带磁性屏蔽/介电层的脉冲过电压抑制高压馈电电缆的制作方法

本发明涉及电缆设备技术领域，尤其涉及一种带磁性屏蔽/介电层的脉冲过电压抑制高压馈电电缆。

背景技术：

变频调速技术由于其卓越的调速性能、高安全可靠性、高设备利用率以及良好的节电效果，被广泛应用于轨道交通等领域的电力传动。电力传动应用到轨道交通的一个显著特点是容量大(大于10MW)，电压高(高于20kV)，通常需要采用大容量高压馈电电缆实现电力传输。但普通的大容量高压馈电电缆传输变频器电力电子元器件输出的脉冲电压会产生重复脉冲过电压问题，因为由变频器输出的脉冲电压上升沿极短(0.1～10μs)，脉冲频率较高(0.5～20kHz)，脉冲电压在馈电电缆以及电机绕组内传播时会发生波的反射和叠加作用，在馈电电缆中产生的过电压可以达到正常工作电压的2～3倍。

此外，轨道交通运行过程中，机车驱动设备进行频繁负荷切换，导致变频调速系统存在由于电流逆变器产生的5、7、11…等高次谐波，这些重复的脉冲过电压和高次谐波会对普通馈电电缆造成很大危害，长时间工作会导致绝缘层被逐步击穿。

目前的普通馈电电缆采用绝缘层、铜带缠绕的屏蔽层和铠装层的多层结构，不能对重复脉冲过电压进行有效抑制，导致系统存在严重的电磁干扰，对系统的大功率器件、电机以及电缆均造成累积损害，从而降低其使用寿命。

鉴于上述背景技术的缺陷，本发明提供了一种带磁性屏蔽/介电层的脉冲过电压抑制高压馈电电缆。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有技术中的普通馈电电缆不能对重复脉冲过电压进行有效抑制，导致系统存在严重的电磁干扰的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种带磁性屏蔽/介电层的脉冲过电压抑制高压馈电电缆，包括由内至外依次套装的缆芯、内绝缘层、磁性屏蔽/介电层、外绝缘层、金属防护套和橡胶护套，所述磁性屏蔽/介电层由磁粉体和介电粉体以预设比例混入柔韧性绝缘介质复合而成，以产生滤波电路；其中，所述磁粉体具有预设的相对磁导率，介电粉体具有预设的相对介电常数，所述相对磁导率为30～30000，所述相对介电常数为10～4000。

进一步的，复合后的所述磁性屏蔽/介电层由磁性介质和电介质以粉末形式均匀混合后压制而成，该复合后的所述磁性屏蔽/介电层的等效磁导率为μ_eff，等效介电常数为ε_eff、等效电导率为σ_eff，则有：

$v_1\frac{{\mathrm{\μ}}_1-{\mathrm{\μ}}_{eff}}{{\mathrm{\μ}}_1+2{\mathrm{\μ}}_{eff}}+v_2\frac{{\mathrm{\μ}}_2-{\mathrm{\μ}}_{eff}}{{\mathrm{\μ}}_2+2{\mathrm{\μ}}_{eff}}=0$

$v_1\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}{{\mathrm{\ϵ}}_1+2{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}+v_2\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}{{\mathrm{\ϵ}}_2+2{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}=0$

$v_1\frac{{\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_{eff}}{{\mathrm{\σ}}_1+2{\mathrm{\σ}}_{eff}}+v_2\frac{{\mathrm{\σ}}_2-{\mathrm{\σ}}_{eff}}{{\mathrm{\σ}}_2+2{\mathrm{\σ}}_{eff}}=0$

其中，

μ₁—磁性介质的磁导率；

μ₂—电介质层的磁导率；

ε₁—磁性介质的介电常数；

ε₂—电介质层的介电常数；

σ₁—磁性介质的电导率；

σ₂—电介质层的电导率；

ν₁，ν₂—磁性介质和电介质层的体积参数，且满足ν₁+ν₂＝1。

进一步的，复合后的所述磁性屏蔽/介电层的单位长度分布电感为L，单位长度分布电容为C、单位长度分布导纳为G，则有：

$L=\frac{{\mathrm{\μ}}_{eff}}{2\mathrm{\π}}ln\frac{b}{a}$

$C=\frac{2{\mathrm{\π\ϵ}}_{eff}}{ln\frac{b}{a}}$

$G=\frac{2{\mathrm{\π\σ}}_{eff}}{ln\frac{b}{a}}$

其中，

a—所述磁性屏蔽/介电层的内径；

b—所述磁性屏蔽/介电层的外径。

进一步的，所述单位长度分布电感L为0.1μH～100μH，所述单位长度分布电容C为10nF～10μF，所述单位长度分布导纳G为50MΩ以上。

进一步的，所述磁粉体、介电粉体和柔韧性绝缘介质的重量份数为：所述磁粉体与所述介电粉体之和为10份～90份，所述柔韧性绝缘介质为90份～10份。

更进一步的，上述的磁粉体与上述的介电粉体之和的重量百分比为10％～90％，上述的柔韧性绝缘介质的重量百分比为90％～10％。

进一步的，所述柔韧性绝缘介质为橡胶。

进一步的，所述磁粉体为软磁铁氧体粉。

更进一步的，所述软磁铁氧体粉的成分中进一步包括Mn-Zn、Cu-Zn或Ni-Zn中的一种或几种的组合。

进一步的，所述介电粉体为无机物电介质粉体。

更进一步的，所述无机物电介质粉体包括金红石、钛酸钙、钛酸镁、钛酸钡、锡酸钙、锡酸镁、锡酸镍、钛硅酸钙中的一种或几种的组合。

进一步的，所述磁性屏蔽/介电层中，所述软磁铁氧体粉、无机物电介质粉体和橡胶的重量份数为：所述软磁铁氧体粉和无机物电介质粉体之和为10份～90份，所述橡胶为90份～10份。

更进一步的，上述的软磁铁氧体粉和上述的无机物电介质粉体之和的重量百分比为10％～90％，上述的橡胶的重量百分比为90％～10％。

进一步的，所述磁性屏蔽/介电层的内径与外径之比为0.6～0.9。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明的带磁性屏蔽/介电层的脉冲过电压抑制高压馈电电缆包括由内至外依次套装的缆芯、内绝缘层、磁性屏蔽/介电层、外绝缘层、金属防护套和橡胶护套，磁性屏蔽/介电层由磁粉体和介电粉体以预设比例混入柔韧性绝缘介质复合而成，其中，磁粉体具有预设磁导率，介电粉体具有预设介电常数。该带磁性屏蔽/介电层的脉冲过电压抑制高压馈电电缆在普通馈电电缆的基础上，在其缆芯和外绝缘层之间加入了磁性屏蔽/介电层，使其形成滤波电路，该滤波电路能对重复脉冲过电压进行有效抑制，以抑制能引起过电压脉冲的频谱分量，从而避免系统出现严重的电磁干扰现象，进而避免对系统的大功率器件、电机以及电缆造成累积损害，从而延长其使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例的带磁性屏蔽/介电层的脉冲过电压抑制高压馈电电缆横剖面结构示意图；

图2为本发明实施例的滤波电路的电路示意图；

其中，1、缆芯；2、内绝缘层；3、磁性屏蔽/介电层；4、外绝缘层；5、金属防护套；6、橡胶护套。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例提供的带磁性屏蔽/介电层的脉冲过电压抑制高压馈电电缆，包括由内至外依次套装的缆芯1、内绝缘层2、磁性屏蔽/介电层3、外绝缘层4、金属防护套5和橡胶护套6。缆芯1为普通馈电电缆用的缆芯导体。

为了确保该磁性屏蔽/介电层3具有良好的高磁导率和高介电常数，磁性屏蔽/介电层3由磁粉体和介电粉体以预设比例混入柔韧性绝缘介质复合而成，以产生滤波电路，该滤波电路能对重复脉冲过电压进行有效抑制，从而避免系统出现严重的电磁干扰现象，进而避免对系统的大功率器件、电机以及电缆造成累积损害，从而延长其使用寿命；其中，磁粉体具有预设的相对磁导率，介电粉体具有预设的相对介电常数，更具体的，磁粉体的相对磁导率的范围为30～30000，介电粉体的相对介电常数的范围为10～4000。

需要说明的是，本实施例中，具有高磁导率的磁粉体和高介电常数的介电粉体的混入比例可以调节，但需保证复合后的磁性屏蔽/介电层3具有一定韧性。

为了确保该复合后的磁性屏蔽/介电层3具有高磁导率和高介电常数，上述的磁粉体、介电粉体和柔韧性绝缘介质的重量份数为：磁粉体与介电粉体之和为10份～90份，柔韧性绝缘介质为90份～10份。更进一步的，上述的磁粉体与上述的介电粉体之和的重量百分比为10％～90％，上述的柔韧性绝缘介质的重量百分比为90％～10％。

本实施例中，优选柔韧性绝缘介质为橡胶；优选磁粉体为软磁铁氧体粉，软磁铁氧体粉的成分中进一步包括Mn-Zn、Cu-Zn或Ni-Zn中的一种或几种的组合；优选介电粉体为无机物电介质粉体，无机物电介质粉体包括金红石、钛酸钙、钛酸镁、钛酸钡、锡酸钙、锡酸镁、锡酸镍、钛硅酸钙中的一种或几种的组合；则磁性屏蔽/介电层3中，软磁铁氧体粉、无机物电介质粉体和橡胶的重量份数为：软磁铁氧体粉和无机物电介质粉体之和为10份～90份，橡胶为90份～10份。更进一步的，上述的软磁铁氧体粉和上述的无机物电介质粉体之和的重量百分比为10％～90％，橡胶的重量百分比为90％～10％。。

在本实施例所述的磁性屏蔽/介电层3中，其厚度由实际制备而成的脉冲过电压抑制高压馈电电缆的尺寸决定，其中，该磁性屏蔽/介电层3的内径与外径之比为0.6～0.9。

本实施例中，复合后的磁性屏蔽/介电层3由磁性介质和电介质以粉末形式均匀混合后压制而成，该复合后的磁性屏蔽/介电层3的等效磁导率为μ_eff，等效介电常数为ε_eff、等效电导率为σ_eff，则有：

$v_1\frac{{\mathrm{\μ}}_1-{\mathrm{\μ}}_{eff}}{{\mathrm{\μ}}_1+2{\mathrm{\μ}}_{eff}}+v_2\frac{{\mathrm{\μ}}_2-{\mathrm{\μ}}_{eff}}{{\mathrm{\μ}}_2+2{\mathrm{\μ}}_{eff}}=0---\left(1\right)$

$v_1\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}{{\mathrm{\ϵ}}_1+2{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}+v_2\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}{{\mathrm{\ϵ}}_2+2{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}=0---\left(2\right)$

$v_1\frac{{\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_{eff}}{{\mathrm{\σ}}_1+2{\mathrm{\σ}}_{eff}}+v_2\frac{{\mathrm{\σ}}_2-{\mathrm{\σ}}_{eff}}{{\mathrm{\σ}}_2+2{\mathrm{\σ}}_{eff}}=0---\left(3\right)$

其中，

μ₁—磁性介质的磁导率；

μ₂—电介质层的磁导率；

ε₁—磁性介质的介电常数；

ε₂—电介质层的介电常数；

σ₁—磁性介质的电导率；

σ₂—电介质层的电导率；

ν₁，ν₂—磁性介质和电介质层的体积参数，且满足ν₁+ν₂＝1。

复合后的磁性屏蔽/介电层3根据上述的公式(1)～(3)调整后，形成的滤波电路中，其单位长度分布电感为L，单位长度分布电容为C、单位长度分布导纳为G，则有：

$L=\frac{{\mathrm{\μ}}_{eff}}{2\mathrm{\π}}ln\frac{b}{a}---\left(4\right)$

$C=\frac{2{\mathrm{\π\ϵ}}_{eff}}{ln\frac{b}{a}}---\left(5\right)$

$G=\frac{2{\mathrm{\π\σ}}_{eff}}{ln\frac{b}{a}}---\left(6\right)$

其中，

a—磁性屏蔽/介电层的内径；

b—磁性屏蔽/介电层的外径。

如图2所示，图中R为电缆导体单位长度电阻。在本实施例所述的磁性屏蔽/介电层3中，根据制备电缆的长度及截面尺寸，依据公式(1)～(6)调整屏蔽层/介电层3所含磁粉和介电常数粉体比例，使其单位长度分布电感L、单位长度分布电容C和单位长度分布导纳G在指定范围内，为了保证滤波电路的抑制效果，优选单位长度分布电感L的范围为0.1μH～100μH，单位长度分布电容C的范围为10nF～10μF，单位长度分布导纳G的范围为50MΩ以上。

由此，本实施例的带磁性屏蔽/介电层的脉冲过电压抑制高压馈电电缆对重复脉冲过电压能进行有效抑制，其抑制效果如表1所示：

表1 脉冲过电压抑制高压馈电电缆对重复脉冲过电压的抑制效果表

由表1可以看出，本实施例的带磁性屏蔽/介电层的脉冲过电压抑制高压馈电电缆与对比例的普通馈电电缆相比，对重复脉冲过电压明显具有非常良好的抑制效果，能够有效避免系统出现严重的电磁干扰现象，进而避免对系统的大功率器件、电机以及电缆造成累积损害，从而延长其使用寿命。

综上，本实施例的带磁性屏蔽/介电层的脉冲过电压抑制高压馈电电缆包括由内至外依次套装的缆芯、内绝缘层、磁性屏蔽/介电层、外绝缘层、金属防护套和橡胶护套，磁性屏蔽/介电层由磁粉体和介电粉体以预设比例混入柔韧性绝缘介质复合而成，其中，磁粉体具有预设磁导率，介电粉体具有预设介电常数。该带磁性屏蔽/介电层的脉冲过电压抑制高压馈电电缆在普通馈电电缆的基础上，在其缆芯和外绝缘层之间加入了磁性屏蔽/介电层，使其形成滤波电路，该滤波电路能对重复脉冲过电压进行有效抑制，从而避免系统出现严重的电磁干扰现象，进而避免对系统的大功率器件、电机以及电缆造成累积损害，从而延长其使用寿命。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。