電纜系統(tǒng)故障快速恢復(fù)中間接頭設(shè)計(jì)

柯德剛， 李華春， 王體才， 趙 洋， 杜成龍，張竟成， 秦 浩， 孫 峰， 宋健瑛

（1.上海永錦電氣技術(shù)股份有限公司，上海 201619； 2.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031）

0 引言

我國(guó)110 kV 電力電纜輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)度逐年增加。 2020 年國(guó)家電網(wǎng)110 kV 及以上主網(wǎng)電纜運(yùn)行長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到32835 km，近年年均增長(zhǎng)9%；南方電網(wǎng)110 kV 及以上主網(wǎng)電纜運(yùn)行長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到6625 km，近五年年均增長(zhǎng)10%；110 kV 主網(wǎng)電纜的發(fā)展為城市發(fā)展提供了必備的條件，但是電纜系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，可能發(fā)生局部故障，造成斷電。 由于電纜敷設(shè)在地下，找出故障點(diǎn)及恢復(fù)故障都是比較困難的工作。

現(xiàn)在大型城市及部分中型城市的110 kV 電纜一般敷設(shè)在地下隧道，因隧道空間有限及電纜排列整齊美觀方面的要求，大多數(shù)都沒有預(yù)留故障恢復(fù)用電纜。 一旦發(fā)生故障，即采取加一段電纜和兩個(gè)中間接頭的方法進(jìn)行恢復(fù)。

在某些特殊情況下，如電纜隧道出現(xiàn)塌方或火災(zāi)而導(dǎo)致電纜系統(tǒng)故障，一般采取一段較長(zhǎng)的搶修備用電纜替代被塌方或火災(zāi)破壞的電纜。

為盡快恢復(fù)發(fā)生了故障的電纜系統(tǒng)，北京供電公司2017 年開發(fā)了國(guó)內(nèi)首套電纜接頭快速恢復(fù)成套裝備［1］（含快速中間接頭，其基本結(jié)構(gòu)與組合式中間接頭相同）。 武漢大學(xué)聯(lián)合佛山供電局、中南電力設(shè)計(jì)院、宜昌供電公司設(shè)計(jì)了一種氣體絕緣變電站（GIS）內(nèi)錐插拔式快速中間接頭［2］，其基本結(jié)構(gòu)與GIS 試驗(yàn)倉(cāng)相同，兩套GIS 終端對(duì)接。 上海供電公司和普睿司曼介紹了一種將整體預(yù)制式中間接頭預(yù)先套裝在一段電纜上面作為快速搶修備用接頭［3］，這些快速接頭的基本絕緣方式均采用半導(dǎo)電與絕緣橡膠組合應(yīng)力錐過盈套裝在電纜外屏蔽斷口控制電場(chǎng)。 組合橡膠應(yīng)力錐與電纜絕緣貼合界面的間隙必須嚴(yán)格控制，界面的間隙及界面的粗糙度與界面的耐壓強(qiáng)度直接相關(guān)［4］。

本工作先后設(shè)計(jì)了幾種非組合橡膠應(yīng)力錐過盈套安裝在電纜絕緣上面，用以控制電場(chǎng)的快速搶修接頭。 這些產(chǎn)品適用于幾種不同的搶修條件，可縮短搶修時(shí)間，盡快恢復(fù)電力供應(yīng)，可降低停電對(duì)相關(guān)居民生活、社會(huì)服務(wù)及生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的影響，減少停電造成的直接損失和間接經(jīng)濟(jì)損失。

1 產(chǎn)品簡(jiǎn)介

根據(jù)北京電網(wǎng)的要求設(shè)計(jì)了第二代A 型快速搶修接頭［5］。 北京電網(wǎng)的供電可靠率要求高，故障恢復(fù)時(shí)間要求短，搶修時(shí)間要求控制在3 h 以內(nèi)，恢復(fù)后穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間至少維持7 d。 （在臨時(shí)運(yùn)行的7 d內(nèi)，塌方或過火的電纜隧道可以被妥善修復(fù)，滿足長(zhǎng)期運(yùn)行條件的正式電纜及電纜接頭也能被妥善敷設(shè)安裝到位）。

1.1 第二代A 型快速搶修接頭設(shè)計(jì)方案

1.1.1 安裝時(shí)間

目前，國(guó)家電網(wǎng)及南方電網(wǎng)使用的電纜中間接頭中，95 %以上為橡膠整體預(yù)制式。 這種整體預(yù)制式電纜接頭的安裝時(shí)間都比較長(zhǎng)，早期一般規(guī)定安裝時(shí)間為48 h，近年來，由于電力建設(shè)增長(zhǎng)較快，電纜附件安裝工作往往安排在電建項(xiàng)目的收尾階段，多方要求壓縮電纜附件的安裝時(shí)間，但是為保證產(chǎn)品運(yùn)行質(zhì)量，110 kV 中間接頭的安裝時(shí)間仍須安排兩個(gè)工作日，平均安裝時(shí)間約26 h。 其中，僅電纜校直（加熱、冷卻）這一道工序的時(shí)間就需要12 ～14 h［6］。 另外，為提高界面擊穿場(chǎng)強(qiáng)，需要大量時(shí)間對(duì)電纜進(jìn)行打磨。 本工作設(shè)計(jì)的技術(shù)方案不考慮對(duì)電纜進(jìn)行加熱校直處理，且盡量減少打磨拋光的精細(xì)程度。

1.1.2 絕緣結(jié)構(gòu)及材料選擇

本工作選擇金屬應(yīng)力錐結(jié)合絕緣油來替代橡膠預(yù)制件，不對(duì)電纜絕緣表面進(jìn)行精細(xì)打磨。 絕緣油（硅油和聚異丁烯）作為主要絕緣介質(zhì)廣泛用于戶外終端的套管內(nèi)［7］，但用于中間接頭尚未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

1.2 第二代A 型快速搶修接頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

A 型快速搶修接頭的基本結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 A 型快速搶修接頭結(jié)構(gòu)示意圖

A 型快速搶修接頭基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：產(chǎn)品由兩段金屬外殼筒體、兩個(gè)金屬應(yīng)力錐、一個(gè)金屬屏蔽管、一個(gè)中部絕緣隔板等部件組合。 電纜導(dǎo)體連接方式為可插拔連接，接頭內(nèi)部灌注絕緣油。

金屬外殼：起密封、保護(hù)作用，外殼的尺寸可相對(duì)固定，通過調(diào)整金屬應(yīng)力錐及金屬屏蔽管的尺寸來適應(yīng)不同電纜截面。

金屬應(yīng)力錐、金屬屏蔽管：起控制接頭內(nèi)的電場(chǎng)分布作用。

絕緣油：灌注時(shí)間短，快速實(shí)現(xiàn)絕緣作用。

可插拔連接方式：為保證產(chǎn)品的可重復(fù)利用，采用彈簧觸指［8］，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體可插拔連接方式；所用彈簧觸指的通流容量額定值為2220 A，與電纜載流量相當(dāng)（空氣中平行敷設(shè)的110 kV-800 mm2銅芯電纜的載流量為2150 A）。

環(huán)氧絕緣件：具有高絕緣強(qiáng)度。 其中部是用來連接電纜導(dǎo)體的金屬屏蔽管，外部將接頭盒的外殼在中間部位做了電氣上的隔離，使得接頭盒可直接作為絕緣接頭使用。 當(dāng)需要直通接頭時(shí)，可將環(huán)氧兩邊的法蘭進(jìn)行聯(lián)通。

1.3 第二代B 型快速搶修接頭基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

B 型快速搶修中間接頭基本結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 B 型快速搶修接頭結(jié)構(gòu)示意圖

B 型快速搶修接頭基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：產(chǎn)品由金屬外殼、簡(jiǎn)化半導(dǎo)電硅橡膠應(yīng)力錐、尼龍隔板等部件組合。 電纜導(dǎo)體連接方式為螺栓連接、接頭內(nèi)部灌注絕緣油。

螺栓連接方式：采用螺栓連接，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體可拆卸連接方式。

無中間環(huán)氧絕緣件：僅作為直通接頭使用。 體積小，可適用于狹窄的電纜隧道。

1.4 試驗(yàn)條件

仿真模型及仿真條件：110 kV 專用金屬應(yīng)力錐結(jié)構(gòu)，配合800 mm2的XLPE 電力電纜，仿真電壓為64 kV 及160 kV。

仿真電壓為64 kV 時(shí)，最高場(chǎng)強(qiáng)集中在電纜外半導(dǎo)電屏蔽層斷口處，為5.6 kV·mm-1，金屬屏蔽罩上的最高場(chǎng)強(qiáng)為2.02 kV·mm-1，金屬應(yīng)力錐內(nèi)表面最大場(chǎng)強(qiáng)為2.0 kV·mm-1；仿真電壓為160 kV 時(shí)，仿真結(jié)果如圖3～圖6 所示。

圖3 接頭整體電位分布仿真圖

圖4 屏蔽電極與隔板處電位分布仿真圖

圖5 金屬應(yīng)力錐與屏蔽斷口處電位分布仿真圖

圖6 電纜與油界面合成場(chǎng)強(qiáng)曲線

由圖可知，產(chǎn)品內(nèi)部的電位分布合理；圖6 顯示電纜與絕緣油界面的EFX（電場(chǎng)強(qiáng)度x方向分量的曲線），EFY（電場(chǎng)強(qiáng)度y方向分量的曲線） 及EFSUM（和值場(chǎng)強(qiáng)）均分布合理，滿足實(shí)際技術(shù)要求。

2 電氣測(cè)試、試用情況及產(chǎn)品鑒定

2.1 電氣測(cè)試

產(chǎn)品進(jìn)行電氣測(cè)試。 先通過了相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)：2.5U0耐受60 min、1.5U0無局部放電；后通過2.5U0360 h 工頻耐壓試驗(yàn)。

根據(jù)部分用戶提出將快速接頭作為永久使用產(chǎn)品的需求，按照GB／T 11033 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的型式試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)，并通過了全系列試驗(yàn)。

2.2 產(chǎn)品試用情況

2019 年7 月產(chǎn)品在北京供電公司地下高壓電纜隧道進(jìn)行了實(shí)地演練，通過電纜隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地演練，驗(yàn)證了第二代快速搶修接頭的搶修時(shí)間比第一代快速接頭縮短了50%，效果良好。

2.3 產(chǎn)品鑒定

2019 年7 月，中國(guó)機(jī)械聯(lián)合會(huì)組織全國(guó)電纜系統(tǒng)專家對(duì)快速接頭給出鑒定意見：該產(chǎn)品采用金屬應(yīng)力錐和絕緣油配合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝便利，可實(shí)現(xiàn)故障線路的快速恢復(fù)，并可作為備品備件重復(fù)使用。

2.4 產(chǎn)品應(yīng)用評(píng)估

2020 年10 月，中國(guó)電科院對(duì)研發(fā)的A 型及B型快速搶修接頭給出評(píng)估意見：采用絕緣油替代了傳統(tǒng)快速組裝接頭的交聯(lián)聚乙烯絕緣，提供了更高的絕緣穩(wěn)定性，降低了局部放電的強(qiáng)度，可將故障搶修時(shí)間控制在2 h 內(nèi)，有效提升電纜線路故障應(yīng)急處置效率，實(shí)現(xiàn)快速供電恢復(fù)，降低電纜線路故障帶來的經(jīng)濟(jì)損失和負(fù)面的社會(huì)影響。

3 快速搶修接頭產(chǎn)品改進(jìn)

改進(jìn)研發(fā)了C 型快速搶修接頭，其應(yīng)用面廣泛，產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 C 型搶修接頭基本結(jié)構(gòu)示意圖

C 型快速接頭基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：產(chǎn)品與A 型搶修接頭的結(jié)構(gòu)基本相同，電纜導(dǎo)體連接方式為可插拔連接、接頭內(nèi)部灌注絕緣油或絕緣硅橡膠。 金屬外殼、金屬應(yīng)力錐、金屬屏蔽管、結(jié)構(gòu)也與A 型快速搶修接頭相同（增加了數(shù)量）。

C 型快速搶修接頭不同于A 型快速搶修接頭及B 型快速搶修接頭的特點(diǎn)是：增加了一段金屬外殼，可以適用于電纜故障后連接余量不夠的情況，（這種條件下使用A 型或B 型快速搶修接頭都要增加一段電纜、要安裝兩套接頭）。 另外一個(gè)特點(diǎn)是：如果搶修時(shí)間緊迫，灌絕緣油可實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)通電。如果時(shí)間允許，可選擇灌RTV，等RTV 固化后通電運(yùn)行，采用這種安裝方式接頭可以長(zhǎng)期使用，不用再次更換。 該安裝方式適用于多種不同電纜敷設(shè)通道，應(yīng)用場(chǎng)所廣泛。

4 結(jié)束語

為提高故障電纜輸電線路的搶修速度，在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)主網(wǎng)電纜系統(tǒng)的供電能力，本工作研發(fā)了主網(wǎng)電纜故障快速恢復(fù)油浸式接頭（A 型及B 型快速搶修接頭）。 該產(chǎn)品利用了液體絕緣原理，使得安裝步驟大為簡(jiǎn)化，可把產(chǎn)品搶修時(shí)間縮減到2 h以內(nèi)，使主網(wǎng)電纜系統(tǒng)在故障后能夠及時(shí)恢復(fù)供電。

其后又設(shè)計(jì)了應(yīng)用范圍廣泛的延長(zhǎng)型可選擇永久使用的C 型快速接頭。

該系列快速搶修接頭產(chǎn)品可以應(yīng)用于多種電纜敷設(shè)環(huán)境，已經(jīng)被列為北京供電公司大型城市高壓電纜網(wǎng)火災(zāi)感知和處置關(guān)鍵技術(shù)。 各大中城市的主網(wǎng)供電電纜系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)均可選擇采用。