電纜中間接頭連接管壓接電阻實驗及分析

劉毅剛，劉剛, 王振華，徐濤，徐研

(1.廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510310；2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640)

電纜中間接頭連接管壓接電阻實驗及分析

劉毅剛1，劉剛2, 王振華2，徐濤1，徐研1

(1.廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510310；2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640)

摘要：連接管壓接電阻是電纜中間接頭發(fā)熱的主要原因，有必要用實驗來驗證壓接電阻是否達到標準要求。電接觸理論是壓接電阻計算的基礎(chǔ)，結(jié)合理論分析可知，連接管產(chǎn)品質(zhì)量、壓接力、連接管與導(dǎo)體的接觸面狀況是影響壓接電阻的主要因素。基于大電流試驗系統(tǒng)，利用電能質(zhì)量分析儀間接測量240 mm2電纜中間接頭連接處壓接電阻，實驗結(jié)果表明壓接電阻隨溫度升高而增大，壓接次數(shù)多的連接管壓接電阻小，同時驗證了常規(guī)壓接方法能使壓接電阻達到電纜中間接頭壓接標準要求。

關(guān)鍵詞：中間接頭；連接管；壓接電阻；電接觸理論；實驗分析

電纜中間接頭是電纜線路的重要組成部分，用于實現(xiàn)電纜長度的接續(xù)和三相線路的交叉互聯(lián)。電纜線路能否安全運行，很大程度上取決于電纜芯連接的成功與否。電纜線芯的連接方法有焊接和壓接兩種。由于焊接工藝技術(shù)要求高，目前通常采用壓接方式實現(xiàn)電纜芯的連接[1]。采用壓接方式連接導(dǎo)體線芯，改變了接頭連接點的通流截面，連接管與電纜線芯壓接表面的接觸電阻(下文均簡稱“壓接電阻”)是電纜中間接頭發(fā)熱的主要原因，壓接電阻越大，電纜中間接頭的載流能力越低[2-3]。

電纜中間接頭壓接電阻大小與連接管尺寸、材質(zhì)，安裝制作工藝等密切相關(guān)[4-5]。一般規(guī)定，電纜中間接頭壓接電阻不應(yīng)大于同長度電纜電阻的1.2倍，新制作的電纜中間接頭的壓接電阻不應(yīng)大于同長度電纜電阻的1倍[6]。實際安裝制作過程中，各廠家主要通過規(guī)定連接管尺寸、壓接次數(shù)和壓接力范圍達到降低壓接電阻的目的，缺乏有效的檢測手段。目前，國內(nèi)針對電纜中間接頭壓接電阻的實驗較為少見[7-9]。

本文結(jié)合電接觸理論[10-15]，分析了壓接電阻理論計算的基礎(chǔ)及影響壓接電阻大小的因素?；诖箅娏鲗嶒炏到y(tǒng)，利用電能質(zhì)量分析儀，間接測量240mm2單芯電纜連接管壓接電阻。比較連接管處壓接電阻與同長度線芯導(dǎo)體交流電阻的差異，以及不同壓接次數(shù)下的壓接電阻差異，驗證接頭常規(guī)壓接方法是否能保證壓接電阻符合標準要求。

1壓接電阻理論計算

電纜中間接頭連接處壓接電阻，由連接管內(nèi)表面與線芯導(dǎo)體表面接觸電阻、連接管本身電阻兩部分構(gòu)成。連接管處電阻分布如圖1所示。

圖1　電纜中間接頭連接位置電阻分布

根據(jù)電接觸理論，當兩接觸元件發(fā)生接觸時，由于元件表面凹凸不平，電流總是通過接觸表面的若干導(dǎo)電斑點流經(jīng)兩接觸表面。當電流通過導(dǎo)電斑時，電流線發(fā)生收縮，電流路徑變長，有效導(dǎo)電面積變小，產(chǎn)生收縮電阻。假設(shè)兩接觸元件材料相同，電阻率為ρ，導(dǎo)電斑半徑為r，單個導(dǎo)電斑收縮電阻

(1)

J.A.Greenwood的研究表明，已知接觸面導(dǎo)電斑數(shù)量為n，接觸面總收縮電阻由單個導(dǎo)電斑收縮電阻Rs和導(dǎo)電斑之間的互收縮電阻Rm共同決定，總收縮電阻

(2)

式中：ri、rj為接觸面不同導(dǎo)電斑半徑(i≠j)；dij為導(dǎo)電斑之間的距離。

為了改善導(dǎo)電性能，連接管表面通常鍍上一層錫膜，由于膜層的表面效應(yīng)，使得接觸表面產(chǎn)生膜層電阻，膜層電阻

(3)

式中：ρf為膜層的電阻率；δc為膜層的厚度。由于收縮電阻和膜層電阻在電路上是串聯(lián)的，故接觸元件表面的接觸電阻

(4)

根據(jù)電纜線芯的壓接工藝，切斷線芯在壓接過程中并沒有充分對接，電流流經(jīng)連接管，連接管的本體電阻

(5)

式中：ρb為連接管電阻率；L為連接管有效通流長度；D為連接管外徑，d為連接管內(nèi)徑。

電纜中間接頭壓接電阻R為表面接觸電阻Rc與連接管本體電阻Rb之和，即

(6)

由于接觸面導(dǎo)電斑個數(shù)n和半徑r很難確定，工程中，一般用以下經(jīng)驗公式計算接觸電阻，即

(7)

式中：F為接觸壓力，N；m與接觸形式、壓力大小和實際接觸點數(shù)目有關(guān)，面接觸時可取m=1；kc為與接觸材料、表面狀況等有關(guān)的系數(shù)。

2影響壓接電阻的因素

在電纜中間接頭安裝過程中，連接管壓接是在現(xiàn)場完成的，且要求連接管處壓接電阻盡可能小。影響壓接電阻的因素包括連接管產(chǎn)品質(zhì)量、壓接力、連接管與導(dǎo)體的接觸面等。

2.1連接管產(chǎn)品質(zhì)量影響

GB/T 14315—2008《電力電纜導(dǎo)體用壓接型銅、鋁接線端子和連接管》對連接管的結(jié)構(gòu)尺寸有明確的規(guī)定，連接管的選型需要嚴格參照國家標準，以滿足質(zhì)量要求。連接管選型主要考慮連接管所用材料、連接管長度、連接管厚度、電纜線芯截面積四個方面。

一般連接管材料與電纜導(dǎo)體材料一致，若二者材料類型不同，由于材料的熱膨脹率不同，長期運行后，連接位置會發(fā)生松動，進而使壓接電阻增大，甚至發(fā)生斷線事故，威脅供電安全。連接管長度決定了連接管與電纜導(dǎo)體線芯的接觸面積，連接管過短，接觸面積變小，壓接電阻變大。由式(5)可知，連接管太薄，會使連接管本體電阻增大，從而使壓接電阻變大。另外，連接管內(nèi)徑是與電纜線芯截面積相匹配的，連接管內(nèi)徑小于匹配尺寸，壓接操作容易導(dǎo)致連接管損壞；連接管內(nèi)徑大于匹配尺寸，壓接后，連接管與電纜線芯接觸面容易出現(xiàn)氣隙，而使壓接電阻增大。

2.2壓接力影響

由式(7)可知，導(dǎo)體與連接管接觸面壓力越大，接觸電阻越小。為了使導(dǎo)體與連接管緊密接觸，壓接過程中，主要通過規(guī)定連接管最小壓接次數(shù)、壓接工具的出力噸位，以及連接管與壓模的匹配尺寸實現(xiàn)。壓接次數(shù)過少，壓接工具噸位不足，連接管與壓模不匹配都會使壓接電阻變大。以110 kV 630 mm2電纜為例，壓接次數(shù)一般為3～5次，采用的壓接鉗出力噸位推薦為60～100 t。常見標稱截面電纜使用的連接管與壓模的匹配尺寸見表1。

表1連接管與壓模具的匹配尺寸

線芯截面積/mm2壓模直徑/mm連接管外徑/mm2402826500403863047451000585616007573

2.3接觸面影響

由式(2)、式(3)可知，導(dǎo)體與連接管接觸面的接觸面面積、接觸面光滑程度、接觸面材料電阻率都會影響壓接電阻。接觸面面積越大，導(dǎo)電斑數(shù)量越多，接觸面的接觸電阻越小。而在接頭制作過程中，接觸面通常是光滑的，若因為生產(chǎn)質(zhì)量不過關(guān)，或保存不當，使得連接管內(nèi)壁產(chǎn)生雜質(zhì)或毛刺，會使壓接面的有效接觸面積變小，從而使壓接電阻變大。另外，由于連接管沒有充分對接，導(dǎo)致接觸面積變小，連接管本身電阻增大，而使壓接電阻變大。在連接管壓接過程中，由于長期暴露在空氣中，連接管內(nèi)表面形成一層氧化膜，會使接觸面材料電阻率增大，進而增大接觸電阻。對于銅連接管，通常在其表面鍍一層錫膜，起到增強接觸面導(dǎo)電性能的作用。

3壓接電阻實驗

3.1實驗系統(tǒng)

升流實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　升流實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2中，大電流試驗系統(tǒng)包括380 V電源、調(diào)壓器、補償電容箱、升流器、PLC控制柜、電流互感器等部分。實驗電纜為240 mm2單芯電纜，在電纜兩端各壓接1個連接管，連接管1的壓接次數(shù)為5次，連接管2的壓接次數(shù)為3次。A—B(連接管1)長80 mm，B—C(實驗電纜)長8 800 mm，C—D(連接管2)長80 mm。連接管和電纜導(dǎo)體均為銅，20 ℃時，銅的電阻率為1.72×10-8Ω·m。

3.2實驗方法

由于連接管處交流電阻很小，很難直接測量，因此，采用間接測量的方法。在2個連接管兩端分別布置1個測量點，利用電能質(zhì)量分析儀交叉測量不同端子之間的電壓U、電流I及相位差θ，通過作差求得連接管的壓接電阻。同時，在每個連接管上布置1個熱電偶，測量連接管溫度。為了保證測量準確性，利用升流試驗系統(tǒng)完成3個實驗，對電纜分別加載300 A、500 A、700 A穩(wěn)態(tài)電流，每個實驗加載電流2.5 h(實驗前已通過穩(wěn)態(tài)實驗確定該型電纜達到穩(wěn)態(tài)的時間約為2 h)，在實驗的最后30 min期間，每隔10 min測量并記錄A—C、B—C、B—D之間的電壓有效值、電流有效值和相位角。任意測量段的交流電阻用式(8)計算。

(8)

3.3實驗結(jié)果分析

不同穩(wěn)態(tài)電流下，A—C、B—C、B—D之間的電壓有效值U、電流有效值I、相位θ的測量數(shù)據(jù)見表2、表3、表4。利用式(8)計算交流電阻，并對3次計算值求取平均值，得到各連接管不同溫度下的壓接電阻，以及同長度下的電纜導(dǎo)體交流電阻，見表5。

由表5可知，隨著連接管溫度升高，連接管處壓接電阻增大。在不同溫度下，連接管1交流電阻始終小于連接管2交流電阻，表明壓接次數(shù)越多，壓接電阻越小。加載電流為300A時，連接管1交流電阻為同長度導(dǎo)體交流電阻的0.60倍，連接管2交流電阻為同長度導(dǎo)體交流電阻的0.79倍；加載電流為500A時，連接管1交流電阻為同長度導(dǎo)體交流電阻的0.68倍，連接管2交流電阻為同長度導(dǎo)體交流電阻的0.83倍；加載電流為700A時，連接管1交流電阻為同長度導(dǎo)體交流電阻的0.76倍，連接管2交流電阻為同長度導(dǎo)體交流電阻的0.92倍。表明按照常規(guī)的壓接方法，壓接次數(shù)為3次或5次時，接頭連接管的壓接電阻均小于同長度電纜導(dǎo)體交流電阻的1倍，符合標準要求。

表2加載電流為300A時3次測量數(shù)據(jù)

測點電壓/V123電流/A123相位/(°)123A—C1.071.061.07315.5315.2315.676.1576.1376.19B—C1.071.061.06315.7315.5315.376.2076.1576.21B—D1.081.071.07316.3315.8315.676.2576.1876.17

注：1、2、3為連接管編號，下同。

表3加載電流為500A時3次測量數(shù)據(jù)

測點電壓/V123電流/A123相位/(°)123A—C1.751.751.75512.3511.2513.575.1575.1375.12B—C1.741.741.74511.5512.7512.475.1475.1475.15B—D1.751.751.75512.5513.2514.275.1175.0775.07

表4加載電流為700A時3次測量數(shù)據(jù)

測點電壓/V123電流/A123相位/(°)123A—C2.412.422.40699.6702.4700.173.5773.5573.54B—C2.402.402.40700.3702.5702.173.5873.5773.58B—D2.412.412.41699.6700.5701.873.5473.5273.53

表5不同溫度下同長度電纜導(dǎo)體與連接管壓接電阻比較

加載電流/A連接管溫度/℃12連接管交流電阻/Ω12導(dǎo)體交流電阻/Ω30036.536.64.41×10-65.77×10-67.32×10-650052.553.05.35×10-66.58×10-67.92×10-670078.879.06.66×10-68.11×10-68.79×10-6

4結(jié)論

本文通過理論及實驗分析得出如下結(jié)論：

a)電纜中間接頭壓接電阻與連接管產(chǎn)品質(zhì)量、壓接力和接觸面狀態(tài)有關(guān)；

b)電纜中間接頭連接管的壓接電阻隨著溫度的升高而變大；

c)壓接次數(shù)改變連接管與導(dǎo)體的接觸面積，壓接次數(shù)多的連接管的壓接電阻小于壓接次數(shù)少的連接管的壓接電阻。

d)壓接次數(shù)分別為3次或5次時，接頭連接管的壓接電阻均小于同長度電纜導(dǎo)體交流電阻的1倍。表明，常規(guī)壓接方法能使壓接電阻達到標準要求。

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ExperimentalAnalysisonCrimpingResistanceofConnectingPipeofCableIntermediateJoint

LIUYigang1,LIUGang2,WANGZhenhua2,XUTao1,XUYan1

(1.GuangzhouPowerSupplyBureauCo.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510310,China; 2.SchoolofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong510640,China)

Abstract：Crimping resistance of connecting pipe is the main reason for causing heating of cable intermediate joint, so it is necessary to verify whether the crimping resistance reaches to standard requirement by experiment. Electrical contact theory is a basis for calculating crimping resistance and it is known from theoretical analysis that main factors affecting crimping resistance include product quality of the connecting pipe, crimping force, state of contact surface between connection pipe and conductor. Based on heavy current test system, power energy quality analyzer is used for indirectly measuring crimping resistance of the joint point of intermediate joint of 240 mm2 cable. Experimental result indicates that crimping resistance may increase with temperature rise and crimping resistance of the connecting pipe which has more crimping times is small. In addition, it is verified that conventional crimping process is useful to make crimping resistance reach to standard requirement.

Key words：intermediate joint; connecting pipe; crimping resistance; electrical contact theory; experimental analysis

收稿日期：2016-01-24

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2015AA050201)

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.05.020

中圖分類號：TM247

文獻標志碼：B

文章編號：1007-290X(2016)05-0108-05

作者簡介：

劉毅剛(1956)，男，廣東廣州人。高級工程師，主要從事高壓電纜線路的運行、安裝和設(shè)計工作。

劉剛(1969)，男，黑龍江哈爾濱人。副教授，工學(xué)博士，主要研究方向為智能高壓電網(wǎng)、過電壓及其防護、電力設(shè)備外絕緣。

王振華(1991)，男，湖南益陽人。在讀碩士研究生，研究方向為電力設(shè)備外絕緣。

(編輯霍鵬)