一种轻型大电流同轴电缆的研发

一种轻型大电流同轴电缆的研发

张静

常州船用电缆有限责任公司，江苏 常州 213017

摘要：同轴电缆具有高载流量、高耐压、高柔性、低回路电阻等特性，同轴电缆应用于不同场合，所侧重的性能也不相同。本文分别从轻量化、低温升、电磁力三个性能方向对同轴电缆进行简单分析，同时介绍一种轻型大电流同轴电缆的研发。

关键词：高载流量；轻量化；同轴电缆

0 引言

同轴电缆广泛应用于舰船、航天、医疗、采矿等领域，根据使用环境，对其特性有不同的需求侧重，有的使用环境对同轴电缆的轻量化进行侧重，有的使用环境对同轴电缆高柔软性进行侧重，有的使用环境对同轴电缆的低温升进行侧重。本文对各种特性对同轴电缆性能进行分析，同时研制一种轻型大电流同轴电缆。

1 产品性能

1.1轻量化

针对同轴电缆轻量化要求导体、绝缘需采用密度小的导体材料。在电力传输领域，铜导体、铝导体和铝合金导体被广泛应用，由于电缆的轻量化要求，可以选择铝导体和铝合金导体，但是铝导体抗蠕变性能差，由通电断电引起的热胀冷缩在连接处会造成蠕变，长时间之后会松弛，相对的螺栓的压紧力变小，接触电阻增大，最后引发事故，因此建议同轴电缆的内外导体均选择抗蠕变性能优异的8000系列铝合金导体。

1铝、铝合金、铜三种材料的抗压蠕变曲线

由图1蠕变曲线可以看出，经90℃、76MPa、100h的抗压蠕变后，铝、铝合金、铜三种材料蠕变应变分别为1.705%，0.5%，0.296%，铝合金的抗压蠕变较普铝提高了300%，蠕变曲线的变化率与铜相近。

铜导体、铝导体和8000系列铝合金导体三种材料的对比见表1。

表1 三种导体材料对比

绝缘选材方面，可使用交联聚乙烯、乙丙绝缘、硅橡胶等相应应用材质。为保持电缆整体的轻量化要求，可选择聚酰亚胺薄膜材料，进行绕包可最大化的降低绝缘厚度，从而满足同轴电缆整体轻量化要求。

1.2低温升

同轴电缆在强脉冲电流激励下温度不断升高，高温工作下的同轴电缆绝缘介质老化速度加快，寿命大大减小，进而增加了整个系统的风险。根据同轴电缆本身的特点，靠近空气的部分容易散热，内部热量需要传导到外部，因此，合理化设计内、外导体结构至关重要。在保证导体单向直流电阻、电缆外径和电缆整体重量的设计要求的前提下，合理设计内外导体截面积，同时通过ANSOFT电磁场仿真软件对同轴电缆的温升进行仿真验证，从而满足低温升性能要求。

1.3电磁力分析

工作在脉冲功率状态下的同轴电缆处于瞬态强电磁场中，其正、负极导体层之间会产生瞬态强电磁作用力。同轴电缆磁感应强度方向为同轴电缆横截面同心圆的切线方向。在该瞬态电磁场中，电缆的内、外导体层均受到电磁力作用，内导体层受到沿半径向心的压力，外导体层受到沿半径向外的压力。外导体层在电磁压力作用下产生向外的扩张形变，这种向外的扩张形变使外绝缘层受到压力，当压力超过外绝缘层的承受能力时，将导致外绝缘层的破裂，此时外导体层因失去了来自外部的约束力，在电磁压力作用下将产生破坏性形变，甚至发生断裂，产生的高压拉弧造成电缆炸裂。同轴电缆设计过程中需选用机械强度较高的材料，保证电磁力小于外绝缘层的承受能力。

2 轻型同轴电缆的研制

2.1 电缆结构示意图

同轴电缆的基本结构由内而外同轴排布，正极导体位于内层，负极导体位于外层，二者之间为绝缘层，负极导体外部包覆绝缘层及保护层，轻型同轴电缆的结构示意图见图2.

图2 轻型同轴电缆结构示意图

2.2 电缆结构

（1）内导体：采用8000系列铝合金导体，根据通流能力要求确定同轴电缆的内外导体截面积，然后选用满足要求的单丝根数、单丝直径。根据电缆柔软性要求设置合适的节径比，经过反复的实际验证，确定内导体节径比为：束丝节径比：20~24倍；复绞节径比：内层7~9倍；外层7~8倍。

（2）内绝缘：内绝缘采用聚酰亚胺薄膜（PI）材料绕包+自主研发的高压乙丙橡胶材料挤出；自主研发的高压乙丙橡胶材料具有优异的热稳定性能和良好的耐臭氧、耐老化性能；聚酰亚胺薄膜（PI）材料具有突出的耐高温、耐辐射、耐化学腐蚀和电绝缘性能；聚氨酯弹性体材料具有强度高、韧性好、耐磨、耐寒、耐油、耐水、耐老化、耐气候等特性。

（3）外导体：采用若干根铝合金单丝进行束绞，再将若干根股线单元斜绕包在绝缘线芯外。外导体加工张力控制与节距应一致，外导体斜包后反向斜包一层芳纶层作为加强作用。

（4）外绝缘：外绝缘采用聚酰亚胺薄膜（PI）材料绕包+聚氨酯弹性体材料，聚氨酯弹性体材料具有强度高、韧性好、耐磨、耐寒、耐油、耐水、耐老化、耐气候等特性。

3 结束语

直流输电越来越受到重视，在重量受限的空间场所，轻量化同轴结构电缆，可以推广到多个领域深入使用，同轴类的直流电缆可以使电缆在应用过程中减少电动力，防止电缆由于互相之间的摩擦挤压造成损坏，可以在港机、岸电、采煤等行业进行应用。

参考文献

ASTM B800-05：Standard Specification for 8000 Series Aluminum Alloy Wire for Electrical Purposes Annealed and Intermediate Tempers