高压导线常用于高压电源和功率器件的传输系统中，在电子系统多功能、小体积和重量轻的发展趋势下，不仅要求高压导线的外径要小，易于弯曲，同时还要求传输的大电流、高电压不会对系统造成干扰，不会影响系统的稳定工作。

本文中的电缆是在设计连接器组件时，应用户要求所设计的高性能屏蔽电缆，为了有效降低干扰，提高屏蔽效率，电缆采用了三同轴屏蔽结构，不仅满足高电压和大电流的要求，屏蔽效率也达到90dB以上。

2性能要求

·外形尺寸：φ8mm

·工作电压：6KV d.c.；

·工作电流：20A d.c.；

·工作温度： -55℃～150℃

·介质耐电压：12kV d.c.（10μA，1min，4.39KPa）、

12kV d.c.（10μA，1min，海平面）；

·电缆导体环路直流电阻：<20mΩ/m；

·绝缘电阻：≥1000MΩ；

·最小弯曲半径：40mm；

·电晕测试：放电量<15pC（平均值）(6000vd.c.,3min)；

·屏蔽效率：>90dB。

3电缆结构

3.1电缆结构

该电缆主要应用于高屏蔽需求下的高压大电流传输，所以采用的材料与线规应该符合电流容量、耐电压的要求。对于高屏蔽性能，从图1可以看出想达到100dB左右的屏蔽效率，这个尺寸下的一般功率型同轴电缆是很难达到，虽然很多射频电缆可以达到，但其直流电流的承载能力、制造工艺、价格不符合我们的要求，所以在和用户沟通后，更改了配套的连接器而采用了三同轴结构的电缆，高压电缆采用的基本结构如下图2所示。

图1 欧空局所用某φ7.3mm电缆屏蔽效率（虚线为同轴结构、实线为三同轴） 

图2 线缆结构示意

（1）中心导体采用10线规的多股镀银铜线，能够满足20A载流量的要求。

（2）内层绝缘材料采用PFA或PTFE，它们都是比较广泛使用的绝缘氟材料，它的介质强度可以达到80～100kv/mm，同时具有很高的耐高温性能和耐电晕性能，完全能够满足系统150℃的安全应用。

（3）中间层屏蔽需要承载电流，采用双层编织的铜芯镀银线，可以有效减少环路电阻和增加电磁屏蔽性能。

（4）外绝缘层和最外边的护套采用耐热的PFA或氟硅橡胶，具有稳定的耐环境性能，但用氟硅橡胶作出的线比较柔软，易于弯曲。

（5）最外层屏蔽采用单层多股的铜芯镀银线编织，可以进一步有效地增加电磁屏蔽性能。

3.2、电缆中心导体线径的计算

电缆的工作电流计算公式可以简化为：Imax=3.1D2(D为导体直径)，已知电缆的工作电流为20A，从上面公式可以得出电缆的中心导体半径：r=0.5D=1.3mm，截面积为5.3 mm2，符合10号线规，可采用0.25mm单丝130股左右绞制。

3.3、电缆内层绝缘体直径的计算

电缆中心导体线径确定后，外包的绝缘层厚度应该通过耐电压的要求、绝缘材料的耐压性能和外观尺寸来确定，首先应该计算电缆的场强。

电缆可以等效为同轴圆柱型电极模型[1]，其电场分布是不均匀电场，如图3所示，内电极表面电力线最密，场强最大；离内电极越远场强越小。

图3  电极模型                图4 场强随内导体变化情况 

最大场强出现在内导体表面，其值为：   （3.1）

当电缆绝缘外径R不变时，外施电压U不变时，改变内导体半径r，内导体表面的电场强度会发生变化，如图4所示，当r=R/e时，内导体表面的电场强度将会出现最小值eU/R。可见当电缆绝缘体的外径与内径的比越接近于常数e，绝缘材料所承受的场强越小，所以在确定好绝缘体的外径后，选择适当的中心导体的直径可以有效降低电场强度。但由于我们是根据电流的承载能力先选定了电缆的线径r，从图5上面一根曲线可以看到，r值固定，R越大，则最大场强E越小，下面的曲线则显示上面曲线每个R值所对应的最大场强E的最小值时的r值。

可见r值固定时，R越大，最大场强E越小，但我们不能无限制增大R，这会造成电缆过粗、弯曲半径小和材料浪费，一般来说r=R/e是比较理想的内外径比，但我们需要考虑最大电场强度、线缆的外径要求，同时还要考虑绝缘体外径R对绝缘体外层编织的影响，如果R过小则外层编织在满足载流量的要求下，可能要三层，综合考虑后，我们选择R=1.95mm，从图5上可以看出E回落的趋势已经很缓慢了，此时对应的E为11.38kv/mm，远低于绝缘材料的击穿场强。

图5 r 、R和最大电场强度最小值E的关系

3.4中间层屏蔽线编织的计算[2]

屏蔽编织层应该提供不少于90%的覆盖率才能保证屏蔽性能，覆盖因子K和总截面面积按下面的式子计算。

                             （3.2）

          （3.3）

                           （3.4）

其中：K=覆盖率（%）, P=单向覆盖系数，n=单锭根数，m=编织锭数,d=编织金属单丝直径（mm），D=缆芯直径，L=绕线间距。

由于电缆只用一层屏蔽时其截面面积总和太小，无法满足载流量的要求，所以拟采用两层屏蔽，分为中间层的内层和外层屏蔽，中间层的内层屏蔽层选定D1=2R=1.95*2=3.9，d=0.19，m=24，L=28，n=4，代入（3.3）和（3.4）式得到覆盖率P1=96.5%，总截面面积S1=2.65mm2；里层的外层屏蔽层D2=D1+0.19*4=4.66，d=0.19，m=24，L=28，n=4，代入（3.3）和（3.4）式得到覆盖率P1=91.2%，总截面面积S2=2.65mm2，S=S1+S2=5.31 mm2，稍微大于10号线规中心导体的截面积，可以满足电流的传输要求，此时中间层屏蔽的外径达到了5.42mm。

如果还需要控制电缆的外径，这两层屏蔽可以不采用编织的方法，而用单层丝线的绞线方法，就是用100根0.26mm的单股线分两层绞绕在3.9mm的内层的绝缘外径上，最后计算的成缆外径为7.04mm，这里0.26mm的单丝线是经过计算得出来的最细尺寸，大于0.26则无法减少最后的成缆直径，小于0.26则两层绞线载流量不够，虽然采用这种方法绞线可以减小电缆外径，但电缆会变硬很多，不易弯曲，最后放弃了。

3.5中间层屏蔽线和电缆内导体之间阻抗的计算

    屏蔽电缆有屏蔽效率的测试要求，测试时需要与网络分析仪相连接，网络分析仪的特性阻抗为50欧，直接接此电缆必然会在传输线上产生反射波，即传输线处于失配状态，所以需要进行阻抗匹配。同轴电缆的特性阻抗的计算[3]如式（3.5）。

                              （3.5）

    初始的特征阻抗准备设计为50欧姆，这时r=1.3mm，Z0=50， =2.2，，经过（3.5）的计算可知R=4.47mm，我们如按此计算来设计电缆的结构最后的电缆外径会远大于8mm，所以如同上面所提到的，在考虑电缆外径和介质耐压的情况下选择了R=3.9mm，最后的电缆外径会接近于8mm，可以满足电缆外径要求，此时将R=3.9mm代入（3.5）计算，可得到电缆的特征阻抗为16.4欧姆。

3.6外层绝缘体

电缆的中心导体和中间层屏蔽直径确定后，第二层的绝缘层厚度对耐电压的要求不高，不需要太厚，只要满足绝缘材料在电缆成型后有一定的弯着强度就可以，这里我们给出单边0.4mm的壁厚就足够了，这时第二层的绝缘层的直径为6.22mm。

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