一種新型高壓電纜尾管密封方法

李 海,梅珊珊, 王東源,楊 凡,王之琦,王之驍,孫 利

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電纜分公司，上海 200431； 2.上海纜慧檢測(cè)技術(shù)有限公司，上海 201206)

隨著電網(wǎng)負(fù)荷的日益增長(zhǎng)以及城市現(xiàn)代化水平的不斷提升，城市電纜化率不斷提高，因此有效降低高壓電纜線路故障率已成為電網(wǎng)工作的重要內(nèi)容[1-2]。環(huán)氧玻璃絲帶工藝和搪鉛工藝是使電纜終端頭或中間接頭尾管與電纜波紋鋁護(hù)套實(shí)現(xiàn)可靠連接的重要工藝[3]，而當(dāng)前國(guó)內(nèi)部分地區(qū)特別是環(huán)境條件比較潮濕的地區(qū)高壓電纜終端尾管處腐蝕、發(fā)熱導(dǎo)致電纜擊穿的事故頻發(fā)?，F(xiàn)場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，由于環(huán)氧泥密封不嚴(yán)或搪鉛不密實(shí)，致使潮氣浸入，電纜緩沖層和鋁護(hù)套發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，侵蝕電纜絕緣層，從而導(dǎo)致電纜擊穿,同時(shí)也發(fā)現(xiàn)連接尾管與電纜鋁護(hù)套的鍍錫銅編織線發(fā)生氧化腐蝕現(xiàn)象，產(chǎn)生銅綠。本文提出了一種新型的高壓電纜尾管密封方法：使用彈性部件，將銅編織帶或銅網(wǎng)緊壓在尾管和電纜鋁包表面，提供一個(gè)持續(xù)的壓緊力；使用柔性材料緊密填充電纜阻水帶與鋁護(hù)套間的空間，將接地連接部分既與電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)隔絕，又與外部空間隔絕，避免形成溶池，以解決不同金屬間產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的問(wèn)題。

1 傳統(tǒng)密封工藝

為了防止外界水分入侵，保證可靠的電氣連接及牢靠的機(jī)械結(jié)構(gòu)，電纜終端尾管目前常用的連接方式有環(huán)氧玻璃絲帶和搪鉛兩種方式。

1.1 環(huán)氧玻璃絲帶

環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)金屬有較強(qiáng)的黏合力，應(yīng)用這一特性，在電纜附件的金屬外殼與電纜金屬套之間，可采用澆注環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合物和以無(wú)堿玻璃絲帶與環(huán)氧樹(shù)脂涂料組合繞包的方法，形成環(huán)氧樹(shù)脂密封結(jié)構(gòu)。操作時(shí)，在待密封連接部位依次纏繞玻璃絲帶和涂抹環(huán)氧樹(shù)脂，不斷重復(fù)進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)密封和硬化后保持一定的機(jī)械強(qiáng)度。采用環(huán)氧樹(shù)脂密封，必須徹底清除金屬表面的油污，另外，將金屬表面打毛可以增強(qiáng)其與環(huán)氧樹(shù)脂的黏合力。

1.2 搪鉛

國(guó)內(nèi)普遍采用皺紋鋁護(hù)套的高壓電纜結(jié)構(gòu)，皺紋鋁護(hù)套通常是由純鋁壓制而成。搪鉛工藝基本可分為5步，即“一刷、二擦、三化、四壓、五滑”?！八ⅰ笔菫榱巳コX護(hù)套表面的氧化層，防止搪鉛時(shí)高溫產(chǎn)生的水蒸氣在內(nèi)部形成氣孔，使接頭強(qiáng)度下降，刷完之后鋁護(hù)套表面應(yīng)光亮，露出材質(zhì)的顏色，沒(méi)有刷到的地方會(huì)形成視覺(jué)反差并應(yīng)對(duì)其重新補(bǔ)刷；“擦”是將底焊料涂擦在刷過(guò)的位置上，底焊料的作用是讓搪好的鉛與鋁護(hù)套之間更加牢固；“化”是把鉛錫焊料熔化成漿糊狀；“壓”是把堆積在搪鉛位置的鉛錫團(tuán)用揩布進(jìn)行揉壓并順勢(shì)推運(yùn)焊料，將其造型，需要保證鉛錫焊料充分黏結(jié)到鋁護(hù)套表面；“滑”是進(jìn)行抹平拋光。為了防止應(yīng)力在尖端點(diǎn)過(guò)度集中，搪鉛的形狀應(yīng)為圓周形物體，且厚度均勻，外形應(yīng)力求對(duì)稱，通常呈梨或是蘋(píng)果形狀。

1.3 傳統(tǒng)工藝典型故障分析

1.3.1 環(huán)氧玻璃絲帶密封工藝典型故障

環(huán)氧樹(shù)脂不增韌時(shí)，固化物一般偏脆，抗剝離、抗開(kāi)裂、抗沖擊性能較差，同時(shí)玻璃絲帶自身不防水，并且環(huán)氧膠長(zhǎng)期浸泡于水中存在膨脹變軟的可能性。環(huán)氧玻璃絲帶工藝終端腐蝕現(xiàn)象如圖1所示。

基于環(huán)氧玻璃絲帶的自身材料特性，環(huán)氧密封的典型故障可總結(jié)為以下兩類：環(huán)氧泥未完全固化，尾管內(nèi)部有進(jìn)潮現(xiàn)象；環(huán)氧泥長(zhǎng)期受拉伸、沉降、震動(dòng)影響，密封出現(xiàn)移位開(kāi)裂的情況。

圖1 環(huán)氧玻璃絲帶工藝終端腐蝕現(xiàn)象

1.3.2 搪鉛密封工藝典型故障

通過(guò)分析搪鉛工藝可知，在工藝流程中會(huì)對(duì)尾管密封質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素繁多，例如：鋁護(hù)套表面氧化層未去除干凈，使過(guò)渡鋁焊條不能和鋁護(hù)套牢靠黏結(jié)；涂抹鋁焊條時(shí)溫度和工藝控制不好，鋁焊條沒(méi)有黏結(jié)到鋁護(hù)套；搪鉛工藝控制不到位，鉛錫焊條沒(méi)有很好與過(guò)渡鋁焊條鍍層黏結(jié)；搪鉛時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和溫度過(guò)高，對(duì)電纜半導(dǎo)電層和絕緣層造成損傷；安裝人員的經(jīng)驗(yàn)和施工水平不足等。

2020年11月，上海某110 kV電纜A相終端發(fā)生運(yùn)行故障，對(duì)該相終端解體后發(fā)現(xiàn)存在嚴(yán)重的脫鉛缺陷，現(xiàn)場(chǎng)故障情況如圖2所示，最終故障原因定性為封鉛施工不良。

圖2 施工不良導(dǎo)致封鉛開(kāi)裂

2021年1月，上海另一110 kV電纜在日常巡視紅外測(cè)溫中發(fā)現(xiàn)A相溫度升高，在消缺過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該相終端封鉛已出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 封鉛位移開(kāi)裂

由于搪鉛工藝質(zhì)量控制不到位因素所引發(fā)的典型故障可總結(jié)為以下兩類：搪鉛過(guò)程中溫度過(guò)高從而損傷電纜半導(dǎo)電和絕緣；搪鉛虛焊，且隨著外部溫度的循環(huán)變化和震動(dòng)等因素虛焊程度逐步擴(kuò)大，甚至搪鉛部位嚴(yán)重脫鉛，導(dǎo)致接觸電阻隨之增大，搪鉛處絕緣溫度相應(yīng)提高，進(jìn)而造成熱老化后擊穿。

綜上所述，終端尾管無(wú)論是采用環(huán)氧玻璃絲帶密封還是采用搪鉛密封都存在腐蝕、開(kāi)裂情況，最終導(dǎo)致電纜發(fā)熱擊穿。

2 一種新型高壓電纜尾管密封方法

在本工藝中，設(shè)計(jì)采用冷連接的密封方式，從而避免溫度和安裝人員等因素對(duì)電纜附件安裝質(zhì)量產(chǎn)生的影響，并且可以顯著地縮短安裝時(shí)間。

2.1 冷連接使用材料

本工藝使用的相關(guān)材料如圖4所示，從左至右依次為鍍錫銅編織帶、合金接觸片、不銹鋼卡箍、拉鏈熱縮管、柔性密封高聚物膠A、柔性密封高聚物膠B。

圖4 冷連接工藝所需材料

柔性密封高聚物膠A組分的合成方式如下：將脫水后的多元醇和異氰酸酯按反應(yīng)產(chǎn)物NCO含量為5%～10%的比例，加入反應(yīng)釜中，加入0.01%～0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的催化劑，開(kāi)啟攪拌，75～85 ℃下反應(yīng)3～4 h，如果反應(yīng)產(chǎn)物黏度過(guò)大，可加入適量的溶劑稀釋。反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，加入5%～20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的小料和50%～80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的導(dǎo)電炭黑，攪拌至均勻。

柔性密封高聚物膠B組分的合成方式如下：按A組分中的NCO含量設(shè)計(jì)B組分中交聯(lián)劑的含量，使得A中NCO含量∶B中交聯(lián)劑OH含量=1.05∶1～1.15∶1。將設(shè)計(jì)好的交聯(lián)劑和0.001%～0.01%的催化劑放入溶劑中攪拌至完全溶解。

按A中NCO含量∶B中交聯(lián)劑OH含量=1.1∶1的比例稱量出A、B膠，充分混合后倒入模具內(nèi)，澆注成型。澆注樣品3 h后脫模，于(23±2) ℃的環(huán)境下放置24 h，再在(65±2) ℃的烘箱中放置16 h，使固化徹底，澆注試樣性能穩(wěn)定。

澆注試樣分別進(jìn)行以下測(cè)試。

(1)拉伸試驗(yàn)：按GB/T 2951.11—2008的要求，將澆注試樣用4 mm×75 mm啞鈴刀沖切成啞鈴片，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為(250±50) mm·min-1。

(2)硬度試驗(yàn)：按照GB/T 2411—2008的要求，測(cè)試邵氏A硬度。

(3)抗撕試驗(yàn)：按照J(rèn)B/T 10696.7—2007的要求進(jìn)行試驗(yàn)。

(4)半導(dǎo)電體積電阻率：按照J(rèn)B/T 10738—2007的要求，分別測(cè)試原始樣品20 ℃和90 ℃，以及老化試驗(yàn)后樣品90 ℃下的體積電阻率。

(5)氧指數(shù)：按照GB/T 10707—2008的要求進(jìn)行試驗(yàn)。

(6)剝離強(qiáng)度：將混合均勻的A、B膠澆注在寬度為20 mm的金屬(不銹鋼)模具內(nèi)，完全固化后參照GB/T 12706.2—2020中絕緣屏蔽剝離的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試，剝離速率為(250±50) mm·min-1。

固化后的高聚物材料基本性能檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 基本性能檢測(cè)結(jié)果

2.2 冷連接工藝步驟

在電纜固定、尾管位置固定、去除瀝青等準(zhǔn)備工作完成后，再進(jìn)行以下施工步驟。

(1)沿尾管底部纏繞1根合金接觸片，臨時(shí)使用PVC帶固定，如圖5所示。

圖5 尾管合金接觸片固定

(2)沿鋁護(hù)套上部纏繞1根合金接觸片，與尾管底部合金接觸片距離10 cm，臨時(shí)使用PVC帶固定，如圖6所示。

(3)使用第1個(gè)不銹鋼卡箍將合金接觸片與4條銅編織帶固定在電纜尾管上，如圖7所示。

圖7 卡箍固定尾管處合金接觸片與銅編織帶

(4)使用第2個(gè)不銹鋼卡箍將合金接觸片與4條銅編織帶固定在電纜鋁護(hù)套上，如圖8所示。

圖8 卡箍固定鋁護(hù)套處合金接觸片與銅編織帶

(5)通過(guò)不斷敲擊與緊固的方式扎緊2根不銹鋼卡箍，如圖9所示。

圖9 敲擊緊固不銹鋼卡箍

(6)將柔性密封高聚物膠A、柔性密封高聚物膠B進(jìn)行攪拌混合，如圖10所示。

圖10 攪拌混合柔性密封高聚物膠A與B

(7)將混合后的柔性密封高聚物膠進(jìn)行模塑澆注并固化成型，如圖11所示。

圖11 模塑澆注及固化成型

(8)收縮拉鏈熱縮管，如圖12所示。

圖12 收縮拉鏈熱縮管

3 冷連接工藝論證與分析

為驗(yàn)證文中提出的冷連接工藝的可行性和實(shí)用性，設(shè)計(jì)了氣密性試驗(yàn)裝置，如圖13所示。從1的方向向裝置內(nèi)注入氣體，為測(cè)試外部氣密性，從2的方向向裝置內(nèi)注入氣體，為測(cè)試內(nèi)部氣密性，規(guī)定外部氣密性測(cè)試壓力為0.5 MPa，15 min，內(nèi)部氣密性測(cè)試壓力為0.2 MPa，15 min后升壓至0.5 MPa。

為了模擬測(cè)試本工藝的耐老化能力和抗拉伸沉降能力，設(shè)定空氣老化、高低溫循環(huán)和滑脫力試驗(yàn)3個(gè)場(chǎng)景。

圖13 氣密性試驗(yàn)裝置

3.1 空氣老化前后氣密性試驗(yàn)

如圖14所示，將原始模擬裝置進(jìn)行氣密性測(cè)試，原始樣品未出現(xiàn)漏氣；將模擬裝置在100 ℃烘箱內(nèi)老化168 h，然后進(jìn)行氣密性測(cè)試，老化后樣品也未出現(xiàn)漏氣，如圖14所示。

圖14 空氣老化前后氣密性試驗(yàn)照片

表2 3種密封工藝對(duì)比

3.2 高低溫循環(huán)后氣密性試驗(yàn)

將模擬裝置進(jìn)行高低溫循環(huán)試驗(yàn)：100 ℃，高溫處理12 h；-40 ℃，低溫處理12 h；以上為一個(gè)循環(huán)，共進(jìn)行10個(gè)循環(huán)，如圖15所示。試驗(yàn)后進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，高低溫循環(huán)試驗(yàn)后樣品未出現(xiàn)漏氣，如圖15所示。

圖15 高低溫循環(huán)后樣品氣密性試驗(yàn)照片

3.3 滑脫力試驗(yàn)

為了驗(yàn)證抗拉伸沉降能力，將鋁護(hù)套和尾管以50 mm·min-1的速度拉拔兩次，均未使鋁護(hù)套和尾管完全拉開(kāi)，最大拉伸力為6 837 N(未拉開(kāi))，測(cè)試結(jié)果如圖16所示。

圖16 滑脫力試驗(yàn)照片和力-位移曲線

由試驗(yàn)結(jié)果可知，這3項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到了檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求，本工藝的可行性得到試驗(yàn)保證。

4 對(duì)比傳統(tǒng)工藝

將傳統(tǒng)工藝(搪鉛和環(huán)氧玻璃絲帶密封工藝)與本工藝從工藝時(shí)耗、技能培訓(xùn)、經(jīng)濟(jì)成本、適用環(huán)境、環(huán)保性等方面進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。3種密封工藝特性比較的雷達(dá)分析見(jiàn)圖17。

圖17 3種密封工藝對(duì)比雷達(dá)分析圖

(1)工藝時(shí)耗。從密封工藝的復(fù)雜程度來(lái)看，搪鉛工藝是借助燃燒器的火焰，在封鉛焊料呈半固體狀態(tài)下，通過(guò)手工加工成型，從而形成金屬密封結(jié)構(gòu)，安裝工藝復(fù)雜，故而安裝時(shí)間較長(zhǎng)。環(huán)氧玻璃絲帶密封工藝是涂料組合調(diào)配和帶材繞包的固化密封過(guò)程，工藝流程中存在較長(zhǎng)的等待時(shí)間，故安裝耗時(shí)最久。本工藝安裝簡(jiǎn)便，無(wú)需特殊工具及步驟，故而安裝時(shí)間最短，可以大大縮短附件安裝工期。

(2)技能培訓(xùn)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，電纜故障中有近70%的故障是由于安裝工藝不良造成的，并且在這些故障中，搪鉛工藝質(zhì)量差占安裝工藝不良的大多數(shù)。由于搪鉛工藝需要將封鉛燒熔后重新手工塑形固化，全程高溫動(dòng)火作業(yè)，對(duì)于人員技能要求極高，極易因?yàn)闇囟冗^(guò)高而對(duì)電纜的半導(dǎo)電層和絕緣層造成損傷，施工質(zhì)量得不到有效保證。其次搪鉛工作需要進(jìn)行大量技能培訓(xùn)及相應(yīng)的資質(zhì)考核。環(huán)氧玻璃絲帶密封工藝對(duì)于帶材繞包有一定的工藝要求，安裝人員也需進(jìn)行一定的技能培訓(xùn)。本工藝對(duì)安裝人員沒(méi)有特殊的技能要求，稍加培訓(xùn)便可以操作。

(3)經(jīng)濟(jì)成本。以制作單相220 kV 1 000 mm2交聯(lián)電纜為例進(jìn)行計(jì)算，由于本工藝的耗材多為進(jìn)口材料，故耗材成本相對(duì)最高，搪鉛工藝次之，環(huán)氧工藝最低。

(4)適用環(huán)境。金屬鉛雖然展性好但延性小，抗拉強(qiáng)度不夠，因此沉降頻發(fā)地不太適用搪鉛密封；而鉛的金屬活潑性不強(qiáng)也不溶于水，因此在潮濕多雨的環(huán)境中可以使用。環(huán)氧樹(shù)脂不增韌時(shí)，固化物一般偏脆，抗剝離、抗開(kāi)裂、抗沖擊性能差，因此沉降多發(fā)地也不太適用環(huán)氧玻璃絲帶密封；同時(shí)玻璃絲帶自身不防水，且環(huán)氧膠長(zhǎng)期浸泡于水中存在膨脹變軟的可能性，因此也不適用于潮濕多雨的環(huán)境。本工藝不存在虛焊夾生的情況，抗拉力強(qiáng)，同時(shí)使用熱縮管加防水帶密封，能有效防止潮氣侵入造成鋁護(hù)套氧化，因此本工藝的環(huán)境適用性更高。

(5)環(huán)保性。由于搪鉛是全程動(dòng)火作業(yè)，且鉛具有一定毒性，所以環(huán)保性較差。環(huán)氧樹(shù)脂具有毒性，使用時(shí)要極其注意通風(fēng)并采取有效的防毒措施，因此環(huán)保性最差。本工藝除收縮熱縮管外不需要?jiǎng)踊?，且耗材均為環(huán)保材料，因此環(huán)保性最優(yōu)。

5 結(jié)語(yǔ)

相比于現(xiàn)有的搪鉛、環(huán)氧玻璃絲帶等高壓電纜尾管密封工藝，本文提出的新型工藝在安裝操作上更便捷、更安全、更環(huán)保，并且使用壽命更長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)于安裝人員的技能要求較低。此外，該工藝解決了動(dòng)火作業(yè)時(shí)對(duì)電纜本體的灼傷、尾管內(nèi)不同金屬間產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕、電纜絕緣屏蔽與金屬護(hù)套之間潮氣侵入等多個(gè)傳統(tǒng)工藝會(huì)遇到的問(wèn)題。將該工藝投入運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)工作中，可以提升附件安裝效率和質(zhì)量，縮短安裝工期，減少故障發(fā)生的頻次。