機場用400Hz卷筒電纜結構設計及制造工藝

陳文剛 孟秋娟 王春華

（上海金豐電纜有限公司）

0 引言

飛機?？吭诶葮蚝驒C過程中，需要進行通電檢查、啟動等操作，其內部的空調系統、照明系統、通信系統等均需要持續運行。如果發動機持續工作，對飛機燃油消耗量較大，增加運營成本，并且對環境造成污染，而且噪聲特別大，所以?？吭诶葮虻娘w機一般采用靜變電源供電。

航空發電機電源為中頻400Hz，且要求外接電源應具有相同的頻率；外接電源中的電纜采用卷筒形式收、放線，要求電纜具有較高的柔軟性和耐磨性，并且在頻繁使用過程中，不能出現變形和斷芯現象，更不能影響電氣性能和控制系統數據傳輸［1］。普通的電纜無法滿足在400Hz電源下壓降、電感及電抗等的特殊要求［2］。為此，本文針對上述問題，設計一種新型機場用卷筒電纜方案，以供卷筒電纜的行業同仁共同探討。

1 電纜的技術要求

機場用400Hz卷筒電纜需要滿足電纜的電能傳輸和控制信號的正常通訊，在輸出電源為400Hz的情況下，保持的阻抗、壓降等技術指標滿足要求，并適用于卷筒收放使用，電纜不變形、不斷芯。

2 電纜結構的初步設計

電纜在卷筒中是單層螺旋排列，其結構應滿足卷筒運行狀態，具有較好的柔軟性，成品電纜外徑應盡量小，以免增加卷筒體積及重量。本文研究的電纜設計［3］要求為三相四線制，包括至少18芯控制線芯，允許設置適當備用線芯。初步設計2種設計方案，如圖1和圖2所示。

圖1 設計方案一電纜截面圖

圖2 設計方案二電纜截面圖

方案一：電纜為3＋1結構，三根動力線芯（70mm2）加一根中性線芯（35mm2），為保持整根電纜的結構穩定，設計時中性線芯與動力線芯的外徑相同，成纜邊隙放置4組單元成纜控制線芯，經計算單元成纜組最多可放置5芯（1mm2），共20芯控制線芯，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結構，6根動力線芯（35mm2）加一根中性線芯（35mm2），即將方案一的3芯70mm2拆分為6芯35mm2，邊隙放置6組單元成纜控制線芯，經計算每單元成纜組最多可放置4芯（1mm2），共24芯控制線芯，總成纜外增加了一層芳綸編織的加強層，大大提高了整根電纜的抗拉力的同時，使線纜整體更加緊密。電纜外徑DA＝40.9mm，電纜單位重量WA＝3.66kg／m。

以上兩種設計方案，均可適用于卷筒電纜。方案一是傳統結構，生產易實現，工序相對簡便。方案二優化了總體結構，電纜更加柔軟，同時對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、增加工時成本等缺點。經兩種方案的對比，方案二在外徑、重量、柔軟性等方面均優于方案一，本文以方案二進行討論。

3 卷筒電纜的理論設計

根據《電線電纜手冊》［4］相關理論計算公式與實際應用參數，對該電纜進行了性能與結構計算。

3.1 直流電阻R的計算

式中，λ為導體的總絞合系數；ρ為導體的電阻率；S為導體的截面積，S＝nπd0／4，n為導體的單絲根數；d0為導體的單絲直徑。對于方案二的電纜結構，λ取值為1.02，ρ銅＝0.017241Ω·mm2／m，n＝1121，d0＝0.2mm。經計算得出R＝0.45Ω／km，符合GB／T 3956標準中第6類導體要求［5］。

3.2 擊穿電壓V的計算［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，通過計算得出擊穿電壓V＝18kV，實際電纜使用額定電壓為115V。

3.3 電感L的計算

式中，Li為內感；S為電纜中心間距；Dc為導體外徑。

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

3.4 電抗X的計算

式中，f為頻率，400Hz。 經計算X＝0.625mΩ／m。

3.5 電纜的阻抗Z的計算

式中，R為直流電阻。經計算Z＝0.77mΩ／m。

3.6 電纜的電壓降ΔU的計算

式中，I為導體電流；l為電纜長度。取I＝115／R，l＝28m，經計算ΔU＝5.51V。

通過上述計算，該設計滿足電纜壓降要求。

3.7 編織加強層的最大拉力F max計算

式中，N1為第一層編織芳綸的總根數，每錠為2根加捻；N2為第二層編織芳綸的總根數，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，本文取λ＝0.6；編織角度θ＝40°；計算得出Fmax＝1445×0.6× （24×2＋24×3）×0.766＝80kN

4 卷筒電纜關鍵工序的工藝設計及控制要點

該電纜制造過程的關鍵工序有：導體絞合，絕緣擠出，編織加強層，擠出內、外護套等。在關鍵工序中要嚴格控制工藝參數及要求，確保滿足電氣參數指標，并適用于卷筒使用。

（1）導體均采用六類鍍錫銅絲絞合而成，銅絲直徑、絞合節距應保持一致，應首選同一批次銅絲生產導體，以確保相間阻抗的平衡。導體復絞節徑比控制在16倍以內，相鄰層應為反向，最外層為左向，導體絞合后繞包加強輕型無紡布，繞包方向為右向?？刂凭€芯應采用緊壓特圓導體，以實現絕緣層的薄壁擠出。

（2）動力線芯的絕緣采用免硫化乙丙橡膠，該材料具有柔軟性好，介電常數高，易擠出成型等特點。為滿足成品電纜各相間電性能指標的平衡，所有絕緣線芯的同心度均應控制在90%以上；控制線芯絕緣采用高強度彈性體材料（TPEE），增加控制線芯的耐彎折、耐疲勞性，降低斷芯的風險。絕緣標稱厚度為0.3mm，擠出時應嚴格控制各區溫度，從喂料區至機頭位置，各區溫度間隔10℃遞增，并保持在±3℃溫控范圍內。

（3）控制線芯單元組成纜方向為右向，應注意控制各線芯張力，保持均勻一致，開機前檢查各出線口及壓模的光滑、完整性，避免劃傷絕緣?？偝衫|時同樣要保持各芯張力均勻，成纜方向為右向，成纜后間隔繞包無紡布，間隔距離約為一個包帶寬度。單元組成纜及總成纜前，應采用特種云母粉均勻涂敷在線芯表面，總成纜時線組應通過裝有特種云母粉的上粉機，確保線組間隙均勻上粉。

（4）電纜設計有兩層加強層，即為抗扭層，均采用加捻芳綸編織，編織密度控制在40%以內。第一層抗扭層的作用是使成纜后的線芯組更加緊密，形成一個整體；第二層抗扭層設置在內、外護套之間，并與內、外護套緊密粘合融為一體，增強電纜的抗彎折和耐扭轉性能。

（5）內、外護套均采用聚醚型聚氨酯材料，該材料有較高強度，可達25MPa以上，具有優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，便于內護套嵌入成纜間隙中，使成纜線芯組更加緊實，減少線芯之間的位移。相同材料具有最佳的相融性，外護套采用與內護套相同牌號的聚氨酯，使內護套、編織芳綸層、外護套三者融合的更加緊密。內護套生產完畢及第二層抗扭層的編織工序完畢后，均應對電纜盤進行防塵保護，并盡快進行外護套生產，縮短三道工序的間隔時間。成纜電纜外徑應嚴格控制在±0.5mm范圍內。

5 成品電纜性能檢測

電纜技術指標和成品電纜性能檢測見下表。

表 電纜技術指標和成品電纜性能檢測

模擬彎曲試驗簡介：電纜卷筒形式多樣，設計的結構、材質、加速度等均不相同。該電纜的卷筒形式為單層、凹槽式排列。成品電纜試驗項目中涉及的“模擬彎曲試驗”是模擬電纜實際裝配到卷筒中，從電纜全部卷繞到電纜盤開始，到整根電纜全部拉出，再全部卷繞到電纜盤上，為一個周期，累計進行10萬個周期。電纜長度為28m，單層排列卷繞約13圈，內筒直徑大于16倍電纜直徑，拉出和收回的速度約為4m／s。電纜在卷盤上的排列形式如圖3所示。

圖3 模擬彎曲試驗圖

6 結束語

通過上述結構設計、電性能計算、工藝要點以及測試結果，驗證了該電纜等設計滿足應用場合的電性能要求。該機場用400Hz卷筒電纜結構設計較為合理，柔軟耐彎折，適用于卷筒上頻繁移動使用。該電纜在生產過程中，應嚴格控制各道工序，特別是絕緣同心度及總成纜時各線芯的張力控制，以及內護套生產時工藝控制等，以實現成品電纜的綜合性能。通過電纜合理的設計，精確的理論計算，工藝的嚴格控制，質量過程監管，成品電纜性能的綜合測試為靜變電源配套優質的電纜，為飛機提供更加可靠、安全、環保的動力。