某大型相控陣雷達轉繞裝置電纜試驗及仿真預測

劉文科 彭 偉 鄧書山 趙克俊

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

雷達是現代軍事戰爭中的重要電子設備，其任務是探測、發現和跟蹤敵方目標。現代雷達逐漸向大陣面、大數據發展，因而對雷達傳輸功率的要求越來越高[1-2]。某大型相控陣雷達要求完成功率達4MW的旋轉傳輸任務，考慮采用轉繞裝置實現，其優點是結構相對簡單、安裝較方便以及維護成本低等。但由于傳輸功率特別高、電纜數量特別多，電纜排布密集等，大大增加了轉繞裝置的設計難度，尤其是轉繞裝置中電纜的工作狀態對于整個雷達系統的安全可靠性具有非常重要的影響。

為了能夠掌握轉繞裝置在實際工作時電纜的真實狀態，本文擬開展轉繞裝置電纜的相關性能試驗，并結合數值仿真的方法，對實際裝機時的轉繞裝置電纜的工作狀態進行預測，以便為后期雷達工作時轉繞裝置的超高功率可靠傳輸提供參考依據。

1 轉繞裝置電纜試驗

1.1 試驗條件

本次試驗的轉繞裝置主要由底座、內筒、外筒、拖鏈、電纜、內轉接板和外轉接板組成，如圖1所示。

圖1 轉繞裝置實物圖

試驗選用的電纜為電源電纜，其主要參數如表1所示。由于電纜數量有限，無法完全按照實際裝機時的100多根電纜進行測試，故本文采用試驗與熱仿真結果結合的方式對實際裝機時的電纜工作狀態進行預測分析。

表1 電源電纜主要參數

型號外徑(mm)彎曲半徑(mm)導體電阻(Ω/km)額定載流量(A)芯數及截面積(mm2)計算重量(kg/km)YGEERP1?150mm224≥2400.1294501×1501469

本次試驗制作的電纜組件共8根，分為兩組，每組4根，分別安裝于左、右兩個拖鏈中底部位置，電纜在拖鏈中的位置排布如圖2所示。

圖2 電纜位置排布示意圖

試驗設備為HCT-50KVA/5000A型模擬加載試驗系統，該設備是基于電磁感應原理進行的，主要由試驗控制臺、電氣控制柜、開啟式穿心加熱變壓器、感應變壓器、電流互感器等組成，如圖3所示。

圖3 模擬加載試驗設備

1.2 試驗結果與分析

1.2.1 電流加載試驗

為了驗證傳輸過程中電源電纜的實際承載能力，進行電流加載試驗[3-5]。試驗加載電流分別設定為250A、300A和350A。采用鉗形電流表對電纜的傳輸電流進行檢測，如圖4所示。

圖4 傳輸電流檢測

結果表明，當對電纜分別加載250A、300A和350A電流時，該電纜均無明顯異常發熱現象，表明電纜載流能力滿足要求。

1.2.2 電纜溫升試驗

為了掌握轉繞裝置在工作條件下電纜的溫度變化情況，進行電纜溫升試驗[6-7]。試驗選取包括外部環境在內的5個采集點，采集點位置分布如圖5所示。

測試點1：內筒左側入口電纜表皮位置；

測試點2：內筒右側入口電纜表皮位置；

測試點3：外筒左側出口電纜表皮位置；

測試點4：外筒右側出口電纜表皮位置；

測試點5：內轉接板焊片附近位置。

采用熱電偶采集儀分別對上述5個采集點的溫度進行測試，如圖6所示。測試數據記錄時間間隔為15min。

圖5 采集點分布位置示意圖

圖6 熱電偶采集儀

如圖7所示為在不同加載條件下的電纜溫升曲線。從圖中可以看到，當加載250A電流時，電纜溫度開始上升，經過一段時間基本到達熱平衡狀態，即通過電流加載所產生的熱量與電纜自身向外輻射的熱量大致相等，此時電纜的最高溫度維持在48℃左右；當加載300A電流時，電纜溫度開始上升，經過一段時間基本到達熱平衡狀態，此時電纜的最高溫度維持在55℃左右；當加載350A電流時，電纜溫度開始上升，經過一段時間到達熱平衡，電纜的最高溫度在61℃左右。

圖7 不同加載電流條件下電纜溫升曲線

對相同電流條件下5個測試點位置的溫度曲線進行比較可以發現，測試點3、4位置的溫度最高，測試點1、2位置的溫度次之，測試點5的溫度最低。說明測試點3、4位置的電纜排布較密集，導致其散熱慢，測試點5位置由于散熱條件好，因此溫度低。在實際排布時應盡量保證電纜之間足夠的間隙，加速散熱，防止電纜因溫度上升過快對電能傳輸影響。

綜合以上測試結果可知，當加載350A電流時，在電纜排布最密集的位置溫度最高，為61℃左右，未超過電纜正常使用范圍，因此能夠滿足技術要求。

2 轉繞裝置試驗狀態仿真

2.1 建立熱仿真模型

以現有的轉繞裝置為基礎，建立其熱仿真模型[8]。由于轉繞裝置中的電纜和裝置結構的曲線度十分復雜，同時電纜相對裝置結構的尺寸跨度比過大，模型建立或迭代運算時容易失真；為了更為準確地仿真，采用局部結構空間抽離的仿真方法進行建模，截取整體裝置的1/10部分，如圖8所示，兼容周圍環境包絡，著重考慮熱最嚴酷的電纜段，得到的轉繞裝置1/10仿真模型如圖9所示。為了與試驗條件一致，初始環境溫度設置為30℃。電纜的發熱量可按照其通過電流進行計算得到。

圖8 轉繞裝置結構示意圖

圖9 轉繞裝置的1/10仿真模型圖

2.2 仿真結果分析

在不同加載電流條件下分別進行仿真分析，得到轉繞裝置部分電纜的溫度熱仿真云圖，如圖10所示。

圖10 轉繞裝置部分電纜溫度熱仿真云圖

將以上三種工況的仿真結果與上述試驗的測試結果進行對比可以發現：當加載電流為250A時，仿真得到的電纜最高溫度約為49℃，實際測試的電纜最高溫度約為48.5℃；當加載電流為300A時，仿真得到的電纜最高溫度約為55.5℃，實際測試的電纜最高溫度約為55.1℃；當加載電流為350A時，仿真得到的電纜最高溫度約為62℃，實際測試的電纜最高溫度約為61.2℃。綜合對比結果可知，仿真結果與實際測試結果基本一致，最大誤差不超過3%，證明該轉繞裝置仿真模型是可靠的。

3 實際裝機狀態仿真預測

為了解正常裝機狀態下轉繞裝置的電纜溫度情況，對其進行熱仿真預測。在上述轉繞裝置的仿真模型基礎上進行模型拓展，補全所有剩余電纜和風機，得到實際裝機狀態下轉繞裝置的熱仿真模型，如圖11所示。

圖11 實際裝機狀態下轉繞裝置的熱仿真模型

考慮到產品環境條件為工作溫度：-40℃～+50℃。因此，按照實際工作中最惡劣條件即環境溫度50℃進行初始條件設定。在不同加載電流條件下進行仿真分析，得到的電纜溫度熱仿真云圖如圖12所示。

圖12 轉繞裝置電纜溫度熱仿真云圖

從圖12中可以看出，在發熱量為8W/m(加載電流250A)條件下，系統到達熱平衡后電纜的最高溫度為59.2℃;在發熱量為11.6W/m(加載電流300A)條件下，系統到達熱平衡后電纜的最高溫度為63.9℃；在發熱量為15.8W/m(加載電流350A)條件下，系統到達熱平衡后電纜的最高溫度為68.2℃。

綜合以上仿真結果可知，在初始環境溫度50℃條件下，電纜到達熱平衡后的最高溫度為68.2℃，最大溫升為18.2℃，能夠滿足電纜正常使用要求。

4 結束語

本文首先針對某大型相控陣雷達轉繞裝置開展了電纜的電流加載和溫升試驗，試驗結果表明，轉繞裝置電纜的電流承載能力和溫升情況均滿足要求。隨后對轉繞裝置試驗電纜進行了熱仿真分析，仿真結果與試驗結果基本一致，證明熱仿真模型是可靠的。最后對實際裝機狀態下轉繞裝置的電纜溫度進行了仿真預測，仿真結果表明，在初始環境溫度50℃條件下，電纜的最高溫度為68.2℃，最大溫升為18.2℃，滿足電纜正常使用要求。