大截面分割導(dǎo)體焊接及試驗驗證

葉 成, 吳小兵, 顧偉偉, 屈若琳, 曹克龍, 王佳振

(中天科技海纜股份有限公司, 南通 226010)

0 引言

隨著城市電網(wǎng)用電量需求的日益增大,對交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的傳輸容量要求也越來越高。 為了提高線路傳輸容量,交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的電壓等級和導(dǎo)體截面也越來越大。 目前,行業(yè)內(nèi)220 kV 及以上電壓等級2 500 mm2分割導(dǎo)體交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜技術(shù)已經(jīng)成熟,并得到大量應(yīng)用。 為了提高輸電線路的穩(wěn)定性、節(jié)約項目成本,減少電纜中間接頭的數(shù)量成為行之有效的解決辦法,大長度高壓電纜越來越受用戶歡迎[1]。 但是,受制于生產(chǎn)廠家分割導(dǎo)體成纜設(shè)備的限制,分割導(dǎo)體單根生產(chǎn)長度可能不滿足項目需求的長度,需要對大截面分割導(dǎo)體進行焊接。 另外,隨著高電壓大截面交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的大量應(yīng)用,電纜線路故障及采用預(yù)制式接頭或軟接頭維修的頻率也會越來越高。 本工作對2 500 mm2銅分割導(dǎo)體的焊接選型及焊接后的機械性能和電氣性能進行了試驗驗證。

1 分割導(dǎo)體的焊接選型

試驗選用2 500 mm2銅分割導(dǎo)體為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好的5+1 扇形結(jié)構(gòu)[2]。 2 500 mm2銅分割導(dǎo)體實物見圖1。

圖1 2 500 mm2 銅分割導(dǎo)體實物圖

傳統(tǒng)的高壓電纜連接方式往往采用預(yù)制式接頭,導(dǎo)體連接通常采用壓接的方式,導(dǎo)體壓接的深度和壓力難以控制,容易導(dǎo)致預(yù)制式接頭出現(xiàn)故障[3],且整個接頭外形尺寸較大,需要在電纜敷設(shè)完成后在施工現(xiàn)場安裝,增加施工周期。 高壓電纜如果采用軟接頭方式連接,導(dǎo)體焊接后的尺寸和整個軟接頭的外形尺寸與本體基本一致,軟接頭在工廠內(nèi)完成制作,不影響施工周期,但軟接頭連接后的總長度受運輸盤具裝載的單根最大長度的限制。 在實際項目中,可采用預(yù)制式接頭和軟接頭配合使用的方法,在“青龍山輸變電工程220 kV 秋藤-高旺線路工程”中已成功應(yīng)用。 預(yù)制式接頭與軟接頭對比情況見表1。

表1 預(yù)制式接頭與軟接頭對比

本工作主要對軟接頭導(dǎo)體焊接方式進行分析。行業(yè)內(nèi)常用的焊接方式有分層錯位氬弧焊、整體釬焊、爆炸焊[4]。 分層錯位氬弧焊焊接接頭長度和操作時間較長,操作過程較為繁瑣,對焊接工人技能要求高,適用于非分割圓形導(dǎo)體的焊接;整體釬焊需要在待焊接導(dǎo)體端頭處理出坡口,然后進行導(dǎo)體的整根焊接,適用于小截面圓形導(dǎo)體的焊接;大截面分割導(dǎo)體由于其獨特的結(jié)構(gòu),無法采用分層錯位氬弧焊和整體釬焊方式進行焊接,而爆炸焊對導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和截面無要求,焊接快速且操作相對簡單,適用于大截面分割導(dǎo)體的焊接。

根據(jù)2 500 mm2銅分割導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)尺寸,設(shè)計爆炸焊模具,焊接前清除股塊間的皺紋紙,并對導(dǎo)體端頭進行處理,焊接時精確控制焊藥的用量,焊接后對接頭進行打磨處理。 2 500 mm2銅分割導(dǎo)體焊接樣品見圖2。

圖2 2 500 mm2 銅分割導(dǎo)體焊接樣品

2 試驗驗證

為了驗證分割導(dǎo)體焊接后的直流電阻、抗拉強度,以及運行時對纜芯的影響,在分割導(dǎo)體樣品上焊接了3 個導(dǎo)體接頭用于直流電阻測試、1 個導(dǎo)體接頭用于抗拉強度測試。 另外,在220 kV 2 500 mm2銅分割導(dǎo)體絕緣線芯上制作了軟接頭,用于驗證纜芯通電后焊接點的溫升情況。

2.1 直流電阻試驗

為了驗證分割導(dǎo)體焊接前后電阻變化情況,試驗選取6 段分割導(dǎo)體,每段長度為2 m,其中的3 段在中間斷開,并采用爆炸焊方式制作了導(dǎo)體接頭。為了增加測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,清除了分割導(dǎo)體內(nèi)的皺紋紙,并將每段導(dǎo)體的端頭采用紫銅焊絲焊接成一個整體,減少股塊間的接觸電阻。 根據(jù)GB/T 3048—2007[5]要求,將3 段本體導(dǎo)體和3 段焊接導(dǎo)體置于20 ℃恒溫室內(nèi)靜置24 h,采用直流雙臂電橋分別測量6 段導(dǎo)體的直流電阻,其測量結(jié)果見表2。

表2 分割導(dǎo)體直流電阻測試結(jié)果

由表2 可以計算出,焊接導(dǎo)體直流電阻平均增加了5.3%。 導(dǎo)體直流電阻測量有效長度為1 m,焊接斷長度為0.05 m,假設(shè)每0.05 m 導(dǎo)體為一份獨立電阻,可推算

式中:R0為每份本體電阻,Ω;R1為接頭電阻,Ω。

將焊接導(dǎo)體樣品從焊接點解剖開,焊接斷面未發(fā)現(xiàn)氣孔、雜質(zhì)、裂紋等現(xiàn)象,焊接點橫斷面解剖情況見圖3。

圖3 焊接點橫斷面解剖情況

2.2 抗拉強度測試

測試前將分割導(dǎo)體兩個端頭固定在專門的工裝內(nèi),采用300 t 臥式拉力機進行分割導(dǎo)體(含接頭)的抗拉強度測試。 試驗選擇100 mm·min-1的位移速率進行測試,試驗裝置示意圖見圖4。

圖4 試驗裝置示意圖

導(dǎo)體斷裂時峰值力為430.27 kN,由此可換算出該分割導(dǎo)體接頭抗拉強度為172 MPa。 導(dǎo)體斷裂點見圖5。

圖5 導(dǎo)體斷裂點

由圖3、圖5 可知,焊接點橫斷面無氣孔、雜質(zhì)和裂紋等現(xiàn)象。 導(dǎo)體斷裂位置在焊接點的熱影響區(qū)范圍內(nèi),焊接點本身未發(fā)生開裂情況,結(jié)合測得的抗拉強度數(shù)值符合標(biāo)準(zhǔn)要求,驗證了該焊接方式下分割導(dǎo)體抗拉強度的可靠性。

2.3 熱循環(huán)試驗

2.3.1 試驗?zāi)康?/p>

由公式(2)可知,軟接頭焊接段的直流電阻約為本體直流電阻的兩倍,而預(yù)制式中間接頭一般采用金具壓接的方式連接兩端導(dǎo)體。 目前,尚未見有關(guān)預(yù)制式中間接頭導(dǎo)體連接電阻研究的有關(guān)報道,國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也未對大截面導(dǎo)體金具連接后的電阻有相關(guān)規(guī)定。 軟接頭處內(nèi)外屏和絕緣部分是采用與本體相同的材料進行恢復(fù)的,焊接段直流電阻偏大對電纜的影響主要體現(xiàn)在電纜運行時發(fā)熱較大,長期過負(fù)荷運行可能會導(dǎo)致軟接頭故障。 綜合考慮銅導(dǎo)體良好的導(dǎo)熱性、電纜運行時焊接段的集膚效應(yīng),采用熱循環(huán)測溫試驗驗證局部電阻變化對電纜的影響。

2.3.2 試驗方法

在220 kV 2 500 mm2銅分割導(dǎo)體絕緣線芯上制作軟接頭。 其中,導(dǎo)體焊接采用爆炸焊接方式,軟接頭焊接完成后采用穿心變壓器對回路進行感應(yīng)加熱,并在絕緣線芯本體和軟接頭中間位置分別打孔,埋設(shè)熱電偶,在線監(jiān)測導(dǎo)體本體和接頭溫度。 熱循環(huán)試驗回路示意圖見圖6。

圖6 熱循環(huán)試驗回路示意圖

試驗回路布置完成后,在室溫下靜置2 h,記錄導(dǎo)體本體測溫點和導(dǎo)體接頭測溫點溫度。 按照GB/T 18890.1—2015[6]方法,對回路進行熱循環(huán)試驗。 對纜芯進行8 h 加熱,在最后1 h 加熱時間內(nèi),維持導(dǎo)體本體溫度在89.5 ～90.5 ℃范圍內(nèi),記錄導(dǎo)體本體溫度和導(dǎo)體接頭溫度,結(jié)果見表3。

表3 熱循環(huán)試驗導(dǎo)體測溫結(jié)果℃

由表3 可以看出,熱循環(huán)試驗加熱前,本體溫度和接頭溫度基本一致,說明纜芯打孔后測溫點位置已充分冷卻至室溫,排除了環(huán)境溫度的干擾;熱循環(huán)加熱穩(wěn)定后本體溫度為90.1 ℃,接頭溫度為98.5 ℃,接頭溫度升高了9.3%。

若工程項目中含有分割導(dǎo)體接頭的電纜滿負(fù)荷運行,則分割導(dǎo)體接頭部分已過負(fù)荷運行,需要控制分割導(dǎo)體焊接的質(zhì)量,以減少焊接電阻,進而減少對電纜傳輸容量的影響。

3 結(jié)束語

本工作介紹了2 500 mm2銅分割導(dǎo)體可行的焊接方法,對比分析了預(yù)制式中間接頭和軟接頭的特點,并設(shè)計了針對導(dǎo)體焊接質(zhì)量驗證的試驗方案,從直流電阻變化、抗拉強度、運行發(fā)熱情況進行了驗證。 綜合分析,分割導(dǎo)體焊接后的直流電阻仍需要進一步優(yōu)化,根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻報道及實際工程應(yīng)用,目前分割導(dǎo)體均采用爆炸焊方式進行焊接,暫無其他較好替代方法。 因此,優(yōu)化電阻的關(guān)鍵在于提升焊粉的質(zhì)量,焊接銅材的焊粉一般為銅、氧化銅、鋁、鎂混合物。 此焊粉主要用于焊接銅板或銅棒等接地裝置。 目前,尚無專門針對電纜銅導(dǎo)體焊接用途的焊粉,希望相關(guān)焊粉廠家關(guān)注電纜銅導(dǎo)體焊接的需求,研發(fā)出低電阻率焊粉,推動電纜行業(yè)的進步,為同類產(chǎn)品焊接提供參考。