作者特稿：电磁脉冲焊接电缆接头装置的研制及测试
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
电力电缆连接普遍采用液压的方式，在长期运行过程中，会出现接头松动、腐蚀和老化的现象，使得电缆接头接触电阻增大，从而引起电能损耗增加，威胁电力系统的高效稳定运行。电磁脉冲焊接技术是利用脉冲大电流发生装置产生瞬态强磁场使金属管件箍缩成形来实现待焊金属的有效连接。
该技术可大幅提高金属材料成形性能和工作效率（百微秒级），并能实现异种金属甚至是金属与非金属之间的连接。本文基于电磁脉冲焊接技术研制了一套电缆连接装置，并验证了电磁脉冲焊接技术代替液压方式连接电缆接头的可行性。
► DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180686 ◀
电缆的主要作用是在各发电厂、主变电站之间安全可靠地输送电能。在输变电线路中，接头对两段电缆进行电气连接和机械连接，这就对电缆接头的连接性能提出较高要求。
常规的连接容易导致接头存在气孔、孔洞、热裂纹、夹杂等缺陷。特别是随着电力负荷的加大，以及腐蚀和老化的影响，接头的接触电阻将导致接头部分发热，导致连接强度降低，进而再次提高接触电阻，严重时甚至存在断裂的风险，导致严重的线路故障。
电磁脉冲焊接装置的基本电路如图1。其工作原理主要包括：1）充电过程：断开真空触发管（TVS），闭合真空继电器，控制高压直流电源给脉冲电容充能；2）放电过程：先断开真空继电器，控制触发信号使TVS导通，电容通过回路向焊接线圈放电。
图1 电磁脉冲焊接装置原理图
建立仿真电路，分析不同充电电压、回路电感、电阻对脉冲电流上升沿和峰值时间的影响，分析多组并联模块同步放电的影响，如图2、图3所示。
图2 不同回路参数下的脉冲电流波形
图3 多组模块放电同步性仿真结果
本文采用模块化设计，一共6个电容器组并联放电；每个电容器组由4只脉冲电容器和1只触发真空开关（TVS）组成，如图4所示。
图4 模块化电路和单模块装置实物示意图
为了确保电能的传输，减小线路电感，获得更快上升沿和更大幅值电流，本文设计了平行板传输线，用于电容器和开关之间的电路连接，设计低阻抗的同轴传输线将电容器能量传输到焊接工作台。为测量脉冲电流产生的磁场，设计了微分环，将测量的信号通过微积分计算得到磁感应强度，选择罗斯线圈进行电流测量。同时，设计了集磁器和不同匝数的焊接线圈，如图5所示。
图5 线圈、一体化焊接装置
最终，搭建的装置如图6，并进行焊接实验，实验中脉冲电流测量采用自制微分环，其标定后灵敏度为1.036×1010（V.s/A），测试波形如图7，不同焊接工件实验效果如图8。
图6 电磁脉冲焊接装置
图7 10kV充电电压下回路放电波形
图8 电磁脉冲焊接工件展示
对液压方式连接的电缆接头与电磁脉冲焊接方式的接头进行基本的性能对比测试，如图9。
图9 性能对比测试
研制了一台多多电容器组同步触发型电磁脉冲焊接装置，实现了装置在GW级大功率下运行，初步验证了电磁脉冲焊接接头其机械性能和电气性能均优于传统的液压连接方式，证明了电磁脉冲焊接技术用于电缆接头可靠连接的可行性。
周纹霆, 董守龙, 王晓雨, 谭坚文, 姚陈果. 电磁脉冲焊接电缆接头的装置的研制及测试[J]. 电工技术学报, 2019, 34(11): 2424-2434.Zhou Wenting, Dong Shoulong, Wang Xiaoyu, Tan Jianwen, Yao Chenguo. Development and Test of Electromagnetic Pulse Welding Cable Joint Device. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(11): 2424-2434.
团队介绍
重庆大学强电磁脉冲及应用课题组隶属于重庆大学电气工程学院输配电装备与新技术及系统安全国家重点实验室。课题组长期从事脉冲功率技术及相关应用的研究，具体包括：大功率高重频脉冲电源技术研究，电磁脉冲焊接技术应用研究，强脉冲电磁场生物医学效应研究等。近5年来，课题组承担国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目等国家级科研项目10余项。获得省部级科技进步奖2项，教育部自然科学二等奖1项，发表学术论文百余篇。
姚陈果
1975年生，博士，重庆大学教授，博士生导师。教育部新世纪优秀人才，重庆市杰出青年基金获得者；中国电机工程学会测试技术及仪表专委会委员，中国生物医学工程学会生物电磁学专委会委员。近年来，主持国家自然科学基金、教育部博士点基金（博导类）、部省级科技项目以及横向科研课题30多项；获省部级科研成果二等奖2项，教育部自然科学二等奖1项，授权发明专利20余项，发表论文100余篇。
廖瑞金
1963年生，博士，重庆大学教授，博士生导师，***特聘教授，国家杰出青年基金获得者，国家百千万人才工程“有突出贡献中青年专家”，“高电压输配电装备安全理论与技术”国家自然基金创新研究群体带头人，教育部跨世纪优秀人才，重庆市“两江学者”特聘教授。主要从事电气设备状态监测与故障智能诊断、绝缘老化与寿命管理、电工绝缘材料等研究。负责国家973课题、子课题2项，负责国家自然科学基金创新群体1项、杰出青年基金1项、面上项目2项、国际合作项目2项、省部级及横向科技项目30余项，获得国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步一等奖3项、二等奖2项、三等奖3项，国家级优秀教学成果一等奖1项，授权国家发明专利8项，公开发明专利18项；由科学出版社等出版著作5部，在国内外著名刊物和国际学术会议上发表论文220余篇，其中被SCI收录近60篇、EI收录150余篇。
余亮
1986年生，博士，重庆大学讲师，硕士生导师。IEEENPSSMember，中国核学会脉冲功率技术及应用分会会员，中国生物医学工程学会生物电磁学专委会青年委员。近年来，主持装备发展部、省部级科研项目多项；参与国家重点研发项目1项，在国内外重要期刊上发表论文10余篇。
董守龙
1989年生，博士，重庆大学讲师、博士后，硕士生导师。IEEEMember，中国生物医学工程学会生物电磁学专委会青年委员，主要研究脉冲功率技术及其在电力系统和生物医学领域的应用。近年来，主持国家自然科学基金、部省级科技项目以及横向科研课题10余项；获省部级科研成果二等奖1项，授权发明专利5项，发表论文20余篇。
周纹霆
1995年生，硕士研究生，研究方向为脉冲功率技术及其应用。