新型高壓防水阻燃防爆接頭的研究

魏寬民， 王 龍， 何 劍， 楊寶杰

（1.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司電力建設(shè)工程咨詢分公司，北京 100078；2.特變電工昭和（山東）電纜附件有限公司，泰安 271219）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，110 kV及以上高電壓電力電纜的需求迅速增長(zhǎng)，隨之電纜接頭的需求數(shù)量也在不斷地增加［1-3］，而電纜接頭的性能受到人為因素、施工和運(yùn)行環(huán)境等因素的影響，國(guó)內(nèi)外每年都會(huì)發(fā)生多起燃燒爆炸事故，所產(chǎn)生的破壞力不僅會(huì)造成本線路的停電停運(yùn)，還對(duì)周邊運(yùn)行的電纜線路、電力設(shè)施及人員造成嚴(yán)重傷害，引發(fā)更嚴(yán)重的二次事故［4-7］。

目前，市場(chǎng)上的電纜接頭，產(chǎn)品殼體采用玻璃鋼材質(zhì)，內(nèi)部灌有AB 防水膠，AB 防水膠與外殼黏合成一體，該類產(chǎn)品具有良好的防水性能，但當(dāng)產(chǎn)生燃燒爆炸事故時(shí)，由于內(nèi)部沒(méi)有泄壓空間，燃燒爆炸瞬間釋放的壓力會(huì)將產(chǎn)品炸碎，分散的碎片和火焰會(huì)對(duì)周邊運(yùn)行的電纜線路、電力設(shè)施及人員造成嚴(yán)重傷害，因此，須研究可以及時(shí)釋放壓力，并能將碎片、火焰限定于產(chǎn)品內(nèi)部從而保護(hù)周邊物品的防爆接頭。

隨著國(guó)家電網(wǎng)質(zhì)量安全管理體系的逐步健全，國(guó)家電網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)安全要求逐步提高。 為推動(dòng)電網(wǎng)建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展，本工作從電纜輸電線路建設(shè)角度出發(fā)，在常規(guī)接頭的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種兼顧防水和阻燃防爆性能的電纜接頭。

1 防水阻燃防爆接頭研究現(xiàn)狀

目前已研發(fā)使用的防爆接頭，其外殼基本上使用較多的材料均為以下幾種：①阻燃塑料（防火板）；②聚酰胺纖維；③玻璃鋼；④鐵板；⑤烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（SMC）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）阻燃塑料；⑥玻璃鋼和SMC、ABS 阻燃塑料。 外殼內(nèi)灌入AB 防水膠，起到良好的防水作用，但由于內(nèi)部沒(méi)有泄壓空間，當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生擊穿時(shí)瞬時(shí)聚集的能量無(wú)法釋放，產(chǎn)品將被炸的粉碎，對(duì)周圍的電纜線路、電力設(shè)施及人員造成嚴(yán)重傷害。 常規(guī)玻璃鋼殼結(jié)構(gòu)電纜接頭產(chǎn)品見圖1。

圖1 玻璃鋼殼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品

2 防水阻燃防爆接頭的設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 產(chǎn)品性能要求

（1） 防水性能要求。 按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 18890.1—2015［8］附錄G 的要求，先將產(chǎn)品置于水下1 m 處，經(jīng)過(guò)20 次浸水冷熱循環(huán)試驗(yàn)，隨后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電氣試驗(yàn)，最后拆解已通過(guò)電氣試驗(yàn)的接頭，內(nèi)部應(yīng)無(wú)水分進(jìn)入或被腐蝕的跡象。

（2）阻燃防爆要求。 當(dāng)高壓防水阻燃防爆接頭內(nèi)部發(fā)生故障燃燒爆炸時(shí)，火焰可以立刻熄滅、不蔓延；

在高壓防水阻燃防爆接頭內(nèi)部進(jìn)行引弧試驗(yàn)（試驗(yàn)電流有效值50 kA，引弧時(shí)間1 s），產(chǎn)品應(yīng)除泄壓裝置動(dòng)作外，其它部分無(wú)破損。 參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 7674—2008［9］；

高壓防水阻燃防爆接頭內(nèi)部150 g 三硝基甲苯（TNT）炸藥爆炸后，高壓防水阻燃防爆接頭應(yīng)除泄壓裝置動(dòng)作外，其它部分無(wú)破損。 參考標(biāo)準(zhǔn)GA 871—2010［10］。

2.1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）防水性能。 為保證防爆性能，需要設(shè)計(jì)保護(hù)殼與接頭之間無(wú)防水膠，但這將大大降低產(chǎn)品的防水性能，所以必須加強(qiáng)殼體的防水性能。 電纜／接地線表面光滑難以密封，一直是業(yè)界的一大難題，95%以上進(jìn)水情況都來(lái)自于電纜端部和接地線端部的電纜／接地線連接口處，因此，本設(shè)計(jì)殼體與電纜、接地線接觸部位均配有防水密封金具，防水密封金具內(nèi)灌入阻燃防水膠，同時(shí)將殼體其它部件之間采用密封圈螺栓緊固方法密封，全面保證產(chǎn)品具有良好的防水效果；

（2）阻燃防爆性能。 為保證防爆性能，設(shè)計(jì)保護(hù)殼與接頭之間無(wú)填充防水膠，保證有充足的泄壓空間，并且需要設(shè)計(jì)多個(gè)泄壓口，且泄壓口配導(dǎo)向管裝置，朝向最安全的部位，從而避免損傷周圍的設(shè)施及人員。

（3）阻燃防水混合物。 自行研制的阻燃防水混合物，其氧指數(shù)不小于35%，當(dāng)產(chǎn)品內(nèi)部擊穿產(chǎn)生火焰時(shí)，能夠使火焰瞬間熄滅。

高壓防水阻燃防爆接頭結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。 接地線端部密封金具，內(nèi)部灌有阻燃防水混合物，不僅具有阻燃性，同時(shí)具有良好的防水性，保證容易進(jìn)水的接地線端部不會(huì)進(jìn)水；電纜端部密封金具，內(nèi)部灌有阻燃防水混合物，僅具有阻燃性，同時(shí)具有良好的防水性，保證容易進(jìn)水的電纜端部不會(huì)進(jìn)水；泄壓口，當(dāng)產(chǎn)品內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，將破壞產(chǎn)生的能量釋放出去，從而保證產(chǎn)品無(wú)損壞、碎片。

圖2 高壓防水阻燃防爆接頭結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 理論計(jì)算

當(dāng)高壓防水阻燃防爆接頭內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，產(chǎn)品內(nèi)部的氣壓會(huì)急劇上升，產(chǎn)生的故障電弧會(huì)灼燒產(chǎn)品外殼，由于故障電弧的能量和溫度很高，產(chǎn)品外殼有可能被燒穿。

高壓防水阻燃防爆接頭內(nèi)部故障產(chǎn)生外殼燒穿的時(shí)間按下式計(jì)算：

式（1）中，t為燒穿時(shí)間，ms；C為材料耐受系數(shù)，取350；S為泄壓口或外殼厚度，mm；泄壓口厚度取0.5，殼體厚度取10；I為故障電流，kA，取50。 將數(shù)、參數(shù)代入公式（1）中，得到泄壓口和殼體燒穿的時(shí)間分別為7.5，1499 ms。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，泄壓口燒穿開始泄壓時(shí)，高壓防水阻燃防爆接頭的外殼是不會(huì)被燒穿的。

3 防水阻燃防爆接頭試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

3.1.1 浸水冷熱循環(huán)試驗(yàn)

將試樣浸入水中，水面距產(chǎn)品外殼最高點(diǎn)至少1 m。 進(jìn)行總共20 次加熱和冷卻循環(huán)。 每次循環(huán)時(shí)，水溫度控制在70 ～75 ℃，保持5 h，然后冷卻至10～30 ℃。 20 次冷熱循環(huán)結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)行電氣試驗(yàn)，電氣試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行產(chǎn)品拆解，觀察高壓防水阻燃防爆接頭是否有水分或被腐蝕跡象。

3.1.2 引弧試驗(yàn)

試驗(yàn)回路由兩段2 m 的YJLW031×2500 電纜和一個(gè)新型高壓防水阻燃防爆接頭組成。 引弧試驗(yàn)電氣接線圖見圖3。

圖3 引弧試驗(yàn)電氣接線圖

試驗(yàn)回路A、C 相與試驗(yàn)品連接，試品內(nèi)部用直徑大約為φ0.5 mm 的引弧絲將電纜線芯與金屬外殼連接起來(lái)。 引弧線連接示意圖見圖4。

圖4 試驗(yàn)內(nèi)部引弧線連接示意圖

引弧試驗(yàn)施加電流有效值為50 kA，峰值電流為128 kA，引弧擊穿電壓為12 kV，引弧時(shí)間為1 s。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 引弧試驗(yàn)實(shí)測(cè)值

3.1.3 TNT 試驗(yàn)

試驗(yàn)回路由兩段2 m 的YJLW031×2500 電纜和一個(gè)新型高壓防水阻燃防爆接頭組成。 將150 g TNT 炸藥置于產(chǎn)品內(nèi)部中心位置，將雷管與導(dǎo)爆索連接，保證雷管與導(dǎo)爆索的充分接觸，試驗(yàn)樣品組裝完成后通過(guò)雷管引爆炸藥。

為了測(cè)量爆破過(guò)程防爆殼體內(nèi)壁的動(dòng)態(tài)應(yīng)變（應(yīng)力）變化情況，試驗(yàn)擬采用應(yīng)變花（0°、45°兩個(gè)方向）測(cè)試防爆殼體外壁面的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。

為了測(cè)量爆破過(guò)程對(duì)周圍沖擊壓力大小，將沖擊波傳感器及噪聲傳感器安裝在距離爆心2，4，10 m的傳感器支架上。 通過(guò)監(jiān)測(cè)炸藥瞬間爆炸后狀態(tài)、記錄爆炸能量對(duì)外界的破壞效應(yīng)以及監(jiān)測(cè)防爆殼體壁面關(guān)鍵點(diǎn)位的應(yīng)力（應(yīng)變）變化情況，探索產(chǎn)品的抗爆性能。

3.2 結(jié)果與討論

（1）經(jīng)過(guò)20 次浸水冷熱循環(huán)試驗(yàn)后，通過(guò)20 kV 1 min 的耐壓試驗(yàn)和95 kV 的沖擊試驗(yàn)，拆解產(chǎn)品后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部無(wú)水分，產(chǎn)品通過(guò)浸水冷熱循環(huán)試驗(yàn)。

（2）引弧試驗(yàn)前后試品狀況見圖5。

由圖5 可知：引弧試驗(yàn)后除了適當(dāng)?shù)膲毫︶尫叛b置動(dòng)作外沒(méi)有外部效應(yīng)；試驗(yàn)后殼體無(wú)損壞、無(wú)碎片；引弧產(chǎn)生的火焰立即熄滅。

（3）TNT 試驗(yàn)時(shí)的噪聲和應(yīng)變曲線見圖6，試驗(yàn)前后樣品狀況見圖7。

圖6 TNT 試驗(yàn)時(shí)的噪聲和應(yīng)變曲線

圖7 TNT 試驗(yàn)前后樣品狀況照片

由圖7 中可以看出：在TNT（150 g）炸藥爆炸條件下，新型高壓防水阻燃防爆接頭產(chǎn)品泄壓口打開，殼體無(wú)任何變形、破損，無(wú)火焰產(chǎn)生；

炸藥爆炸作用下所產(chǎn)生的壓力很小，距爆破中心2 m及4 m 處的測(cè)得的沖擊波壓力未達(dá)到儀器的觸發(fā)閾值（10 kPa），距爆心10 m 處測(cè)得的噪聲為166 dB。

4 結(jié) 論

本工作通過(guò)對(duì)新型防水阻燃防爆接頭的研制和試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1）將樣品置于水下1 m 處，經(jīng)過(guò)20 次浸水冷熱循環(huán)試驗(yàn)后，通過(guò)電氣試驗(yàn)，并且拆解后產(chǎn)品內(nèi)部無(wú)水分，證明產(chǎn)品具有良好的防水性。

（2）樣品引弧試驗(yàn)（50 kA×1 s）后，除了壓力釋放裝置動(dòng)作外沒(méi)有外部效應(yīng)，殼體無(wú)損壞、無(wú)碎片，引弧產(chǎn)生的火焰立即熄滅，證明產(chǎn)品具有良好的阻燃防爆性。

（3）在TNT（150 g）炸藥爆炸后，產(chǎn)品泄壓口打開，殼體無(wú)任何變形、破損，無(wú)火焰產(chǎn)生，進(jìn)一步的證明高壓防水阻燃防爆接頭具有良好的阻燃防爆性能。

該產(chǎn)品的研發(fā)可提高電纜中間接頭的安全性。