電纜壓接影響因素與性能試驗(yàn)分析

□ 李國維 □ 王 慶 □ 徐雪霞 □ 馮硯廳 □ 陳二松

國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院 石家莊 050021

1 研究背景

在電纜施工中,電纜接頭制作是重要的環(huán)節(jié)。電纜接頭由于位置的隱蔽性,成為電纜運(yùn)行及維護(hù)中最為薄弱的環(huán)節(jié),電纜接頭的質(zhì)量問題也日趨嚴(yán)重[1-4]。電纜接頭制作過程工序復(fù)雜,其中電纜導(dǎo)體部分的壓接是最重要的工序,壓接頭不緊、接觸電阻過大等問題都會(huì)造成電纜接頭質(zhì)量不合格。目前,電纜接頭導(dǎo)體的壓接工作主要由工作人員借助簡易工具完成,雖然由人為引起的失效率很低[5-6],但是壓接的質(zhì)量卻難以判斷。

筆者提出一種可用于電纜壓接性能試驗(yàn)的方法,設(shè)計(jì)了相配套的試驗(yàn)平臺(tái)。采用這一試驗(yàn)方法和測(cè)試平臺(tái)對(duì)不同規(guī)格的電纜導(dǎo)體進(jìn)行壓接試驗(yàn),對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理分析,可以確認(rèn)影響因素與電纜接頭壓接質(zhì)量之間的關(guān)系。

2 電纜壓接影響因素分析

應(yīng)用電纜壓接性能試驗(yàn)平臺(tái)及試驗(yàn)方法,選取直徑在50～400 mm范圍內(nèi)的七種常見規(guī)格電纜,采用10 kV電纜導(dǎo)體最常用的連接方式——連接管壓接方式進(jìn)行試驗(yàn)[7-8]。試驗(yàn)所需不同規(guī)格的電纜、連接管、壓接模具都選用實(shí)際施工中較為常見的類型。

參考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》標(biāo)準(zhǔn)可知,判斷電纜導(dǎo)體是否壓接合格主要有兩個(gè)參數(shù):接觸電阻和抗拉強(qiáng)度[9],對(duì)這兩個(gè)參數(shù)有影響的主要因素是連接管與電纜的變形。在電纜壓接過程中,有許多因素會(huì)對(duì)電纜變形產(chǎn)生直接或間接的影響。

(1)壓接力數(shù)值。對(duì)于同一種規(guī)格的電纜及配套連接管,不同的壓接力使電纜和連接管產(chǎn)生的變形程度不相同,由此會(huì)對(duì)電纜接頭的接觸電阻和抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。

(2)壓接順序。電纜在壓接過程中,對(duì)于不同規(guī)格的電纜有不同數(shù)量的壓痕。如圖1所示,120 mm2規(guī)格的電纜一般會(huì)有四道壓痕。最先受力的位置肯定最先產(chǎn)生變形,因此壓接順序的不同也會(huì)造成變形順序的不同。圖1中四道壓痕的壓接順序可以是壓痕2、壓痕3、壓痕1、壓痕4,也可以是壓痕2、壓痕1、壓痕3、壓痕4,或者其它順序。

▲圖1 120 mm2規(guī)格電纜壓痕

(3)壓接模具寬度。目前市面上所銷售的模具,其寬度不相同。壓接模具寬度不同會(huì)影響電纜壓痕的寬度,進(jìn)而造成電纜和連接管總變形面積不同,影響壓接質(zhì)量。

(4)壓痕相位。通過壓接模具以不同的角度進(jìn)行壓接,會(huì)產(chǎn)生互成角度的壓痕,從而造成電纜和連接管變形位置的不同,對(duì)電纜接頭的質(zhì)量產(chǎn)生影響。

(5)壓痕數(shù)量。不同規(guī)格的電纜所對(duì)應(yīng)的連接管,其長度不同。在連接管長度足夠長的情況下,壓痕數(shù)量偏少,顯然會(huì)影響電纜的抗拉強(qiáng)度;壓痕數(shù)量過多,則費(fèi)時(shí)費(fèi)力?？梢?合適的壓痕數(shù)量也十分重要。

(6)施力方式。作業(yè)中難免會(huì)出現(xiàn)沒有一次性將壓接力施加至預(yù)期數(shù)值,進(jìn)行二次甚至多次加壓的情況,因此研究分段加壓是否會(huì)對(duì)壓接質(zhì)量產(chǎn)生影響也很有必要。

在實(shí)際施工中,還有一些其它因素會(huì)對(duì)電纜接頭的接觸電阻及抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生影響,如施工場(chǎng)地環(huán)境、工人操作熟練度等[10-11]。由于無法將這些影響因素納入試驗(yàn)研究,因此不作介紹。

3 試驗(yàn)平臺(tái)

電纜壓接性能試驗(yàn)平臺(tái)以氣液增壓型液壓機(jī)為施力裝置,這一施力裝置上裝有下壓裝置及電纜支撐裝置。試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

▲圖2 電纜壓接性能試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

下壓裝置主要包括:① 壓接力測(cè)量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)壓接時(shí)連接管所受到壓接力的實(shí)時(shí)測(cè)量;② 位移測(cè)量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)壓接時(shí)上下模具間距離的實(shí)時(shí)測(cè)量,間接得到電纜的壓接變形量。電纜支撐裝置主要包括:① 電纜固定裝置,實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格電纜的固定;② 電纜移動(dòng)裝置,實(shí)現(xiàn)電纜水平方向上的移動(dòng),可以精確調(diào)整壓痕位置;③ 接觸電阻測(cè)量裝置,可以測(cè)量電纜和連接管之間由于擠壓、變形而產(chǎn)生的接觸電阻。壓接模具固定裝置分為相同的兩部分,分別安裝在下壓裝置和電纜支撐裝置中,從而實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格壓接模具的固定。

在試驗(yàn)平臺(tái)中,可以通過調(diào)節(jié)施力裝置頂部的排氣閥來獲得預(yù)期的壓接力,從而完成對(duì)壓接力和施力方式這兩個(gè)因素的研究。壓痕順序、壓痕數(shù)量、壓痕相位可以在試驗(yàn)平臺(tái)上通過人工調(diào)節(jié)進(jìn)行控制,壓接模具的寬度可以通過更換壓接模具來實(shí)現(xiàn)。由此,這一試驗(yàn)平臺(tái)可以對(duì)上述所有影響因素進(jìn)行試驗(yàn)。

在所有影響因素中,壓接力的大小對(duì)電纜接頭壓接質(zhì)量的影響尤為重要。試驗(yàn)選取壓接力作為主要研究對(duì)象,限制壓接順序、壓痕相位等因素的變化,研究壓接力對(duì)不同規(guī)格電纜所產(chǎn)生接觸電阻及壓接變形量的影響,從而得到壓接力與壓接質(zhì)量之間的關(guān)系。

4 試驗(yàn)流程

電纜壓接性能試驗(yàn)時(shí),壓接力范圍為0～120 kN,壓接力每增大10 kN為一個(gè)間隔。壓接順序采用壓痕2、壓痕3、壓痕1、壓痕4,壓接模具寬度為14 mm,壓痕相位統(tǒng)一為0°。

(1)壓痕粗標(biāo)定。在相應(yīng)規(guī)格的連接管上用記號(hào)筆進(jìn)行壓痕位置的粗標(biāo)定,同時(shí)標(biāo)記各個(gè)壓痕的壓接順序。

(2)初始電阻測(cè)定。在電纜未切割前采用電阻測(cè)試儀測(cè)量電纜的原始電阻,取被測(cè)規(guī)格電纜長度為1 m,測(cè)量電流為50 A[12],計(jì)算電阻率,并通過計(jì)算得到電阻值。再取長度為0.2 m的電纜,測(cè)量電阻值。通過計(jì)算兩者誤差來判斷直接測(cè)量0.2 m電纜電阻得到的數(shù)值是否有效。測(cè)試儀的測(cè)量精度為0.5%rd±2d,rd為量程,d為最小有效讀數(shù)位。以120 mm2電纜為例,測(cè)量1 m長度電纜的電阻,電阻率ρ等于RS/L。其中,R為電阻,S為截面積,L為電纜長度。由此計(jì)算得到1 m長度電纜的電阻率為0.018 5 μΩ·m,進(jìn)一步通過電阻率計(jì)算公式得到0.2 m長度電纜的電阻值為30.83 μΩ。再取長度為0.2 m的電纜,測(cè)得電阻值為31.03 μΩ。兩者誤差為0.64%,因此,直接測(cè)量0.2 m長度電纜的電阻值,數(shù)據(jù)是有效的。

(3)電纜處理。將電纜切割成每段0.2 m,取切割好的兩根相同電纜,并選取對(duì)應(yīng)規(guī)格的連接管。采用游標(biāo)卡尺量取連接管長度的1/2,以相同的長度在兩根電纜上用記號(hào)筆進(jìn)行標(biāo)記。纏上絕緣膠帶,使電纜直徑大于連接管的內(nèi)徑,從而卡住電纜,確保兩根電纜可以平分連接管。

(4)電纜放置。將兩根電纜放入連接管,并按做好的標(biāo)記放置在壓接模具上。

(5)接觸電阻測(cè)試儀安裝。將測(cè)量夾頭各自夾在電纜外端,打開接觸電阻測(cè)試儀,進(jìn)行調(diào)試。

(6)壓接試驗(yàn)。啟動(dòng)液壓機(jī),調(diào)整到初始?jí)航恿?按照壓痕標(biāo)記順序進(jìn)行壓接。每次下壓之后停滯10 s進(jìn)行保壓,確保連接管變形達(dá)到穩(wěn)定。每壓接一次,記錄對(duì)應(yīng)壓接力下的接觸電阻、上下模具間距。

(7)后續(xù)壓接力下壓痕標(biāo)記處壓接。調(diào)整液壓機(jī)的壓接力,每次增大10 kN重復(fù)步驟(6),直至壓接力使上下模具間距趨于穩(wěn)定為止。

(8)電纜拆卸和下一規(guī)格電纜壓接。完成上述步驟之后,取下接觸電阻測(cè)試儀的測(cè)試夾頭和壓接完成的電纜,更換另一種規(guī)格的電纜,重復(fù)上述步驟。

電纜壓接性能試驗(yàn)流程如圖3所示。

▲圖3 電纜壓接性能試驗(yàn)流程

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

按照上述試驗(yàn)流程,選擇電纜及連接管材料為銅材料進(jìn)行試驗(yàn),得到七種規(guī)格電纜上下模具間距、接觸電阻與壓接力之間的關(guān)系。

5.1 上下模具間距與壓接力關(guān)系

選取規(guī)格為120 mm2的電纜,上下模具間距與壓接力關(guān)系曲線如圖4所示。圖4中四條曲線變化趨勢(shì)十分相近,若各條曲線之間有明顯的相關(guān)度,則可以認(rèn)為在分析數(shù)據(jù)時(shí),取任意一道壓痕的數(shù)據(jù)分析得到的規(guī)律是一致的。

▲圖4 120 mm2電纜上下模具間距與壓接力關(guān)系曲線

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相關(guān)性是經(jīng)濟(jì)學(xué)中常用的一種分析工具,能夠通過數(shù)據(jù)分析得出關(guān)聯(lián)性。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相關(guān)性常用的方法有皮爾遜相關(guān)分析法、斯皮爾曼相關(guān)分析法、肯德爾相關(guān)分析方法。其中,皮爾遜相關(guān)分析法統(tǒng)計(jì)效能較好,但要求數(shù)據(jù)集合服從正態(tài)分布;斯皮爾曼相關(guān)分析法對(duì)原始變量的分布不作要求,屬于非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法,適用范圍更為廣泛;肯德爾相關(guān)分析法適用于正方形表格。由于筆者試驗(yàn)的四組數(shù)據(jù)并不服從正態(tài)分布,因此選用斯皮爾曼相關(guān)分析法。

采用Origin軟件計(jì)算四組數(shù)據(jù)集合之間的斯皮爾曼相關(guān)度因數(shù),所得結(jié)果見表1。

表1 數(shù)據(jù)相關(guān)度因數(shù)

由表1可以看出,四組數(shù)據(jù)集合之間每兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)度因數(shù)均接近1。在相關(guān)強(qiáng)度的定義中,相關(guān)度因數(shù)為0.8～1時(shí)為極強(qiáng)相關(guān)。所以可以認(rèn)為,由四組數(shù)據(jù)形成的曲線具有極高的相關(guān)性,取任意一道壓痕的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析是可以得到普遍性規(guī)律的。

取圖4(a)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對(duì)于120 mm2電纜而言,當(dāng)壓接力達(dá)到約65 kN時(shí),隨著壓接力的增大,上下模具的間距幾乎沒有變化。此時(shí),上下模具已經(jīng)基本合攏,中間有少量因連接管變形而產(chǎn)生的溢料,再增大壓接力不會(huì)改變電纜壓接狀態(tài)。由此可知,對(duì)于試驗(yàn)所用模具,120 mm2電纜的最小壓接力為65 kN。

5.2 接觸電阻與壓接力關(guān)系

根據(jù)電纜接頭制作要求,電纜連接電阻小而穩(wěn)定,能夠經(jīng)受故障電流的沖擊;長期運(yùn)行后,電纜接頭接觸電阻不應(yīng)大于電纜線芯本體同長度電阻的1.2倍;新制作的電纜中間接頭,接觸電阻不應(yīng)大于2倍同長度電纜電阻。筆者選用120 mm2電纜進(jìn)行試驗(yàn),采用兩段長度均為0.2 m的電纜進(jìn)行壓接,壓接后的總長度為0.4 m。采用接觸電阻測(cè)試儀測(cè)量0.4 m長整根電纜的電阻值為37.73 μΩ,將該電阻值作為合格值。測(cè)量不同壓接力下同等長度電纜的接觸電阻作為實(shí)際值,得到接觸電阻與壓接力關(guān)系曲線,如圖5所示。

由圖5可知,壓接力小于20 kN時(shí),接觸電阻隨著壓接力的增大急劇減小,隨后便基本趨于穩(wěn)定。同時(shí)可以看出,要滿足接觸電阻的要求,120 mm2電纜所需的壓接力約為20 kN,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于120 mm2電纜壓接變形停止時(shí)的最小壓接力65 kN?？梢?接觸電阻雖然是衡量電纜接頭導(dǎo)電性能的關(guān)鍵指標(biāo),但是接觸電阻達(dá)到合格條件所需的壓接力很小,在實(shí)際生產(chǎn)過程中反而不需要特別關(guān)注接觸電阻這一指標(biāo)。

▲圖5 120 mm2電纜接觸電阻與壓接力關(guān)系曲線

5.3 不同規(guī)格電纜數(shù)據(jù)

以70 mm2、150 mm2、300 mm2規(guī)格電纜為例,上下模具間距與壓接力關(guān)系曲線如圖6所示。

▲圖6 不同規(guī)格電纜上下模具間距與壓接力關(guān)系曲線

由圖6可以看出,三種規(guī)格的電纜變形變化趨勢(shì)基本一致。300 mm2電纜在施力裝置最大輸出壓接力時(shí)仍然未達(dá)到變形停止階段,說明本試驗(yàn)所采用的施力裝置所能輸出的最大壓接力120 kN偏小。施力裝置的最大輸出壓接力與10 kV電纜實(shí)際施工中廣泛采用的液壓鉗最大輸出壓接力基本一致,由此可以得出,在實(shí)際施工中采用的液壓鉗完成300 mm2及以上規(guī)格電纜壓接時(shí),并不能達(dá)到最佳的壓接質(zhì)量狀態(tài)。

同樣以70 mm2、150 mm2、300 mm2規(guī)格電纜為例,接觸電阻與壓接力關(guān)系曲線如圖7所示。

▲圖7 不同規(guī)格電纜接觸電阻與壓接力關(guān)系曲線

由圖7可以看出,三種規(guī)格電纜接觸電阻與壓接力的變化規(guī)律基本一致。電纜截面積越大,達(dá)到合格接觸電阻所需要的最小壓接力也越大,但是都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電纜壓接變形停止時(shí)所需要的最小壓接力,進(jìn)一步證明在實(shí)際施工中只要保證壓接模具間距不再隨壓接力增大而變化,接觸電阻便完全能夠達(dá)到要求。

6 結(jié)束語

筆者提出了用于電纜壓接性能試驗(yàn)的試驗(yàn)方法及相配套的試驗(yàn)平臺(tái),可以得到壓接力、上下模具間距和接觸電阻的精準(zhǔn)數(shù)值,通過所得數(shù)據(jù)得到各因素之間的關(guān)系,從而對(duì)電纜導(dǎo)體壓接質(zhì)量進(jìn)行量化評(píng)價(jià),為解決目前電纜接頭制作的質(zhì)量問題提供參考。