李貞曉， 金涌， 楊棟， 彎港， 栗保明

(1.南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210094； 2.中國兵器科學(xué)研究院， 北京 100089)

0 引言

電熱化學(xué)(ETC)發(fā)射技術(shù)是一種新概念發(fā)射技術(shù)，依靠脈沖功率電源(PPS)提供電能、產(chǎn)生等離子體引燃發(fā)射藥，從而推進(jìn)彈丸高速運(yùn)動(dòng)，是實(shí)現(xiàn)火炮超高速、遠(yuǎn)程化的有效途徑之一[1-6]。作為ETC發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)部電能傳輸?shù)谋匾?，脈沖功率電纜主要用于PPS與發(fā)射器之間的連接。經(jīng)過長期不懈的研究，目前ETC發(fā)射關(guān)鍵技術(shù)正逐步獲得突破。在技術(shù)概念和應(yīng)用設(shè)想驗(yàn)證階段、技術(shù)方案和技術(shù)途徑試驗(yàn)驗(yàn)證階段等以往研究過程中，脈沖功率電纜采用平行雙導(dǎo)線結(jié)構(gòu)或多根商業(yè)大功率電纜并聯(lián)，缺乏工程化的適用性和匹配性[7-8]。根據(jù)發(fā)射系統(tǒng)工況與研究背景需求，本文為ETC炮系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研制了同軸結(jié)構(gòu)的脈沖功率電纜。

1 研究背景

ETC炮系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，PFUi(i=1，2，3，4)為電容儲(chǔ)能型脈沖形成單元。

由圖1可見，核心器件為位于火炮藥室內(nèi)的等離子體發(fā)生器，其在電性質(zhì)上屬于快爆炸負(fù)載。PPS由4個(gè)相同結(jié)構(gòu)和參數(shù)的PFU1、PFU2、PFU3、PFU4并聯(lián)組成，PFUi的原理電路是具有續(xù)流電路的電阻- 電感- 電容2階電路，電源匯流器是PFUi電能輸出的公共端子。系統(tǒng)中,脈沖功率電纜主要用于連接電源匯流器和炮尾輸電裝置。

由于傳輸?shù)拿}沖電流幅值大，若采用平行雙導(dǎo)線、多根商業(yè)大功率電纜等連接方式，發(fā)射器將不得不使用平行雙極板結(jié)構(gòu)的炮尾輸電裝置，但是平行板輸電會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾和較大的電動(dòng)力，不利于系統(tǒng)工程化設(shè)計(jì)與應(yīng)用。當(dāng)前研究階段要求采用單根同軸型電纜，其可為系統(tǒng)工程化設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)帶來極大方便。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 指標(biāo)要求

脈沖功率電纜的技術(shù)參數(shù)由發(fā)射工況和背景需求決定，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注電流、電壓和連續(xù)工作能力等技術(shù)指標(biāo)。指標(biāo)大小的確定主要基于文獻(xiàn)[6-9]研究與試驗(yàn)得到的典型數(shù)據(jù)，同時(shí)為提高安全性與可靠性，適當(dāng)增加了裕度。脈沖功率電纜的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)射目標(biāo)要求，典型脈沖電流輸出i1、i2、i3如圖2所示。

3次發(fā)射PPS的工作電壓均為7.0 kV. 由圖2可見，脈沖電流輸出i1、i2、i3幅值約為180 kA，半峰值時(shí)間約為1.5 ms，輸出脈沖電流經(jīng)過等離子體發(fā)生器與發(fā)射藥的匹配試驗(yàn)驗(yàn)證，可達(dá)到現(xiàn)階段研究目標(biāo)的期望。表1中的脈沖電流指標(biāo)高于該組脈沖電流相關(guān)指標(biāo)，可滿足要求。電壓方面，相關(guān)研究[8-9]表明，發(fā)射過程中負(fù)載電爆炸會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)內(nèi)部過電壓，過電壓幅值最高可接近工作電壓的2倍。表1中，電壓指標(biāo)高達(dá)系統(tǒng)工作電壓7.0 kV的3.5倍以上，故可滿足電壓水平的要求。連續(xù)工作能力方面，當(dāng)前研究階段要求單根脈沖功率電纜在自然空氣冷卻條件和規(guī)定射頻下，能連續(xù)通過3次前述脈沖電流而不出現(xiàn)損傷?；緟?shù)方面，系統(tǒng)放電電路的等值電阻為毫歐姆量級，等值電感為微亨利量級，等值電容為毫法拉量級，據(jù)此結(jié)合脈沖功率電纜特性參數(shù)可能的量級分析認(rèn)為，如果系統(tǒng)使用電纜相對較長，則電纜的電阻和電感會(huì)對系統(tǒng)放電產(chǎn)生一定影響，但電纜的等值電容(一般為幾個(gè)納法拉或更小)非常小，影響可忽略，故在表1中僅對脈沖功率電纜的單位長度電阻和單位長度電感提出了設(shè)計(jì)要求。此外，根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境和系統(tǒng)脈沖放電工況，表1中提出了脈沖功率電纜的最小彎曲半徑和最大徑向應(yīng)力的期望值，其中，最大徑向應(yīng)力計(jì)算采用的脈沖電流峰值為250 kA.

表1 脈沖功率電纜的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 材料與結(jié)構(gòu)

導(dǎo)電材料及其通流截面為脈沖功率電纜設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，電流分布均勻?yàn)闇p小內(nèi)阻、提高導(dǎo)電性能的有效途徑。以圖2的i2為例分析脈沖電流的幅頻特性，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，脈沖電流的高振幅分量主要集中在低頻段，但設(shè)計(jì)時(shí)仍需盡量消除趨膚效應(yīng)。綜合分析后，選取直徑為0.49 mm絕緣漆包圓銅單線，采用多線絞合與換位等工藝方法制作脈沖功率電纜的內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體。內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的通流截面積決定了脈沖電纜的實(shí)際通流能力。商業(yè)大功率電纜過載放電試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表明：當(dāng)外導(dǎo)體層(0.49 mm圓銅單線編織)流過的脈沖電流幅值密度大于2.5 kA/mm2時(shí)，容易發(fā)生電纜變形損壞，如圖4(a)所示；當(dāng)脈沖電流幅值密度大于3.0 kA/mm2時(shí)，甚至?xí)a(chǎn)生外導(dǎo)體撕裂或爆裂等故障，如圖4(b)所示。文獻(xiàn)[10]同樣進(jìn)行了電纜過載放電試驗(yàn)，在脈沖電流幅值密度為3.2 kA/mm2時(shí)，該電纜的外導(dǎo)體層與外護(hù)套發(fā)生了爆裂。

本文將脈沖功率電纜內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體通流截面積均取120.0 mm2，在前述典型應(yīng)用工況下，脈沖電流幅值密度僅為1.5 kA/mm2時(shí)，具有較高的安全性與可靠性。常用的商業(yè)大功率電纜和某些科研單位研制的專用脈沖電纜均采用同軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，自內(nèi)向外主要包括內(nèi)導(dǎo)體(芯線)、絕緣層、外導(dǎo)體層和外護(hù)套4層[10-13]，本文設(shè)計(jì)的脈沖功率電纜結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

由圖5可知，脈沖功率電纜在商業(yè)大功率電纜結(jié)構(gòu)上作了一些適應(yīng)性改進(jìn)，增加了屏蔽加強(qiáng)層、半導(dǎo)電層和隔離層等，自內(nèi)向外共8層：內(nèi)導(dǎo)體，設(shè)計(jì)半徑為7.3 mm；內(nèi)半導(dǎo)電層，設(shè)計(jì)厚度為0.1 mm；絕緣層，設(shè)計(jì)厚度為3 mm；外半導(dǎo)電層，設(shè)計(jì)厚度為0.1 mm；外導(dǎo)體層，設(shè)計(jì)厚度為2.4 mm；屏蔽加強(qiáng)層，設(shè)計(jì)厚度為1.0 mm；隔離層，設(shè)計(jì)厚度為0.1 mm；外護(hù)套，設(shè)計(jì)厚度為2 mm. 內(nèi)導(dǎo)體使用630根單線，采用緊壓復(fù)絞結(jié)構(gòu)和換位繞制工藝。外導(dǎo)體層采用同樣數(shù)量的圓銅單線緊密交叉編織。半導(dǎo)電層由混有炭黑和極細(xì)金屬微粒的高分子材料交聯(lián)聚乙烯(XLPE)制成的半導(dǎo)電布緊密纏繞而成，主要作用為填充氣隙、均衡電場，消除絕緣層與金屬層之間的氣隙。絕緣層采用乙丙橡膠擠包，乙丙橡膠具有優(yōu)異的電絕緣性能和耐電暈性，且低溫下電氣性能與機(jī)械性能更為優(yōu)異。屏蔽加強(qiáng)層采用48錠絕緣漆包不銹鐵絲編織，鐵絲線徑為0.3 mm，主要作用為分擔(dān)承受徑向力、增加電纜機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)約束外導(dǎo)體層編織線發(fā)生錯(cuò)位后產(chǎn)生的強(qiáng)電動(dòng)力，提高電纜屏蔽效果，減小對外電磁干擾。隔離層采用滌綸無紡布制作。外護(hù)套采用熱塑性聚氨酯(TPU)材料制作。脈沖功率電纜的外徑設(shè)計(jì)值為32 mm.

2.3 輔助設(shè)計(jì)分析

采用有限元分析ANSYS等軟件對圖5所示脈沖功率電纜進(jìn)行電磁場和熱分析，協(xié)助開展電氣強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度和連續(xù)工作能力等輔助設(shè)計(jì)。

1)電場分析。建立脈沖功率電纜的電場仿真模型，將內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間的電壓設(shè)定為25 kV(即表1中的最大電壓)，仿真分析絕緣層電場分布，得到內(nèi)部電場強(qiáng)度隨半徑變化的計(jì)算曲線如圖6所示。

乙丙橡膠絕緣層與內(nèi)導(dǎo)體邊界承受的電場強(qiáng)度最大，約為10 kV/mm. 乙丙橡膠常溫下介電常數(shù)為2.6，介電強(qiáng)度約為26 kV/mm，擠包絕緣的局部放電起始電場強(qiáng)度約為20 kV/mm[14-15]. 有關(guān)研究[15-17]表明，乙丙橡膠低溫下的介電強(qiáng)度更好，如溫度為77 K時(shí)，介電常數(shù)達(dá)2.7，擠包絕緣的介電強(qiáng)度高達(dá)40 kV/mm. 綜上所述可知，脈沖功率電纜的絕緣設(shè)計(jì)可靠，絕緣層的最大電場強(qiáng)度值小于乙丙橡膠擠包絕緣的局部放電起始電場強(qiáng)度值。

2)徑向力分析。當(dāng)彎曲半徑較小時(shí)，脈沖功率電纜外導(dǎo)體層可能會(huì)因外力作用而出現(xiàn)輕微堆積、拉伸、扭曲情況，即外導(dǎo)體層編織線間可能會(huì)發(fā)生錯(cuò)位，甚至出現(xiàn)小間隙，進(jìn)而使電纜圓周電流分布不均勻，導(dǎo)致電磁場發(fā)生畸變。由于半導(dǎo)電層包裹著絕緣層，編織線的滑移對其電場幾乎沒有影響，但滑移間隙對于磁場卻具有一定影響，外導(dǎo)體層因此會(huì)受到一定徑向作用力。導(dǎo)體為絕緣漆包線，故磁場仿真使用電流密度均勻的實(shí)體進(jìn)行簡化建模。脈沖電流為200 kA時(shí)，假設(shè)編織線沿外導(dǎo)體層出現(xiàn)了寬1 mm、長100 mm的滑移間隙，則脈沖功率電纜的磁場分布如圖7所示。

由圖7可見，由于屏蔽加強(qiáng)層的存在，滑移間隙對其附近的磁場分布會(huì)產(chǎn)生影響，對稍遠(yuǎn)的磁場影響并不大。同時(shí)電動(dòng)力計(jì)算表明，外導(dǎo)體層受到了幅值為1.55 kN的徑向作用力。若沒有屏蔽加強(qiáng)層，則徑向作用力將造成電纜變形甚至外導(dǎo)體導(dǎo)線和外護(hù)套的撕裂，這也是前述商業(yè)電纜爆裂的主要原因之一。本文設(shè)計(jì)的屏蔽加強(qiáng)層能夠在上述情況下，施加足夠大的約束力防止電纜變形。需要說明的是，由于外導(dǎo)體層由多層導(dǎo)線編織而成，即使較小的彎曲半徑通常也不會(huì)使其某一部位所有編織導(dǎo)線出現(xiàn)方向一致且距離較大的滑移現(xiàn)象，因此實(shí)際應(yīng)用中外導(dǎo)體層上的滑移間隙將會(huì)遠(yuǎn)小于上述仿真間隙，從而產(chǎn)生的徑向力也較小。

3)拉力分析。系統(tǒng)放電時(shí)，脈沖功率電纜終端部位的內(nèi)導(dǎo)體將單獨(dú)承受強(qiáng)電動(dòng)力的沖擊，因此內(nèi)導(dǎo)體的抗拉能力也是一個(gè)重要指標(biāo)。由于內(nèi)導(dǎo)體是絞合芯線，單線的質(zhì)量缺陷和機(jī)械強(qiáng)度能得到分散，通常不會(huì)集中在導(dǎo)體的某一點(diǎn)上，因此本文按理想情況計(jì)算內(nèi)導(dǎo)體的抗拉能力。退火銅導(dǎo)體的抗拉強(qiáng)度為227 MPa，630根芯線可承受的拉力約為26.78 kN. 系統(tǒng)中，電源匯流器上脈沖功率電纜終端部位的芯線長度為80 mm，芯線與匯流器的支撐底板間距為30 mm，假設(shè)芯線兩端可靠固定，建立仿真模型進(jìn)行電動(dòng)力分析。分析結(jié)果表明，脈沖電流200 kA時(shí)內(nèi)導(dǎo)體受到的拉力(匯流器斥力的合力)最大，約為13.67 kN，由此可知，芯線抗拉能力具有較大的冗余。脈沖電流200 kA時(shí)電源匯流器上脈沖功率電纜終端部位內(nèi)導(dǎo)體受力分布如圖8所示。

4)溫升特性分析。系統(tǒng)應(yīng)用要求脈沖功率電纜在自然空氣冷卻條件和規(guī)定射頻下，能連續(xù)通過3次脈沖電流而不出現(xiàn)損傷，由此帶來一個(gè)不可忽視的研究問題，即電纜在高幅值脈沖電流作用下的溫升特性。脈沖功率電纜能連續(xù)工作的前提是在通流過程中，各處溫度都不超出材料使用所規(guī)定的最高允許工作溫度。由于絕緣層規(guī)定的最高允許工作溫度相對較低，必須保證絕緣層的溫度不超出其規(guī)定的最高允許工作溫度。乙丙橡膠長期允許工作溫度為363.15 K(90 ℃)，短路熱穩(wěn)定允許溫度為523.15 K(250 ℃).

根據(jù)實(shí)際發(fā)射過程中的脈沖電流，基于以下假設(shè)建立簡化的脈沖功率電纜熱仿真模型，研究脈沖功率電纜的放電溫升問題：

1)由于脈沖放電過程極短，時(shí)長不足2 ms，分析時(shí)假設(shè)熱量瞬間施加；

2)銅導(dǎo)體平均電阻溫度系數(shù)僅為0.004×10-6℃-1(20 ℃)，相對較小，忽略放電過程中溫升對導(dǎo)線電阻影響；

3)自然空氣對流傳熱對應(yīng)的傳熱系數(shù)為9.0 W/(m2·K).

參照圖2中i2的脈沖電流波形，放大其幅值為200 kA并作為輸入脈沖電纜的電流，其電作用量(電流平方與時(shí)間積)為3.45×107A2·s. 由圓銅單線標(biāo)稱電阻0.093 7 Ω/m(20 ℃)可知，脈沖功率電纜內(nèi)導(dǎo)體芯和外導(dǎo)體層分布電阻均約為0.16 mΩ/m，進(jìn)一步計(jì)算得內(nèi)導(dǎo)體芯與外導(dǎo)體層產(chǎn)生的焦耳熱均約為5.5 kJ/m. 根據(jù)焦耳熱計(jì)算結(jié)果，適當(dāng)增加作用到導(dǎo)體上的電能，設(shè)定電纜溫升熱量為6.0 kJ/m，初始溫度為313.15 K(40 ℃)，放電間隔時(shí)間為6 s. 仿真結(jié)果表明，電纜內(nèi)部溫度最高部位在內(nèi)導(dǎo)體，3次放電結(jié)束時(shí)最高溫度分別為323.59 K、333.90 K、344.11 K. 乙丙橡膠絕緣層中心部位溫度低于兩側(cè)表面溫度，變化較緩慢，而其內(nèi)導(dǎo)體側(cè)表面和外導(dǎo)體側(cè)表面與導(dǎo)體相連，溫度相對較高，變化相對明顯。內(nèi)導(dǎo)體側(cè)表面溫度和外導(dǎo)體側(cè)表面溫度變化計(jì)算曲線如圖9所示，最高溫度部位在內(nèi)導(dǎo)體側(cè)表面處，3次放電結(jié)束時(shí)該處溫度分別為323.58 K、333.89 K、344.09 K.

計(jì)算結(jié)果表明，連續(xù)3次放電后乙丙橡膠上局部最高溫度比其長期允許工作溫度低19.06 K，比其短路熱穩(wěn)定允許溫度低179.09 K. 對于脈沖功率電纜而言，系統(tǒng)脈沖放電工況可視為短路。

綜上所述，連續(xù)3次放電后，乙丙橡膠上局部最高溫度遠(yuǎn)小于其短路熱穩(wěn)定允許溫度，因此脈沖功率電纜完全滿足ETC炮系統(tǒng)本階段研究對其連續(xù)脈沖放電能力的要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 耐壓試驗(yàn)

直流耐壓試驗(yàn)采用的電纜試品長度約10 m，升壓儀器采用蘇州華電電氣股份有限公司生產(chǎn)的ZGS-Ⅲ型高壓直流發(fā)生器，電壓穩(wěn)定度控制在0.5%范圍內(nèi)，配裝ZGS-B型全屏蔽數(shù)字高壓微安表。試驗(yàn)電壓為25 kV，加壓時(shí)間為5 min，電纜試品泄露電流維持在3 μA，沒有異?，F(xiàn)象發(fā)生。

3.2 基本參數(shù)測量

采用臺灣固緯電子有限公司生產(chǎn)的Gwinstek LCR-817型高精密LCR測試儀測量脈沖功率電纜的特性參數(shù)。測量頻率為100 Hz時(shí)，脈沖功率電纜試品長10 m，電纜外徑32.1 mm，芯線電阻為1.58 mΩ，電感為1.23 μH，電容為3.56 nF. 對脈沖功率電纜的彎曲半徑進(jìn)行測量，結(jié)果表明其最小允許彎曲半徑不大于160 mm.

3.3 脈沖放電測試

采用長度10 m的脈沖功率電纜試品連接PPS與模擬負(fù)載，進(jìn)行脈沖放電測試。模擬負(fù)載初始電阻值略低于發(fā)射試驗(yàn)采用的等離子發(fā)生器固態(tài)電阻值，負(fù)載放置于空氣中。工作電壓為7.0 kV時(shí)，進(jìn)行3次連續(xù)脈沖放電試驗(yàn)，實(shí)測脈沖電流幅值高達(dá)203 kA，半峰值時(shí)間約為2 ms，放電結(jié)束后觀察電纜，發(fā)現(xiàn)其外觀無明顯形變。試品脈沖放電前后直流耐壓試驗(yàn)表明，其泄露電流值無明顯變化；脈沖電流測試結(jié)果表明，脈沖功率電纜符合研制要求。

試品連續(xù)放電試驗(yàn)中，首次放電時(shí)電源工作電壓U和負(fù)載脈沖電流i的實(shí)測曲線如圖10所示，圖10中，tU為U的時(shí)間刻度，ti為i的時(shí)間刻度。

3.4 推廣使用與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

本文設(shè)計(jì)與試制的脈沖功率電纜不僅可應(yīng)用于ETC炮工程化技術(shù)試驗(yàn)研究，還可推廣到金屬絲快爆炸裝置、電磁軌道炮等技術(shù)試驗(yàn)研究。在電纜終端的正極(內(nèi)導(dǎo)體)與負(fù)極(外導(dǎo)體)間距較大(大于400 mm)的某些場合下使用時(shí)，絕緣層與內(nèi)導(dǎo)體芯剝露部分相對較長。當(dāng)電纜多次通過較高脈沖電流(峰值大于150 kA)后，在電纜終端部位出現(xiàn)了芯線明顯拉長、斷股與撕裂等現(xiàn)象，原因在于芯線在強(qiáng)脈沖電流作用下反復(fù)承受較大電動(dòng)力沖擊后引起了疲勞損傷。為此，對脈沖功率電纜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，主要措施為在內(nèi)導(dǎo)體中心部位增加1根直徑4 mm的鋼芯(抗拉強(qiáng)度為1 730 MPa)，以提高內(nèi)導(dǎo)體機(jī)械強(qiáng)度。增加鋼芯后，脈沖電纜半徑增大了約1.2 mm，脈沖電纜內(nèi)導(dǎo)體可承受的總拉力增大至47.5 kN. 在后續(xù)使用中沒有再次出現(xiàn)內(nèi)導(dǎo)體芯端部斷股、撕裂的現(xiàn)象。

脈沖功率電纜結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的單位長度電阻、單位長度電感、單位長度電容等特性參數(shù)值存在微小變化，但系統(tǒng)放電電路的等值電阻、等值電感、等值電容等遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變化差值，故電纜結(jié)構(gòu)改進(jìn)幾乎不影響系統(tǒng)脈沖放電的結(jié)果。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的脈沖功率電纜樣品及其試用如圖11所示。

4 結(jié)論

本文針對ETC炮系統(tǒng)研究的需求開展了同軸型脈沖功率電纜設(shè)計(jì)和研制工作，并根據(jù)推廣使用情況對脈沖功率電纜結(jié)構(gòu)作了進(jìn)一步改進(jìn)。耐壓試驗(yàn)和脈沖放電測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)與試制的脈沖功率電纜滿足系統(tǒng)研制要求，在25 kV/5 min電壓作用下無損壞，在幅值203 kA、半峰值時(shí)間大于2 ms的脈沖電流作用下無形變。脈沖功率電纜為炮尾輸電裝置的設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)帶來極大方便，有利于PPS與發(fā)射器之間電能的傳輸與匹配，有助于ETC炮系統(tǒng)工程化的實(shí)現(xiàn)。