- 頭條作者特稿：電磁脈沖焊接電纜接頭的裝置的研制及測試2020-04-07 作者：邱立, 李彥濤, 蘇攀, 熊奇, 李亮 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語電力電纜連接普遍采用液壓的方式，在長期運行過程中，會出現接頭松動、腐蝕和老化的現象，使得電纜接頭接觸電阻增大，從而引起電能損耗增加，威脅電力系統的高效穩定運行。電磁脈沖焊接技術是利用脈沖大電流發生裝置產生瞬態強磁場使金屬管件箍縮成形來實現待焊金屬的有效連接。 該技術可大幅提高金屬材料成形性能和工作效率（百微秒級），并能實現異種金屬甚至是金屬與非金屬之間的連接。本文基于電磁脈沖焊接技術研制了一套電纜連接裝置，并驗證了電磁脈沖焊接技術代替液壓方式連接電纜接頭的可行性。
研究背景
電纜的主要作用是在各發電廠、主變電站之間安全可靠地輸送電能。在輸變電線路中，接頭對兩段電纜進行電氣連接和機械連接，這就對電纜接頭的連接性能提出較高要求。
常規的連接容易導致接頭存在氣孔、孔洞、熱裂紋、夾雜等缺陷。特別是隨著電力負荷的加大，以及腐蝕和老化的影響，接頭的接觸電阻將導致接頭部分發熱，導致連接強度降低，進而再次提高接觸電阻，嚴重時甚至存在斷裂的風險，導致嚴重的線路故障。
論文主要內容
電磁脈沖焊接裝置的基本電路如圖1。其工作原理主要包括：1）充電過程：斷開真空觸發管（TVS），閉合真空繼電器，控制高壓直流電源給脈沖電容充能；2）放電過程：先斷開真空繼電器，控制觸發信號使TVS導通，電容通過回路向焊接線圈放電。
圖1 電磁脈沖焊接裝置原理圖
建立仿真電路，分析不同充電電壓、回路電感、電阻對脈沖電流上升沿和峰值時間的影響，分析多組并聯模塊同步放電的影響，如圖2、圖3所示。
圖2 不同回路參數下的脈沖電流波形
圖3 多組模塊放電同步性仿真結果
本文采用模塊化設計，一共6個電容器組并聯放電；每個電容器組由4只脈沖電容器和1只觸發真空開關（TVS）組成，如圖4所示。
圖4 模塊化電路和單模塊裝置實物示意圖
為了確保電能的傳輸，減小線路電感，獲得更快上升沿和更大幅值電流，本文設計了平行板傳輸線，用于電容器和開關之間的電路連接，設計低阻抗的同軸傳輸線將電容器能量傳輸到焊接工作臺。為測量脈沖電流產生的磁場，設計了微分環，將測量的信號通過微積分計算得到磁感應強度，選擇羅斯線圈進行電流測量。同時，設計了集磁器和不同匝數的焊接線圈，如圖5所示。
圖5 線圈、一體化焊接裝置
最終，搭建的裝置如圖6，并進行焊接實驗，實驗中脈沖電流測量采用自制微分環，其標定后靈敏度為1.036×1010（V.s/A），測試波形如圖7，不同焊接工件實驗效果如圖8。
圖6 電磁脈沖焊接裝置
圖7 10kV充電電壓下回路放電波形
圖8 電磁脈沖焊接工件展示
對液壓方式連接的電纜接頭與電磁脈沖焊接方式的接頭進行基本的性能對比測試，如圖9。
圖9 性能對比測試
結論
研制了一臺多多電容器組同步觸發型電磁脈沖焊接裝置，實現了裝置在GW級大功率下運行，初步驗證了電磁脈沖焊接接頭其機械性能和電氣性能均優于傳統的液壓連接方式，證明了電磁脈沖焊接技術用于電纜接頭可靠連接的可行性。
引用本文
邱立, 李彥濤, 蘇攀, 熊奇, 李亮. 電磁成形中電磁技術問題研究進展[J]. 電工技術學報, 2019, 34(11): 2247-2259. Qiu Li, Li Yantao, Su Pan, Xiong Qi, Li Liang. Research on Electromagnetic Problems in Electromagnetic Forming Process. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(11): 2247-2259.
團隊介紹
重慶大學強電磁脈沖及應用課題組隸屬于重慶大學電氣工程學院輸配電裝備與新技術及系統安全國家重點實驗室。課題組長期從事脈沖功率技術及相關應用的研究，具體包括：大功率高重頻脈沖電源技術研究，電磁脈沖焊接技術應用研究，強脈沖電磁場生物醫學效應研究等。近5年來，課題組承擔國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目等國家級科研項目10余項。獲得省部級科技進步獎2項，教育部自然科學二等獎1項，發表學術論文百余篇。
