種方案的對(duì)比，方案二在外徑、重量、柔軟性等方面均優(yōu)于方案一，本文以方案二進(jìn)行討論。

3 卷筒電纜的理論設(shè)計(jì)

根據(jù)《電線(xiàn)電纜手冊(cè)》［4］相關(guān)理論計(jì)算公式與實(shí)際應(yīng)用參數(shù)，對(duì)該電纜進(jìn)行了性能與結(jié)構(gòu)計(jì)算。

3.1 直流電阻R的計(jì)算

式中，λ為導(dǎo)體的總絞合系數(shù)；ρ為導(dǎo)體的電阻率；S為導(dǎo)體的截面積，S＝nπd0／4，n為導(dǎo)體的單絲根數(shù)；d0為導(dǎo)體的單絲直徑。對(duì)于方案二的電纜結(jié)構(gòu)，λ取值為1.02，ρ銅＝0.017241Ω·mm2／m，n＝1121，d0＝0.2mm。經(jīng)計(jì)算得出R＝0.45Ω／km，符合GB／T 3956標(biāo)準(zhǔn)中第6類(lèi)導(dǎo)體要求［5］。

3.2 擊穿電壓V的計(jì)算［6］

式中，V工為工頻擊穿電壓；δ為絕緣厚度。

絕緣材料V工＝20kV／mm，δ＝0.9mm，通過(guò)計(jì)算得出擊穿電壓V＝18kV，實(shí)際電纜使用額定電壓為115V。

3.3 電感L的計(jì)算

式中，Li為內(nèi)感；S為電纜中心間距；Dc為導(dǎo)體外徑。

一般取Li＝0.5×10－7H／m；S＝8.54mm，Dc＝11.54mm，經(jīng)計(jì)算L＝0.249μH／m

3.4 電抗X的計(jì)算

式中，f為頻率，400Hz。 經(jīng)計(jì)算X＝0.625mΩ／m。

3.5 電纜的阻抗Z的計(jì)算

式中，R為直流電阻。經(jīng)計(jì)算Z＝0.77mΩ／m。

3.6 電纜的電壓降ΔU的計(jì)算

式中，I為導(dǎo)體電流；l為電纜長(zhǎng)度。取I＝115／R，l＝28m，經(jīng)計(jì)算ΔU＝5.51V。

通過(guò)上述計(jì)算，該設(shè)計(jì)滿(mǎn)足電纜壓降要求。

3.7 編織加強(qiáng)層的最大拉力F max計(jì)算

式中，N1為第一層編織芳綸的總根數(shù)，每錠為2根加捻；N2為第二層編織芳綸的總根數(shù)，每錠為3根加捻；F1＝1445N為每根填充芳綸破斷力；λ為芳綸層有效利用系數(shù)，本文取λ＝0.6；編織角度θ＝40°；計(jì)算得出Fmax＝1445×0.6× （24×2＋24×3）×0.766＝80kN

4 卷筒電纜關(guān)鍵工序的工藝設(shè)計(jì)及控制要點(diǎn)

該電纜制造過(guò)程的關(guān)鍵工序有：導(dǎo)體絞合，絕緣擠出，編織加強(qiáng)層，擠出內(nèi)、外護(hù)套等。在關(guān)鍵工序中要嚴(yán)格控制工藝參數(shù)及要求，確保滿(mǎn)足電氣參數(shù)指標(biāo)，并適用于卷筒使用。

（1）導(dǎo)體均采用六類(lèi)鍍錫銅絲絞合而成，銅絲直徑、絞合節(jié)距應(yīng)保持一致，應(yīng)首選同一批次銅絲生產(chǎn)導(dǎo)體，以確保相間阻抗的平衡。導(dǎo)體復(fù)絞節(jié)徑比控制在16倍以?xún)?nèi)，相鄰層應(yīng)為反向，最外層為左向，導(dǎo)體絞合后繞包加強(qiáng)輕型無(wú)紡布，繞包方向?yàn)橛蚁?。控制線(xiàn)芯應(yīng)采用緊壓特圓導(dǎo)體，以實(shí)現(xiàn)絕緣層的薄壁擠出。

（2）動(dòng)力線(xiàn)芯的絕緣采用免硫化乙丙橡膠，該材料具有柔軟性好，介電常數(shù)高，易擠出成型等特點(diǎn)。為滿(mǎn)足成品電纜各相間電性能指標(biāo)的平衡，所有絕緣線(xiàn)芯的同心度均應(yīng)控制在90%以上；控制線(xiàn)芯絕緣采用高強(qiáng)度彈性體材料（TPEE），增加控制線(xiàn)芯的耐彎折、耐疲勞性，降低斷芯的風(fēng)險(xiǎn)。絕緣標(biāo)稱(chēng)厚度為0.3mm，擠出時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制各區(qū)溫度，從喂料區(qū)至機(jī)頭位置，各區(qū)溫度間隔10℃遞增，并保持在±3℃溫控范圍內(nèi)。

（3）控制線(xiàn)芯單元組成纜方向?yàn)橛蚁颍瑧?yīng)注意控制各線(xiàn)芯張力，保持均勻一致，開(kāi)機(jī)前檢查各出線(xiàn)口及壓模的光滑、完整性，避免劃傷絕緣?？偝衫|時(shí)同樣要保持各芯張力均勻，成纜方向?yàn)橛蚁?，成纜后間隔繞包無(wú)紡布，間隔距離約為一個(gè)包帶寬度。單元組成纜及總成纜前，應(yīng)采用特種云母粉均勻涂敷在線(xiàn)芯表面，總成纜時(shí)線(xiàn)組應(yīng)通過(guò)裝有特種云母粉的上粉機(jī)，確保線(xiàn)組間隙均勻上粉。

（4）電纜設(shè)計(jì)有兩層加強(qiáng)層，即為抗扭層，均采用加捻芳綸編織，編織密度控制在40%以?xún)?nèi)。第一層抗扭層的作用是使成纜后的線(xiàn)芯組更加緊密，形成一個(gè)整體；第二層抗扭層設(shè)置在內(nèi)、外護(hù)套之間，并與內(nèi)、外護(hù)套緊密粘合融為一體，增強(qiáng)電纜的抗彎折和耐扭轉(zhuǎn)性能。

（5）內(nèi)、外護(hù)套均采用聚醚型聚氨酯材料，該材料有較高強(qiáng)度，可達(dá)25MPa以上，具有優(yōu)異耐磨性和耐彎曲性能，更適用于卷筒使用?？偝衫|后采用間隔繞包，便于內(nèi)護(hù)套嵌入成纜間隙中，使成纜線(xiàn)芯組更加緊實(shí)，減少線(xiàn)芯之間的位移。相同材料具有最佳的相融性，外護(hù)套采用與內(nèi)護(hù)套相同牌號(hào)的聚氨酯，使內(nèi)護(hù)套、編織芳綸層、外護(hù)套三者融合的更加緊密。內(nèi)護(hù)套生產(chǎn)完畢及第二層抗扭層的編織工序完畢后，均應(yīng)對(duì)電纜盤(pán)進(jìn)行防塵保護(hù)，并盡快進(jìn)行外護(hù)套生產(chǎn)，縮短三道工序的間隔時(shí)間。成纜電纜外徑應(yīng)嚴(yán)格控制在±0.5mm范圍內(nèi)。

5 成品電纜性能檢測(cè)

電纜技術(shù)指標(biāo)和成品電纜性能檢測(cè)見(jiàn)下表。

表 電纜技術(shù)指標(biāo)和成品電纜性能檢測(cè)

模擬彎曲試驗(yàn)簡(jiǎn)介：電纜卷筒形式多樣，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、加速度等均不相同。該電纜的卷筒形式為單層、凹槽式排列。成品電纜試驗(yàn)項(xiàng)目中涉及的“模擬彎曲試驗(yàn)”是模擬電纜實(shí)際裝配到卷筒中，從電纜全部卷繞到電纜盤(pán)開(kāi)始，到整根電纜全部拉出，再全部卷繞到電纜盤(pán)上，為一個(gè)周期，累計(jì)進(jìn)行10萬(wàn)個(gè)周期。電纜長(zhǎng)度為28m，單層排列卷繞約13圈，內(nèi)筒直徑大于16倍電纜直徑，拉出和收回的速度約為4m／s。電纜在卷盤(pán)上的排列形式如圖3所示。

圖3 模擬彎曲試驗(yàn)圖

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電性能計(jì)算、工藝要點(diǎn)以及測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了該電纜等設(shè)計(jì)滿(mǎn)足應(yīng)用場(chǎng)合的電性能要求。該機(jī)場(chǎng)用400Hz卷筒電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理，柔軟耐彎折，適用于卷筒上頻繁移動(dòng)使用。該電纜在生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制各道工序，特別是絕緣同心度及總成纜時(shí)各線(xiàn)芯的張力控制，以及內(nèi)護(hù)套生產(chǎn)時(shí)工藝控制等，以實(shí)現(xiàn)成品電纜的綜合性能。通過(guò)電纜合理的設(shè)計(jì)，精確的理論計(jì)算，工藝的嚴(yán)格控制，質(zhì)量過(guò)程監(jiān)管，成品電纜性能的綜合測(cè)試為靜變電源配套優(yōu)質(zhì)的電纜，為飛機(jī)提供更加可靠、安全、環(huán)保的動(dòng)力。