电缆导体连接管的电磁脉冲压接工艺参数研究_李晨辉.pdf

电缆导体连接管的电磁脉冲压接工艺参数研究李晨辉1，王骁1，韩佳一2，黄逍遥1，丁健1，杨兰均2（1.宁波送变电建设有限公司甬城配电网建设分公司，浙江 宁波315000；2西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安710049）摘要：电磁脉冲成形技术是一种通过电磁力来对金属材料进行加工的高能率成形技术，将其应用于电缆导体连接管的压接中，可以在压接后连接管的表面形貌、紧密度、接触电阻等方面起到明显的改善作用。文中针对GT70、GT150、GT300三种铜连接管制作了3种型号的集磁器，并对其产生的磁场和管件的变形过程进行了仿真和实验研究，探究了不同型号连接管的压接工艺参数。研究发现，铜连接管与铜电缆绞线之间能实现固相焊接的最低碰撞速度是118.6 m/s，对于GT70、GT150、GT300的铜连接管，在放电电流峰值为49.1、50.8、54.9 kA，频率为6.41、5.95、5.52 kHz时碰撞速度分别能达到该值，而在同等储能条件下不插入连接管进行放电时，在工作区所能获得的峰值磁场分别达到18.72、15.41、13.36 T。关键词：电缆导体连接管；电磁脉冲压接；碰撞速度；工作区磁场；接头电阻Research on Electromagnetic Pulse Crimping Process Parameters for CableConductor Connecting PipeLI Chenhui1，WANG Xiao1，HAN Jiayi2，HUANG Xiaoyao1，DING Jian1，YANG Lanjun2（1.Yongcheng Power Distribution Grid Construction Branch Ningbo Power Transmission and Transformation Construction CompanyLtd.，Zhenjiang Ningbo 315000，China；2.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment，Xi an JiaotongUniversity，Xi an 710049，China）Abstract:Electromagnetic pulse forming technology is a kind of highenergy rate forming technology which canprocess metal materials by electromagnetic force.Its application in the crimmping of cable conductor conenctingpipe can obviously improve the surface morphology，compactness and contact resistance of the connecting pipe aftercrimping.As for such 3 types of copper connecting pipes as GT70，GT150 and GT300 in this paper，3 types ofmagnetic collectors are made.The magnetic field generated by the magnetic collectors and the deformation processof the pipe fittings are simulated and experimentally studied，and the crimping process parameters of different typesof connecting pipes are explored.It is found that the minimum collision velocity for solidphase welding betweencopper connecting pipe and copper cable stranded wire is 118.6 m/s.For GT70，GT150 and GT300 copper connecting pipes，the collision speed can reach the value at peak of discharge currents at 49.1 kV，50.8 kV and54.9 kA and the frequencies at 6.41 kHz，5.95 kHz and 5.52 kHz respectively.However，under the same energystorage conditions and in case of discharging without inserting connecting pipe，the peak magnetic field obtained inthe operating area can reach 18.72 T，15.41 T and 13.36 T，respectively.Key words:cable conductor connecting pipe；electromagnetic pulse crimping；collision velocity；magnetic fieldof operating area；resistance of joint第59卷第7期：015601652023年 7月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.7：01560165Jul.17，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.07.017_收稿日期：20221121；修回日期：20230118基金项目：陕西省重点项目(2021GXLHZ007)。Project Supported by Key Project in Shaanxi Province(2021GXLHZ007).0引言电磁脉冲成形1-3(electromagnetic pulse forming，EMPF)技术是一种通过电磁力来对良导体材料进行加工的高能率成形技术。在电缆中间接头制作过程中，可以用EMPF取代传统的液压压接方法，来实现对导体连接管的压接效果的提升。RAJAK A K4-5等人对壁厚为1 mm的铝制终端端子与多股铜线的 EMPF 压接进行了研究，发现EMPF压接得到的接头截面比液压压接的接头更均匀。而周纹霆6-7等人研制了一台用于电缆接头压接的EMPF成形设备并进行了研究，发现用EMPF方法可以获得电阻小于传统压接方法的电缆接头。通过对国标GT70的铜连接管的压接研究可知，EMPT在改善连接管表面形貌和提升压接紧密度等方面具有明显优势：液压压接的连接管表面存在毛刺和压痕，压接的紧密度和均匀度差；而用EMPT压制的连接管表面较光滑，没有毛刺和棱角，管壁紧密挤压住绞线。这表明而在一定条件下，EMPF可以使连接管与电缆线芯之间实现类似于固相焊接的连接效果。然而，电力电缆的规格和型号多种多样，所用的导体连接管在外径、壁厚等尺寸上也有所不同。而RUETER D8等人的研究表明，管状试件和成形线圈之间径向间距的增大，会造成明显的磁场能量损失。文中针对国标GT70、GT150和GT300三种铜连接管，研制了3种型号的集磁器，并对其产生的磁场和管件的变形过程进行了仿真和实验研究，以探究不同型号连接管的压接工艺参数。1原理简介使用EMPF技术压接导体连接管的基本原理(见图1)是：通过储能电容器组对成形线圈(励磁线圈)进行放电，线圈中会流过高频的衰减振荡电流，并在特定的区域内产生一个瞬变的强磁场，此时将待加工的管件置于其内，管件上就会感应出涡流，并在强磁场的作用下发生缩径形变。回路中的电流i1为i1=UC0LC-R24e-R2Ltsin(t)(1)=1LC(2)式(1)、(2)中：C为电容量；L为整个回路总电感；R为回路总电阻；UC0为电容初始电压；t为时间；为角频率。图1整体原理图Fig.1Overall schematic diagram集磁器则是EMPF技术中常用的一种辅助工具，其主要作用是增大特定工作区域内的磁密度，以提高管件成形的效果9-10。集磁器也具有减小励磁线圈所受的力学破坏作用；同时，由于集磁器成本远小于成形线圈，往往会将一个励磁线圈和多个不同尺寸的集磁器配套使用，以应对不同形状、尺寸试样的加工需求。用于管件压接的集磁器外观一般是C形圆柱环体，其结构根据功能可划分为外感应层(外壁)、导流层(切缝)和内工作层(内壁)，见图2。当励磁线圈中流过脉冲电流i1时，集磁器的外壁上感应出涡流i2，而外壁通过导流缝的两侧与内壁形成回路，使得i2流过集磁器的内壁，从而在工作区内产生强磁场，并在管件中产生感应电流i3，来实现电磁加工。一般来说，外感应层的轴向长度应大于内工作层，以便在工作层上获得远大于感应层的电流密度。典型的集磁器截面形状为梯形。图2成形线圈原理图Fig.2Schematic diagram of forming coil2实验方法和装置2.1储能装置与成形线圈系统文中所使用的储能电容器是总容值为120 F、耐受电压为20 kV的脉冲电容器组。所使用的成形研究与分析李晨辉，王 骁，韩佳一，等.电缆导体连接管的电磁脉冲压接工艺参数研究 1572023年7月第59卷第7期线圈系统由铜合金制作的22匝励磁线圈和3种分别用于GT70、GT150、GT300连接管加工的集磁器组成，其尺寸参数见表1和图3。表1集磁器工作区尺寸Table 1Size of collector working area集磁器型号jc70jc150jc300对应使用的连接管型号GT70GT150GT300对应绞线截面积/mm270150300工作区半径R/mm8.512.016.0工作区长度L/mm273442图3成形线圈尺寸结构图Fig.3Dimensional structure of forming coil2.2碰撞速度测量在高能率压接和焊接领域，碰撞速度是影响连接效果最直接的因素11。如果碰撞速度足够大，连接管内壁和与绞线外表面之间将有可能实现固相焊接。在高速变形和碰撞下，他们表面的氧化膜破碎，并被变形所产生的气流吹离连接区域，从而使连接达到原子键合的程度，极大提升了压接紧密度。同时，电缆绞线的表面存在绞痕，碰撞速度较低时，连接管与绞线的最外层碰撞后就停止了形变，绞痕内会存在较大的空隙。如果铜管在与线芯碰撞时仍能保持较高的变形速度，那么铜管就会变形填入绞痕内，增大管内壁和线芯外表面的接触面积，提升压接的紧密性。由于接触电阻主要受收缩电阻(由通流的接触面积决定)和表面膜电阻(由金属表面氧化膜和污染层状态决定)的影响，由上文知，这两种电阻都会因碰撞速度的提升而减小。因此，提升碰撞速度可以明显改善压接的紧密性和接头的接触电阻，对碰撞速度的研究具有重要的实际意义。文中使用HS4M2高速摄像机(IDT)分别对型号为GT70、GT150、GT300的连接管在不同电流条件下的自由变形过程进行拍摄分析，每两张照片的拍摄间隔为13.6 s，一组变形照片示例见图4。根据照片中管件未变形时的壁厚与内径，可按照比例测量计算得到变形后管件的内径尺寸，取原内径与变形后内径的差值为内径形变量。本实验中所使用的铜连接管尺寸参数见表2。图4高速相片示例Fig.4High speed photo example表2连接管尺寸Table 2Connecting pipe size型号GT70GT150GT300外径/mm162231内径/mm121724壁厚/mm2.02.53.5长度/mm7894120取连接管内径缩小到线芯标称直径时为发生碰撞的时间点，按式(3)计算