中壓交聯(lián)電纜熱縮附件的特性及應(yīng)用

苗付貴 閻孟昆 付 平 韓衛(wèi)京 侯曉娜

（中國(guó)電力科學(xué)研究院電力工業(yè)電氣設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，武漢 430074）

中壓交聯(lián)電纜熱縮附件由于材料性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便等特點(diǎn)，深受廣大用戶歡迎[1]，后由于冷縮附件的出現(xiàn)，熱縮電纜附件使用量逐漸減少，但因?yàn)閮r(jià)格便宜，在國(guó)內(nèi)仍有一定市場(chǎng)。熱縮材料又稱為高分子形狀記憶材料，主要是利用結(jié)晶或半結(jié)晶的線性高分子材料經(jīng)高能射線照射或化學(xué)交聯(lián)后成為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而具有形狀“記憶效應(yīng)”的新型高分子功能材料[2-5]。交聯(lián)高分子在高彈態(tài)間具有彈性，施加外力拉伸或擴(kuò)張后，驟冷使其維持該狀態(tài)，材料雖經(jīng)擴(kuò)張形變但具有“記憶效應(yīng)”，當(dāng)溫度升高到軟化點(diǎn)以上，形變馬上消除，立即恢復(fù)到原來(lái)的形狀。利用該原理可以制造出擴(kuò)張倍率大，質(zhì)量容易控制的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)熱縮附件制造商很多，有些技術(shù)實(shí)力欠缺，雖然產(chǎn)品價(jià)格便宜，但其質(zhì)量和可靠性差，為電網(wǎng)安全帶來(lái)不穩(wěn)定因素。本文闡述了應(yīng)力管對(duì)電纜斷口電場(chǎng)處理的原理，介紹了熱縮附件的結(jié)構(gòu)特征，在制造過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題，用戶如何選型及安裝操作要點(diǎn)。

1 熱縮附件的結(jié)構(gòu)特征及基本要求

1.1 熱縮終端頭結(jié)構(gòu)基本要求

1）熱縮終端頭主要由外絕緣管、應(yīng)力管、分支套、雨裙等部件以及與其配套的填充膠、密封膠等材料構(gòu)成。

2）熱縮終端頭各部件搭接部位必須具有良好的防潮密封措施。

3）三芯電纜熱縮終端頭金屬屏蔽、鎧裝或金屬護(hù)套必須接地良好。接地引出線截面不應(yīng)小于表1的規(guī)定。

表1

1.2 塑料絕緣電纜熱縮接頭結(jié)構(gòu)基本要求

1）熱縮接頭應(yīng)確保電纜各組成部份如導(dǎo)體、絕緣、屏蔽、內(nèi)襯層、護(hù)套等各部份的接續(xù)、恢復(fù)和加強(qiáng)。

2）熱縮接頭的附加絕緣厚度不得小于電纜工廠絕緣厚度的1.5 倍，附加絕緣熱縮管的層數(shù)對(duì)10kV及以下的電纜接頭不宜多于二層，對(duì)35kV 級(jí)電纜接頭不宜多于三層。附加絕緣與電纜本體絕緣間的接觸應(yīng)緊密。

3）熱縮接頭結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮擠出絕緣在運(yùn)行中產(chǎn)生縱向回縮導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生間隙的防范措施。

4）接頭兩邊電纜銅屏蔽、鎧裝應(yīng)分別連接不得中斷，恢復(fù)銅屏蔽應(yīng)采用軟質(zhì)銅編織帶(網(wǎng))，確保和各相絕緣外屏蔽接觸，兩端與電纜銅帶連接。

1.3 熱縮管件及其配套用膠的技術(shù)要求

1）熱縮管件外觀應(yīng)平整、光滑、無(wú)可見(jiàn)氣泡、雜質(zhì)，表面斑痕缺陷面積應(yīng)不超過(guò)部件總面積的2%。

2）熱縮管件的收縮溫度應(yīng)為120～140℃。

3）熱縮管件收縮前壁厚的不均勻度小于30%。

4）熱縮管件收縮前后長(zhǎng)度的變化率小于±5%。

5）熱縮管件在熱沖擊下應(yīng)不淌流，不開(kāi)裂。

6）熱縮管件在限制性收縮時(shí)不得開(kāi)裂，在正常使用范圍和操作下不得開(kāi)裂。

7）熱縮附件用熱縮材料的物理、機(jī)械和電氣性能應(yīng)符合表2規(guī)定[6]。

表2 熱縮附件用熱縮材料的物理、機(jī)械和電氣性能要求

2 熱縮附件的電場(chǎng)處理

2.1 電纜終端的電場(chǎng)分布如圖1所示，絕緣和金屬護(hù)套斷口處電場(chǎng)強(qiáng)度為

其中，U0為導(dǎo)體與金屬套間電壓，kV； vε 為絕緣層介電常數(shù)；mε為周圍媒質(zhì)介電常數(shù)；Re為等效半徑，m；l為絕緣端部到絕緣屏蔽斷口間長(zhǎng)度，m；K 為與周圍媒質(zhì)和絕緣層表面有關(guān)的常數(shù)。

因此增加等效半徑Re、介電常數(shù) mε和表面電容可以降低屏蔽斷口處電場(chǎng)強(qiáng)度[7]。

2.2 熱縮附件的電場(chǎng)處理

圖1 電纜終端電場(chǎng)分布

熱縮附件就是利用增加屏蔽斷口處周圍媒質(zhì)介電常數(shù)的原理來(lái)均勻電場(chǎng)，即用高介電常數(shù)的應(yīng)力 管。其原理是增大屏蔽末端絕緣表面電容（Cs)，從而降低這部分的容抗，也能使電位降下來(lái)，容抗減小會(huì)使表面電容電流增加，但不會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱，由于電容正比于材料的介電常數(shù)，也就是說(shuō)要想增大表面電容，可以在電纜屏蔽末端絕緣表面附加一層高介電常數(shù)的材料。一般這些應(yīng)力控制材料的介電常數(shù)都大于20～30，體積電阻率為（108～1012）Ω·cm。應(yīng)力控制材料的應(yīng)用，要兼顧應(yīng)力控制和體積電阻率兩項(xiàng)技術(shù)要求。雖然在理論上介電常數(shù)是越高越好，但是介電常數(shù)過(guò)大引起的電容電流也會(huì)產(chǎn)生熱量，促使應(yīng)力控制材料老化。同時(shí)應(yīng)力控制材料作為一種高分子多相結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，在材料本身配合上，介電常數(shù)與體積電阻率是一對(duì)矛盾，介電常數(shù)做得越高，體積電阻率相應(yīng)就會(huì)降低，并且材料電氣參數(shù)的穩(wěn)定性也常常受到各種因素的影響，在長(zhǎng)時(shí)間電場(chǎng)中運(yùn)行，溫度、外部環(huán)境變化都將使應(yīng)力控制材料老化，老化后的應(yīng)力控制材料的體積電阻率會(huì)發(fā)生很大的變化，體積電阻率變大，應(yīng)力控制材料成了絕緣材料，起不到改善電場(chǎng)的作用，體積電阻率變小，應(yīng)力控制材料成了導(dǎo)電材料，使電纜出現(xiàn)故障。這就是應(yīng)用應(yīng)力控制材料改善電場(chǎng)的熱縮式電纜附件只能用于中壓電力電纜線路和熱縮式電纜附件經(jīng)常出現(xiàn)故障的原因所在。這兩個(gè)條件要同時(shí)滿足是比較困難的，參數(shù)受每道生產(chǎn)工序影響都很大，對(duì)材料配方、共混、造粒、直到擠塑等工藝均有較苛刻的要求。

3 熱縮附件的型式試驗(yàn)

型式試驗(yàn)[8]主要是對(duì)新型式產(chǎn)品在大量生產(chǎn)使用前所做的試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)型式試驗(yàn)證明該產(chǎn)品能滿足運(yùn)行提出的性能要求，或經(jīng)過(guò)型式試驗(yàn)可以在較短時(shí)間確定新產(chǎn)品相對(duì)老產(chǎn)品的相對(duì)質(zhì)量和新產(chǎn)品的壽命。除非產(chǎn)品的材料、工藝或設(shè)計(jì)有變化并可能影響其性能，產(chǎn)品型式試驗(yàn)不必重復(fù)。熱縮附件完成設(shè)計(jì)和制造后需要根據(jù)GB/T12706.4—2008規(guī)定的型式試驗(yàn)（見(jiàn)表3）來(lái)驗(yàn)證其是否滿足使用要求[12]。比如附加絕緣熱縮管，若彈性不夠，在試驗(yàn)電壓下，即使試樣局放初始值很小或無(wú)局放，經(jīng)過(guò)負(fù)荷循環(huán)試驗(yàn)后，界面處形成間隙，局放會(huì)明顯增加。再如用多層熱縮管構(gòu)成接頭絕緣，由于層間界面多，局放試驗(yàn)也往往不能合格。根據(jù)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，由于應(yīng)力管控制結(jié)構(gòu)對(duì)參數(shù)配置、制造工藝和安裝工藝要求苛刻，國(guó)內(nèi)目前只有少數(shù)幾家制造商的10kV 及20kV 熱縮附件嚴(yán)格通過(guò)了型式試驗(yàn)，35kV熱縮附件還沒(méi)有廠家能通過(guò)型式試驗(yàn)，甚至國(guó)外知名制造商的35kV 熱縮附件也不能順利通過(guò)，主要集中在局部放電試驗(yàn)項(xiàng)目不合格。據(jù)了解，幾個(gè)國(guó)內(nèi)知名的熱縮附件制造商正在致力于研究解決35kV 熱縮附件的局放問(wèn)題。

表3 熱縮附件型式試驗(yàn)項(xiàng)目和要求

4 熱縮附件的安裝要點(diǎn)

4.1 安裝條件

上，相對(duì)濕度70%以下。因?yàn)樵诩訜岷婵緹峥s管外壁時(shí)，管內(nèi)空氣溫度升高，但電纜絕緣表面仍處于較低溫度，高溫高濕的氣體遇到冷表面物體時(shí)若低

熱縮附件安裝一般規(guī)定要求在環(huán)境溫度0℃以于其露點(diǎn)溫度，水分就會(huì)在冷表面物體上凝結(jié)，而此時(shí)收縮熱縮管，就會(huì)把凝結(jié)有潮氣的絕緣表面包覆在里面，嚴(yán)重影響安裝質(zhì)量。

通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)證明，不同環(huán)境溫度和相對(duì)濕度下凝結(jié)條件可用圖2中曲線表示。從圖2可以看出：

1）相對(duì)濕度70%以下，環(huán)境溫度0℃（甚至-10℃），無(wú)凝結(jié)現(xiàn)象。

2）相對(duì)濕度80%，環(huán)境溫度高于20℃時(shí)，無(wú)凝結(jié)現(xiàn)象，低于10℃時(shí)，有凝結(jié)現(xiàn)象。

3）相對(duì)濕度90%以上，一般均會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)現(xiàn)象。

4）在同樣濕度下，被包覆物與管內(nèi)的溫差小，不易產(chǎn)生凝結(jié)。

圖2 結(jié)露與相對(duì)濕度和溫度的關(guān)系

因此在濕度大溫度低安裝熱縮附件時(shí)一定要注意界面凝結(jié)潮氣問(wèn)題，解決的方法是預(yù)熱電纜表面，溫度提高到50～60℃，基本上就不會(huì)產(chǎn)生水分凝結(jié)現(xiàn)象[9]。

4.2 安裝操作要點(diǎn)

1）用刀剝除半導(dǎo)電層時(shí)，下刀2/3 深，不能傷及電纜主絕緣層?？v向切2～3 刀，不能留下刀痕。撕半導(dǎo)電層接近環(huán)切口時(shí)，沿圓周方向撕去，注意不能使斷口處屏蔽有縫隙。用專用砂紙打磨光滑絕緣表面，用清潔劑從絕緣端往屏蔽斷口單方向擦拭。[10]

2）為了使應(yīng)力管充分發(fā)揮均勻場(chǎng)強(qiáng)的作用，必須確保應(yīng)力管無(wú)氣隙地和屏蔽

緊密接觸。屏蔽斷口需用應(yīng)力疏散膠填充，若直接套裝應(yīng)力管，必然在斷口處形成氣隙，發(fā)生局部放電[11]。圖3是10kV 熱縮終端有無(wú)填充應(yīng)力疏散膠的局放試驗(yàn)對(duì)比圖。

3）對(duì)于接頭，絕緣端部應(yīng)按照說(shuō)明書尺寸要求削反應(yīng)力錐（即鉛筆頭），因?yàn)殄F面的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于絕緣端部直角邊的長(zhǎng)度，因此沿錐面的切向場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)小于絕緣端部直角邊的切向場(chǎng)強(qiáng)，降低沿錐面發(fā)生擊穿的可能。

圖3 應(yīng)力疏散膠對(duì)局放的影響

4）開(kāi)始加熱收縮管件時(shí)，要將火焰緩慢接近材料，在其周圍移動(dòng)，確保徑向收縮均勻后再緩慢延伸，將火焰朝向收縮方向，以便預(yù)熱管材收縮均勻，應(yīng)遵循工藝中推薦的起始收縮部位和方向，由下往上收縮以有利于排除氣體和密封[12]。

5）銅屏蔽和鎧裝必須良好接地，避免三相不平衡運(yùn)行時(shí)金屬屏蔽端部產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，甚至發(fā)生“打火”現(xiàn)象，燃燒護(hù)套或使電纜擊穿引起事故，實(shí)踐證明，類似事故時(shí)有發(fā)生。

6）收縮完全的管子應(yīng)光滑無(wú)皺折，能清晰看出內(nèi)部結(jié)構(gòu)輪廓，密封部位應(yīng)有少量膠擠出，以表明密封完善，確保防水性。

5 結(jié)論

1）熱縮附件是利用增加屏蔽斷口處周圍媒質(zhì)介電常數(shù)的原理來(lái)均勻電場(chǎng)，應(yīng)力管參數(shù)控制是產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)內(nèi)目前只有少數(shù)幾家制造商的10kV 和20kV 熱縮附件嚴(yán)格通過(guò)了型式試驗(yàn)。35kV熱縮附件主要集中在局部放電試驗(yàn)項(xiàng)目不能通過(guò)。

2）縮附件在國(guó)內(nèi)仍然有一定市場(chǎng)，產(chǎn)品各個(gè)部件的配合情況及質(zhì)量是否滿足使用要求，需通過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)型式試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。安裝技術(shù)是熱縮附件非常重要的環(huán)節(jié)，要注意安裝的環(huán)境條件和操作要點(diǎn)。

[1] 彭智.中壓電力電纜附件的性能比較[J].科技資訊,2008,34.

[2] 趙富強(qiáng),宮厚達(dá),張予臨. 熱縮電纜附件的應(yīng)用及探討[J].電工技術(shù),2001,10(1):62.

[3] 盧星辰.中壓電纜冷熱縮相結(jié)合終端的成型理論及模具設(shè)計(jì)[D].吉林：長(zhǎng)春理工大學(xué),2012.

[4] 李志勇.各型電纜附件的特點(diǎn)及應(yīng)用[J].四川兵工學(xué)報(bào),2008,29(1):2.

[5] 陳羽中.熱縮型電力電纜附件的技術(shù)與應(yīng)用[J].絕緣材料,2002(2):35.

[6] DL 413—91 35kV 及以下電力電纜熱縮型附件應(yīng)用技術(shù)條件[S].

[7] 劉子玉,王惠明.電力電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].西安：西安交通大學(xué)出版社,1995.

[8] GB/T 12706.4—2008 額定電壓 1kV(Um=1.2kV)到 35kV(Um =40.5kV)擠包絕緣電力電纜及附件 第 4 部分：額定電壓 6kV(Um =7.2 kV)到 35 kV(Um =40.5 kV)電力電纜附件試驗(yàn)要求[S].

[9] 袁淳智.10kV 交聯(lián)聚乙烯電纜熱縮接頭[C].武漢:全國(guó)第四次電力電纜運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)論文集,1992: 106-107.

[10] 王偉,李云財(cái).交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電力電纜技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[11] 劉剛,陳志娟.10kV 交聯(lián)聚乙烯電纜終端主絕緣含空氣氣隙缺陷試驗(yàn)[J]. 高電壓技術(shù),2012,38(3),171-176

[12] 唐益民,李建安.淺談10kV 交聯(lián)聚乙烯熱縮電纜頭的安裝[J].山西建筑,2008,34(16).