工礦企業(yè)高壓電纜頭設(shè)計(jì)施工方法分析

安瑞斌

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

1 引言

電纜是工礦企業(yè)電能輸送必不可少的材料，一旦電纜發(fā)生故障,不僅中斷企業(yè)生產(chǎn)正常進(jìn)行，而且可能引起一連串的惡性連鎖反應(yīng),德興銅礦富家塢變電站是于2007年建成投產(chǎn)的35kV總降壓變電站，主要用于富家塢采區(qū)及粗碎站等重要生產(chǎn)負(fù)荷的供電。該站設(shè)計(jì)基本采用了國(guó)內(nèi)先進(jìn)設(shè)備，基本具備了無(wú)人值守技術(shù)。但由于站內(nèi)兩條進(jìn)線所處自然環(huán)境比較惡劣，頻頻發(fā)生進(jìn)線放電現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成相間短路，致使該變電站無(wú)法充分發(fā)揮出其先進(jìn)性。變電站進(jìn)線電纜接頭施工質(zhì)量直接關(guān)系到進(jìn)線電纜能否安全運(yùn)行。

2 高壓交聯(lián)電纜在國(guó)內(nèi)的使用狀況

在國(guó)內(nèi)工礦企業(yè)中，存在由于施工設(shè)備及施工技能不專業(yè)，導(dǎo)致高壓交聯(lián)電纜施工部位電場(chǎng)內(nèi)存在尖端、毛刺、雜質(zhì)或水分，但這些缺陷在事故發(fā)生后絕大多數(shù)會(huì)遭到破壞，從而導(dǎo)致事故無(wú)法定論。我們只有從一些表面現(xiàn)象去分析可能造成事故的原因［1］。通過(guò)事故多方面因素分析，提高生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)質(zhì)量、施工單位的施工水平及技能、設(shè)計(jì)部門的合理設(shè)計(jì)以及運(yùn)行維護(hù)部門的運(yùn)行維護(hù)水平。因?yàn)樵趪?guó)內(nèi)高壓交聯(lián)電纜的使用起步較晚，最早投運(yùn)時(shí)間是大概為1988年，運(yùn)行時(shí)間約為20年左右，大部分都是在1996年之后投入的，運(yùn)行時(shí)間不到20年。結(jié)合國(guó)外的一些運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，按照交聯(lián)電纜運(yùn)行壽命30年考慮并，我國(guó)的高壓交聯(lián)電纜還未進(jìn)人事故高發(fā)期，所以，目前經(jīng)常發(fā)生的高壓交聯(lián)電纜事故中，基本屬于在制造和安裝過(guò)程中的一些小缺陷導(dǎo)致的，而非長(zhǎng)期運(yùn)行老化導(dǎo)致。

3 德興銅礦富家塢變電站現(xiàn)狀

變電站所地處低凹處，三面環(huán)山 ，空氣濕度大，且變電站位于碎礦附近，粉塵大，變電站負(fù)荷波動(dòng)范圍也較大。如此的自然環(huán)境無(wú)疑對(duì)電纜終端的材料及施工工藝都是極大的考驗(yàn)。由于施工方便和價(jià)格便宜的原因，目前極少使用安全性較好的預(yù)制式終端，而喜歡采用熱縮、冷縮式終端。且生產(chǎn)廠家繁多，不免魚(yú)龍混雜，有性能不佳的產(chǎn)品可能被使用。若該產(chǎn)品抗惡劣環(huán)境能力差，在運(yùn)行中，彈性及密封性變差，易吸入潮氣，電纜發(fā)生水樹(shù)老化的現(xiàn)象，絕緣遭到破壞，引發(fā)事故。

2008-2010年電纜終端共發(fā)生19次事故,其中安裝質(zhì)量占11次、材料質(zhì)量及其他占8次?？梢?jiàn)電纜施工和附件制作質(zhì)量欠佳是造成故障的主要原因之一。

圖1 故障電纜頭實(shí)物圖

4 電纜終端施工的基本要求及技術(shù)要點(diǎn)

4.1 電纜終端施工的基本要求

6kV及以上高壓電纜有導(dǎo)體、絕緣、屏蔽和護(hù)層這四個(gè)結(jié)構(gòu)層。作為電纜線路組成部分的電纜終端、電纜接頭，必須使電纜的四個(gè)結(jié)構(gòu)層分別得到延續(xù)。在電纜線路的故障統(tǒng)計(jì)中，電纜終端和電纜接頭的故障次數(shù)，往往占據(jù)了相當(dāng)大的比例。為了電纜輸配電線路的安全運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)在以下幾個(gè)方面，確保電纜終端和電纜接頭的質(zhì)量。

（1）導(dǎo)體連接良好［2］。電纜制作中，必須確保電纜導(dǎo)體必須與出線接梗、接線端子有良好的連接。接頭處的接觸電阻要盡可能小且要穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)要求為，與同長(zhǎng)度、同截面的電纜導(dǎo)體相比，接頭部位的電阻比值應(yīng)不大于1，經(jīng)運(yùn)行后，其比值應(yīng)不大于1.20。電纜終端和電纜接頭的導(dǎo)體連接試樣，合格標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)能通過(guò)導(dǎo)體的溫度大于電纜允許最高工作溫度5℃的循環(huán)負(fù)荷試驗(yàn)，且需1秒短路熱穩(wěn)定試驗(yàn)合格。

（2）絕緣強(qiáng)度可靠。必須滿足高壓電纜在各種狀態(tài)下長(zhǎng)期安全運(yùn)行的絕緣強(qiáng)度，并有一定的裕度。

由于在電纜終端和接頭處，電纜金屬護(hù)套和屏蔽層的斷開(kāi)，導(dǎo)致該部位電場(chǎng)分布較電纜本體復(fù)雜的多。在電纜終端存在軸向應(yīng)力，電場(chǎng)集中分布在導(dǎo)體和金屬護(hù)套處，且靠近金屬護(hù)套邊緣處的電場(chǎng)強(qiáng)度最大。因此，在電力終端和接頭處，使用應(yīng)力錐、反應(yīng)力錐或應(yīng)力管等工具，來(lái)降低軸向應(yīng)力。

電纜接頭必須有足夠的增繞絕緣厚度，應(yīng)力錐上端至導(dǎo)體露出部分的距離，即內(nèi)絕緣距離必須滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。電纜終端內(nèi)外絕緣的配合有電器強(qiáng)度的配合以及自身、互相位置的配合，必須做到恰到好處，達(dá)到內(nèi)外絕緣分布均勻。敞開(kāi)式電纜終端要有屏蔽罩，在額定及工作電壓下，高壓端和接地端不應(yīng)出現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象。電纜終端和電纜接頭試樣還要通過(guò)交、直流耐壓試驗(yàn)、沖擊耐壓試驗(yàn)和局部放電等電氣試驗(yàn)，以確保電纜終端和電纜頭的絕緣強(qiáng)度確實(shí)達(dá)到要求。

（3）密封良好。制作好的電纜終端和電纜頭要能有效地防止外界水分或有害物質(zhì)侵入絕緣，并能防止絕緣物質(zhì)流失。所以在安裝過(guò)程中必須仔細(xì)檢查，做到一絲不茍。避免由于密封措施不良，而導(dǎo)致電纜在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生故障。包繞填充膠：用電纜填充膠填充并包繞三芯分支處，繞包密封膠帶時(shí)，先清潔電纜護(hù)套表面和電纜芯線，密封膠帶的繞包最大直徑應(yīng)大于電纜外徑約15mm，將地線包在其中［3］。

圖2 包繞填充膠，固定三叉手套

（4）足夠的機(jī)械強(qiáng)度。電纜終端和接頭，應(yīng)具有承受各種運(yùn)行條件下產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力的能力。電纜終端電瓷套管以及各電纜附件，都應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。對(duì)于固定敷設(shè)的電力電纜，其連接點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度不得低于電纜導(dǎo)體本身抗拉強(qiáng)度的60%。

4.2 電力電纜附件施工技術(shù)要點(diǎn)

電力電纜附件的所有技術(shù)問(wèn)題可以說(shuō)主要是從兩個(gè)方面來(lái)考慮和解決：

（1）從電場(chǎng)分布及其改善措施來(lái)考慮（即結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)），改善電場(chǎng)分布的主要技術(shù)就是解決附件上出現(xiàn)的應(yīng)力集中問(wèn)題的處理技術(shù)。主要方法有：

①幾何結(jié)構(gòu)法，增加等效半徑，即應(yīng)力錐結(jié)構(gòu)；

②電氣參數(shù)法，增加周圍媒質(zhì)介電常數(shù)和和表面電容，即應(yīng)力管結(jié)構(gòu)；

③幾何結(jié)構(gòu)與電氣參數(shù)結(jié)合法。

（2）從提高絕緣耐電強(qiáng)度來(lái)考慮（即材料選用和改善）。主要技術(shù)有：

①消除可能出現(xiàn)氣隙和雜質(zhì)的部位，特別是兩種絕緣材料界面處雜質(zhì)和氣隙，用耐電強(qiáng)高的材料代替耐電強(qiáng)度低的材料，如用硅脂填充氣隙。增加兩種絕緣材料界面的壓力以提高耐電強(qiáng)度。

②用半導(dǎo)電屏蔽把氣隙屏蔽到工作場(chǎng)強(qiáng)之外，同時(shí)也改善了表面電場(chǎng)的分布。

4.3 幾種電纜附件制作工藝

電纜附件安裝工藝不合格是造成障礙的主要原因之一，包括附件質(zhì)量接線端子、接管壓接不良和制作過(guò)程中的電纜主絕緣、附件損傷。

為防止導(dǎo)體連接點(diǎn)，特別是中間接頭連接管因壓接不良發(fā)熱、壓鉗的選擇、工藝標(biāo)準(zhǔn)的制定是非常重要的，XLPE絕緣電力電纜所用連接金具必須遵照GB14135-93標(biāo)準(zhǔn)尺寸和形狀。（見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)）。

表1 常用導(dǎo)體壓接鉗分類表

（1）點(diǎn)壓工藝，使電纜導(dǎo)體和導(dǎo)電金具的連接部位產(chǎn)生較大塑性變形，壓接后金具外形的變形也較大。因此，點(diǎn)壓能使金具和導(dǎo)體得到良好的接觸，構(gòu)成良好的導(dǎo)電通路。但是，其連接機(jī)械強(qiáng)度比較差。

（2）圍壓工藝，導(dǎo)體外層塑性變形大，內(nèi)層變形較小，導(dǎo)體和金具總體變形較小，導(dǎo)體外層塑性變形大，內(nèi)層變形較小，導(dǎo)體和金具總體變形較小，軸向延伸明顯。因此，導(dǎo)體跟金屬的接觸和點(diǎn)壓相比要差些，但連接機(jī)械強(qiáng)度比較好。同時(shí)，圍壓的外形圓整性較好，有利于均勻電場(chǎng)。

根據(jù)點(diǎn)壓和圍壓的特點(diǎn)，通常推薦按下列原則選用壓接在模具：

（1）導(dǎo)體截面在240mm2及以下的接頭或終端，采用點(diǎn)壓；大于240mm2的采用圍壓。

（2）35kV、400mm2交聯(lián)聚乙烯電纜接頭，采用圍壓，有利于電場(chǎng)均勻。

（3）高壓電纜接頭，采用圍壓。并壓兩道，第一道用六角模具壓接，第二道用圓形模具壓接。

（4）凡應(yīng)用預(yù)制件的接頭，應(yīng)采用圍壓。

5 富家塢變電站電纜終端故障主要原因分析

（1）施工人員技術(shù)水平有限，施工工藝不佳［4］。高壓電纜頭施工工藝要求很高很嚴(yán)格。高壓電纜在運(yùn)行中出現(xiàn)連接點(diǎn)發(fā)熱的主要原因，除了施工材料和施工設(shè)備因素外，最關(guān)鍵是施工工藝不嚴(yán)禁和施工人員責(zé)任心不夠。多數(shù)施工人員對(duì)施工機(jī)理不夠了解,沒(méi)有完全嚴(yán)格按工藝要求進(jìn)行施工，最終造成了連接處往往達(dá)不到電氣和機(jī)械強(qiáng)度。

（2）電纜接頭的連接金具規(guī)格選用不當(dāng)，使用效果差。高壓電纜接頭使用了按扇型導(dǎo)線生產(chǎn)的端子和壓接管。雖然理論上扇形線芯同圓形線芯的有效截面大致相同。但經(jīng)過(guò)運(yùn)行效果來(lái)看，圓形線芯使用效果要好很多。

（3）接頭制作過(guò)程壓力不夠，導(dǎo)致接觸電阻過(guò)大。制作接頭工藝及標(biāo)準(zhǔn)圖中，沒(méi)有詳述壓接面積和壓接深度。施工人員根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)壓接，效果如何無(wú)法確定。

（4）絕緣材料耐熱性能較差，散熱較差。接頭的絕緣和保護(hù)層還比電纜本體增加一倍多。接頭確實(shí)均存在散熱難度。

6 富家塢變電站電纜頭最終施工方案

6.1 優(yōu)化電纜設(shè)計(jì)

（1）加強(qiáng)了電纜及附件等設(shè)備和材料的選型。盡量選用質(zhì)量可靠、工藝成熟、技術(shù)先進(jìn)、具有能適應(yīng)工礦企業(yè)環(huán)境條件下的電纜附件。

（2）提高電纜安裝和施工質(zhì)量［5］。電纜的安裝和施工質(zhì)量的重視程度必須放在第一位，選擇專業(yè)的施工隊(duì)伍和加強(qiáng)接頭安裝人員的技術(shù)水平和質(zhì)量意識(shí)，嚴(yán)格按照安裝工藝和流程進(jìn)行施工是有效遏制電纜事故的重要途徑。在電纜敷設(shè)時(shí)采用牽引方式，防止轉(zhuǎn)彎處的側(cè)壓力過(guò)高，接頭安裝時(shí)要盡可能采用成熟先進(jìn)的技術(shù)措施保證安裝質(zhì)量，消除可能出現(xiàn)氣隙和雜質(zhì)的部位，特別是兩種絕緣材料界面處雜質(zhì)和氣隙，用耐電強(qiáng)高的材料代替耐電強(qiáng)度低的材料，如用硅脂填充氣隙。增加兩種絕緣材料界面的壓力以提高耐電強(qiáng)度。同時(shí)采用了圓形線芯金具連接工藝，有效減小了接觸電阻。

（3）選用模具吻合、好壓接噸位大,壓坑面積足,壓接效果能滿足技術(shù)要求的壓接機(jī)具［6］。做好壓接前壓接界面的處理工作,并涂敷導(dǎo)電膏。

（4）用半導(dǎo)電屏蔽把氣隙屏蔽到工作場(chǎng)強(qiáng)之外，同時(shí)也改善了表面電場(chǎng)的分布。

6.2 制定措施，除潮有效

（1）加大運(yùn)行監(jiān)測(cè)力度。運(yùn)行的高壓電纜以前因?yàn)闆](méi)有有效的監(jiān)測(cè)手段，運(yùn)行管理部門只能加強(qiáng)巡視，目前紅外測(cè)溫技術(shù)在電力系統(tǒng)已經(jīng)普遍應(yīng)用，一些地方還在接頭部位安裝了溫度傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)電纜的關(guān)鍵部位進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)局部放電技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。各運(yùn)行人員根據(jù)實(shí)際情況開(kāi)發(fā)或采用相應(yīng)的檢測(cè)手段，基本做到了提前預(yù)防。

（2）選購(gòu)和采用了合理的除潮設(shè)備，并將除潮設(shè)備合理布置。并制定了合理的設(shè)備定時(shí)投運(yùn)制度，不斷總結(jié)提高，確保經(jīng)濟(jì)可靠工作。

7 效果檢查

通過(guò)改造，富家塢進(jìn)線電纜故障得到明顯的改善。改造后的兩年內(nèi)設(shè)備均運(yùn)行良好，沒(méi)有發(fā)生一次放電及其他故障。使用壽命得到很大程度延長(zhǎng)。不但為廠里節(jié)約了維修費(fèi)用，同時(shí)確保了大山廠和采礦廠的安全可靠供電。經(jīng)濟(jì)效益不可估量。

8 結(jié)束語(yǔ)

如今市場(chǎng)電纜附件品種雜亂，施工人員質(zhì)量意識(shí)及技術(shù)水平高低不一等原因，加之電纜接頭的接觸力和實(shí)際接觸面積是隨著接頭在運(yùn)行中所處環(huán)境條件的不同變化而變化,很容易發(fā)生電纜故障，直接影響電電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行［7］。這就要求電纜施工部門，嚴(yán)格把控電纜附件進(jìn)貨渠道，不斷提高施工技術(shù)水平和施工人員責(zé)任心。只有嚴(yán)格按照電纜施工標(biāo)準(zhǔn)施工，加之施工工藝的不斷改進(jìn)。方能使電纜接頭發(fā)熱問(wèn)題得到有效控制。

［1］張慶達(dá). 電纜實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[K]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2006:9-15

［2］于景豐, 趙鋒. 電力電纜實(shí)用技術(shù)[K]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社,2003:24-26

［3］人力資源和社會(huì)保障部教材辦公室. 電工材料[K]. 北京: 中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社, 2011:27-29

［4］王衛(wèi)東. 電纜工藝技術(shù)原理及應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2011:14-17

［5］戴軍. 高壓交聯(lián)電纜接頭故障原因及對(duì)策[J]. 黑龍江科技信息,2011(5):5-9

［6］趙云平. 礦用交聯(lián)電纜接頭故障原因及對(duì)策[J]. 科學(xué)之友(B版),200(1):10-12

［7］李華春, 周作春, 陳平. 110kV及以上高壓交聯(lián)電纜系統(tǒng)故障分析[J].電力設(shè)備, 2004(8):23-26