數(shù)控電纜接頭運(yùn)行故障分析及對策

郝艷芬，張軍朝，宋建成，陳俊杰，趙榮香

（1.太原市建設(shè)工程預(yù)結(jié)算審核中心，太原 030002；2.太原理工大學(xué)a.煤礦裝備與安全控制山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，c.電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030024；3.山西太原天地方圓電子科技有限公司，太原 030024）

一個(gè)完整的景觀照明工程，一般由燈具安裝、電力電纜敷設(shè)、數(shù)控電纜敷設(shè)、聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)DCS安裝調(diào)試等分項(xiàng)工程組成。其中電纜線路的安全運(yùn)行是景觀照明電力系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，其安裝質(zhì)量是景觀照明電力系統(tǒng)能否安全運(yùn)行的關(guān)鍵，尤其是數(shù)控電纜接頭故障，已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的整個(gè)工程質(zhì)量的主要影響因素，引起相關(guān)人士的關(guān)注。如何降低數(shù)控電纜接頭運(yùn)行故障率，成為目前研究的重點(diǎn)之一。眾多的學(xué)者和科研人員從電纜接頭的結(jié)構(gòu)、絕緣故障機(jī)理、電熱耦合模型、在線表皮溫度監(jiān)測等方面做了大量的研究工作[1-7]，但是基于施工技術(shù)改進(jìn)的研究還很少。筆者從電纜運(yùn)行現(xiàn)狀分析入手，重點(diǎn)分析研究（景觀）照明系統(tǒng)數(shù)控電纜接頭運(yùn)行故障特征，針對造成故障的主要原因，尋找對策，改進(jìn)施工技術(shù)，提出了基于“熱敏溫控”技術(shù)和“雙層熱縮”技術(shù)的新方案來降低數(shù)控電纜接頭運(yùn)行故障率，經(jīng)實(shí)際工程驗(yàn)證，效果非常明顯。

筆者以某煤業(yè)集團(tuán)景觀照明工程為例，進(jìn)行運(yùn)行故障情況統(tǒng)計(jì)分析。該工程電纜總長107km，調(diào)查統(tǒng)計(jì)時(shí)段為2009年3月—2011年5月，共26個(gè)月，電纜運(yùn)行故障詳細(xì)情況統(tǒng)計(jì)如表1所示。其中：月故障率＝故障次數(shù)／電纜長度，次／km。由表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不難看出，26個(gè)月內(nèi)其電纜運(yùn)行發(fā)生故障2445次，月故障率為0.88次／km，是相關(guān)規(guī)范允許月故障率（0.42次／km）的2.095倍，嚴(yán)重超標(biāo)。其中，數(shù)控電纜接頭故障2147次，月故障率0.77次／km，占總故障率的87.7%；其余6項(xiàng)月故障率為0.23次／km，占總故障率的12.3%。

表1 電纜運(yùn)行故障情況統(tǒng)計(jì)表

1 數(shù)控電纜接頭運(yùn)行故障分析

數(shù)控電纜接頭主要有干包接頭、環(huán)氧樹脂接頭、熱冷縮式接頭等幾種，施工方法及特點(diǎn)如下。

1）干包式接頭。該接頭采用自粘式膠布和電工膠布纏繞制作的電纜接頭，僅限于單芯線徑≤70 mm2的電纜，只能明敷設(shè)，不能埋地敷設(shè)，安全性能較差；接頭部位如受銳器觸碰、外力擊打，均可能造成纏繞的絕緣膠布破損，導(dǎo)致漏電事故。

2）環(huán)氧樹脂接頭。該接頭將環(huán)氧樹脂作為電纜接頭的主絕緣，澆注在現(xiàn)場配好的殼體內(nèi)，澆注前接頭盒要加熱至60～70℃，以防環(huán)氧樹脂與冷的接頭盒不粘附，或者冷卻后環(huán)氧樹脂與接頭盒本體之間產(chǎn)生間隙；澆注要分2～3次進(jìn)行，制作工藝復(fù)雜，且難以避免氣泡的產(chǎn)生，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。

3）熱縮式接頭。該接頭在需要做電纜接頭的電纜段部，套上專用的熱縮頭，然后通過無端子接線的方式把每芯電纜連接，再把熱縮頭套管套到接頭位置，利用噴燈或其他加熱設(shè)備對接頭部位的熱縮頭進(jìn)行加熱，使熱縮頭附著在電纜上，形成電纜接頭。按照不同工作環(huán)境的要求，可以使用不同材質(zhì)的熱縮頭，耐水、抗擊打、密閉性能優(yōu)越，適用范圍很廣，但是造價(jià)較高。

4）冷縮式接頭。該接頭利用冷縮管的收縮性，使冷縮管與電纜完全緊貼，同時(shí)用半導(dǎo)體自粘帶密封端口，使其具有良好的絕緣和防水防潮效果，現(xiàn)場施工簡單方便。由于冷縮管具有彈性，可緊緊貼服在電纜上，并且不需要使用加熱工具，克服了熱縮材料在電纜運(yùn)行時(shí)，因熱脹冷縮而產(chǎn)生的熱縮材料與電纜本體之間的間隙，因而得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是，冷縮電纜頭制作是一項(xiàng)技術(shù)性較強(qiáng)的工作，對施工場地環(huán)境條件要求較高，需要具備資格能力的有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員來完成。

該景觀照明工程以熱縮式接頭施工法進(jìn)行施工。2009年3月—2011年5月（26個(gè)月）數(shù)控電纜接頭運(yùn)行故障情況分析如下。

1）熱縮接頭密封不嚴(yán)，潮氣使T接頭氧化導(dǎo)致發(fā)熱擊穿，發(fā)生故障150次；

2）熱縮接頭密封不嚴(yán)進(jìn)水導(dǎo)致氧化、短路，發(fā)生故障300次；

3）白蟻蛀蝕進(jìn)水導(dǎo)致短路擊穿，發(fā)生故障3次；

4）熱縮接頭密封不嚴(yán)進(jìn)水，氧化、腐蝕導(dǎo)致發(fā)熱擊穿，發(fā)生故障370次；

5）老鼠啃咬電纜接頭導(dǎo)致短路、進(jìn)水，發(fā)生故障10次；

6）熱縮接頭使用年限久，老化導(dǎo)致進(jìn)水氧化、腐蝕，發(fā)生故障21次；

7）熱縮接頭密封不嚴(yán)進(jìn)水導(dǎo)致“虹吸”致短路擊穿，發(fā)生故障983次；

8）熱縮接頭密封不嚴(yán)進(jìn)水導(dǎo)致短路擊穿，發(fā)生故障310次。

綜上分析，得到數(shù)控電纜接頭運(yùn)行故障類型情況如表2所示。

表2 數(shù)控電纜接頭運(yùn)行故障類型統(tǒng)計(jì)表

從表2的數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)可以得到，熱縮接頭密封不嚴(yán)進(jìn)水故障占造成數(shù)控電纜接頭運(yùn)行故障的99.39%，是造成數(shù)控電纜接頭運(yùn)行故障的主要原因。因此，解決熱縮接頭的密封問題是降低數(shù)控電纜接頭運(yùn)行故障率的關(guān)鍵。

2 熱縮接頭密封不嚴(yán)進(jìn)水原因分析

造成熱縮接頭密封不嚴(yán)進(jìn)水故障的原因主要有五個(gè)方面，即人員、機(jī)具、材料、環(huán)境、方法。

2.1 熱縮接頭密封不嚴(yán)進(jìn)水故障非要因分析

操作人員不熟練、對新材料性能特點(diǎn)不熟悉，是造成熱縮接頭密封不嚴(yán)進(jìn)水的原因之一，但不是主要原因。這一問題可以通過新工人上崗前培訓(xùn)和廠家技術(shù)交底培訓(xùn)進(jìn)行解決。

機(jī)械壓鉗原理的局限性和手工操作噴燈加熱不均勻等機(jī)具原因也是造成熱縮接頭密封不嚴(yán)進(jìn)水的原因。機(jī)械壓接鉗產(chǎn)品壓接范圍：銅，16～300 mm2；鋁，16～240mm2；模具配置（六角模），6T 最大行程16mm，最小行程16mm。由此可知，機(jī)械壓鉗使用必須越過行程零界點(diǎn)才能算完成一次行程，這就存在對導(dǎo)線的過力或欠力的問題，造成連接處虛接或者過壓傷及連接管，從而引起電阻增大發(fā)熱，產(chǎn)生冷凝水、產(chǎn)生故障。液壓壓接鉗壓接范圍：銅，16～300mm2；鋁，16～240mm2；模具配置（六角模），6T最大、最小行程隨意。液壓壓接鉗沒有行程盲點(diǎn)，完全能滿足要求，只要用液壓壓接鉗取代機(jī)械壓接鉗施工就可以回避機(jī)械壓鉗原理局限性。

2.2 手工操作噴燈加溫不均勻要因分析

手工操作噴燈加溫不均勻，造成熱縮材料受熱不均勻，收縮均勻度效差，導(dǎo)致熱縮后接頭中間有氣泡產(chǎn)生，最終導(dǎo)致熱縮接頭密封不嚴(yán)進(jìn)水。試驗(yàn)點(diǎn)現(xiàn)場溫度測試記錄如表3所示。

表3 試驗(yàn)點(diǎn)現(xiàn)場溫度測試記錄表

由表3可以清楚地看出，噴燈加溫波動(dòng)大，加溫嚴(yán)重不均勻。由此可見，手工操作噴燈加溫不均勻是造成熱縮接頭密封不嚴(yán)進(jìn)水故障的要因之一。

2.3 密封處“虹吸”效應(yīng)要因分析

所謂“虹吸”效應(yīng)，即指電纜接頭的熱循環(huán)運(yùn)動(dòng)。熱縮電纜接頭內(nèi)儲滿常壓空氣，當(dāng)熱縮電纜接頭吸收太陽能、導(dǎo)體過電流產(chǎn)生熱能時(shí)，里面的空氣受熱膨脹，空氣壓強(qiáng)增大，即受熱使中間頭內(nèi)壓力增大向外排氣，降溫時(shí)中間頭內(nèi)壓力減小向內(nèi)吸氣，形成“呼吸”。

材料質(zhì)量問題造成的密封不嚴(yán)，水分浸入絕緣；雨季水分、室外溫差大形成冷凝水及電纜接頭“呼吸”現(xiàn)象等環(huán)境因素造成的水分浸入絕緣；工藝不合理造成的熱縮式接頭密封處潮氣浸入電纜中，是形成密封處“虹吸”效應(yīng)的主要原因。

由試驗(yàn)得知，電纜頭內(nèi)溫度升至80℃后，浸入冷水的接頭會(huì)吸入較多的水分，從而造成故障發(fā)生。試驗(yàn)的水體積測試記錄數(shù)據(jù)如表4所示，壓力測試記錄數(shù)據(jù)如表5所示。

表4 水體積測試數(shù)據(jù)記錄表

表5 壓力測試數(shù)據(jù)記錄表

由表4和表5可以看到，加熱至80℃后壓力表顯示容器內(nèi)壓強(qiáng)增大，說明存在“呼吸”現(xiàn)象，這樣會(huì)使得接頭內(nèi)吸入較多的水分，從而誘導(dǎo)故障發(fā)生。由此可見，密封處“虹吸”效應(yīng)是造成熱縮接頭密封不嚴(yán)進(jìn)水故障的要因之一。

3 熱縮接頭密封不嚴(yán)進(jìn)水故障解決途徑

3.1 新工藝方法

針對手工操作噴燈加溫不均勻和密封處“虹吸”效應(yīng)，采用自行設(shè)計(jì)的新工藝新方法來解決。

1）“熱敏溫控”技術(shù)。采用熱敏感溫器件，經(jīng)溫度檢測單元的一次端檢測熱縮件的實(shí)時(shí)溫度值，通過二次端的IC控片，預(yù)設(shè)合理的溫度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對烘烤發(fā)熱裝置的過程控制，以恒定值熱輻射熱縮材料，達(dá)到使熱縮材料均勻收縮的目的，避免熱縮材料密封不嚴(yán)的問題。

2）“雙層熱縮”新技術(shù)。其基本原理如圖1所示。在電纜的接頭處包覆兩層熱縮材料（內(nèi)填有干燥劑），并將其中的空氣抽出。為了避免水分進(jìn)入，兩層熱縮材料的兩端再分別加套一段密封材料，以增強(qiáng)密封性。

目前，數(shù)控電纜的接頭大都采用單層熱縮材料，而且熱縮溫度都是施工人員自行控制，沒有固定的標(biāo)準(zhǔn)。采用“熱敏溫控”和“雙層熱縮”兩種新技術(shù)相結(jié)合的方式，可以有效避免目前數(shù)控電纜接頭密封不嚴(yán)的問題。

圖1 “雙層熱縮”技術(shù)基本工藝原理示意圖

3.2 工程實(shí)驗(yàn)分析

采用上述施工方法對某工程的數(shù)控電纜接頭進(jìn)行了二次改造。改造以后，將2011年8月20日—2011年11月5日（共2.5個(gè)月）數(shù)控電纜接頭運(yùn)行情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，情況如表6和表7所示。

表6 改造后數(shù)控電纜接頭運(yùn)行故障情況調(diào)查

表7 不同時(shí)段數(shù)控電纜接頭運(yùn)行故障情況

數(shù)控電纜接頭改造前、后運(yùn)行故障對比情況如圖2所示。

圖2 改造前后運(yùn)行故障情況對比曲線

從圖2可見，改造前“熱縮接頭密封不嚴(yán)進(jìn)水故障”占造成數(shù)控電纜接頭運(yùn)行故障的99.39%，改造后降為0%，“熱縮接頭密封不嚴(yán)進(jìn)水故障”全部解決。

4 結(jié)束語

1）熱縮接頭密封不嚴(yán)進(jìn)水是造成數(shù)控電纜接頭運(yùn)行故障的主要原因。

2）手工操作噴燈加溫不均勻和密封處“虹吸”效應(yīng)是造成熱縮接頭密封不嚴(yán)進(jìn)水的主要原因。

3）利用“熱敏溫控”技術(shù)施工可以有效解決手工操作噴燈加溫不均勻的問題。

4）利用“雙層熱縮”技術(shù)施工可以有效解決密封處“虹吸”效應(yīng)的問題。

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