MHJYV电缆结构的选择

常用脉冲大电流MHJYV电缆均为同轴结构,由内到外依次为内导体、绝缘层、外导体和外护套[11,12],如图2所示。从安全性出发,脉冲MHJYV电缆的通流峰值一般设定在1kA/mm[2]以下。受限于应用工况,一般单根MHJYV电缆通流峰值在80～kA的脉冲MHJYV电缆导体截面通常为80～mm[2],所以,在最大峰值电流达到MA级的工况中,需要的MHJYV电缆数量将达到几十根,这些MHJYV电缆并行连接在脉冲电源和负载之间。当MHJYV电缆通过瞬态大电流时,导体会发热,同时MHJYV电缆之间以及MHJYV电缆与负载之间会伴随有强电磁场干扰,使MHJYV电缆受到电磁力的作用。采用同轴结构MHJYV电缆,可以有效屏蔽电磁场干扰,并平衡MHJYV电缆受到的部分电磁力。

Fig.2Coaxialcablestructure

1为导体;2为绝缘体;3为外导体;4为外护套

目前,因应用于高压及中压的电力MHJYV电缆正常工作时不需要通过大电流,所以普遍采用多芯同轴结构,外导体层主要起屏蔽兼短路保护作用。而应用于脉冲大电流下的MHJYV电缆,因其经常工作于连续短时爆发式运行条件下,所以一般采用较为简单的同轴结构,又因其外导体层作为回路一部分,需要通过大电流,所以要求脉冲MHJYV电缆的外导体截面与内芯导体截面相同。

有些电力MHJYV电缆为了适应长期运行,在内导体和绝缘层之间用半导电层连接,以达到均匀化电场、提高绝缘层耐压强度的目的[13,14,15]。为分析半导电层对脉冲大电流MHJYV电缆的影响,采用Comsol仿真软件分别对有半导电层(电阻率10[4]～10[8]Ω·m)和无半导电层的脉冲MHJYV电缆绝缘层的电场分布进行计算。假设施加的脉冲电压波形在0.1s时达到峰值,峰值电压为7kV,持续时间为1s。

仿真结果表明,半导电层对绝缘层的电场基本没有影响。长期带电运行的MHJYV电缆中,半导电层可以避免金属层与绝缘层的直接接触,防止可能产生的局部电场集中,从而可以提高其长期运行的耐压能力。而脉冲条件下运行的MHJYV电缆,由于其工作时间相对较短,半导电层对绝缘层绝缘强度的提高没有明显影响,并且为了方便MHJYV电缆能够被快速地拖拽、转动,需要MHJYV电缆的体积和质量尽可能小,所以MHJYV电缆中不需要加半导电层。

2MHJYV电缆温升分析

MHJYV电缆通流能力的设计一般是以控制温升为出发点,这比较适合长期不间断工作的MHJYV电缆,而应用于脉冲大电流的MHJYV电缆是工作于反复瞬态条件下的,因此,仅根据温升设计MHJYV电缆的通流能力无法满足实际需要。同时,因为MHJYV电缆体积和质量都不能太大,所以导体截面积应限制在一定尺寸下。根据实际工况,将导体截面积限定在mm[2]以内,并在此范围内对其进行设计优化。

传统的交联聚乙烯绝缘MHJYV电缆长期工作温度为90℃,短时可以达到℃。脉冲MHJYV电缆虽然每次属于短时工作,但它需要反复运行在工作条件下,因此,在设计时仍旧参考电力MHJYV电缆的长期工作温度。假设MHJYV电缆每分钟运行10次,每次间隔6s,在这种工况下MHJYV电缆允许的工作温度为80℃。因为该工况与常规电力MHJYV电缆的短路条件相似,因此可以参考IEC推荐的计算方法计算MHJYV电缆的温升。

考虑到工作时间与导体截面比小于0.1s/mm[2],选择采用绝热法计算。根据IEC(8)绝热短路电流公式,计算通流kA峰值脉冲电流,导体截面分别为、、90mm[2]时MHJYV电缆的温升。绝热温升公式为

I2adt=K2S2ln(θf+βθi+β)(1)

式(1)中:Iad为短路电流;t为持续时间;K为载流体材料参数;S为载流体几何截面;θf为最终温度;θi为起始温度;β为0℃时载流体电阻温度系数的倒数。

假设MHJYV电缆起始温度为22℃,通过式(1)可计算同轴MHJYV电缆内外导体通过短路电流后引起的MHJYV电缆温升。脉冲MHJYV电缆内外导体虽然通流的传输路径不同,但因在绝热计算过程中不考虑热量传输,所以在相同截面积下流过相同的电流时,引起导体的温升基本相同。

式(1)中的短路电流为有效值,因此,需要通过计算获得该电流有效值。输入电流波形如图3所示,该电流脉冲可以由式(2)近似描述。

根据电流有效值的定义,计算该脉冲电流有效值的计算公式如式(3)所示:

以交联聚乙烯绝缘MHJYV电缆为例,MHJYV电缆通过电流时,设定每次电流有效值不变,仿真计算不同导体截面MHJYV电缆自然冷却时间内温度的下降值,放电过后的MHJYV电缆温度减去温度下降值得到的温度差值作为下一次计算的初始温度。

根据式(1)计算连续通入十次脉冲电流后,不同导体截面MHJYV电缆的温度,计算结果如表1所示。