一種新型高壓電纜頭制作方法

茅雷　朱富云　陸志輝　吳國(guó)慶　譚陽(yáng)　張旭東

摘要：文章綜述了高壓電纜的結(jié)構(gòu)、高壓電纜附件的基本技術(shù)要求、高壓電纜頭制作的質(zhì)量要求，分析了常見高壓電纜故障的原因，并在此基礎(chǔ)上提出了一種將半導(dǎo)體涂覆應(yīng)用在高壓電纜頭制作上。該制作方法旨在改善高壓電纜接頭處場(chǎng)強(qiáng)分布，提高主絕緣層的絕緣性能和使用壽命，能有效提高操作人員的制作效率和電纜頭制作的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：高壓電纜頭；半導(dǎo)體涂覆；制作流程；高壓電纜故障；電力系統(tǒng)；電力設(shè)備 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM247 文章編號(hào)：1009-2374（2016）19-0014-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.19.007

隨著電力系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，高壓電纜的應(yīng)用越來越廣泛，在其鋪設(shè)過程中為了進(jìn)行電力電纜的連接，都需要制作電纜頭。與高壓電纜本體相比，在高壓電纜的整個(gè)運(yùn)行壽命中，電纜接頭是薄弱的環(huán)節(jié)。由電纜接頭導(dǎo)致的電纜故障占到了電纜故障的主要部分，且電纜接頭所處位置較特殊，排查故障往往花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，造成過高的故障診斷與維修成本。因此要使中間頭和終端頭達(dá)到質(zhì)量最優(yōu)的控制效果，高壓電纜頭的制作方法受到越來越多人的重視。

1 高壓電纜結(jié)構(gòu)

高壓電纜產(chǎn)品規(guī)格與型號(hào)眾多，按材料劃分主要有交聯(lián)乙烯絕緣電纜（XLPE）絕緣電纜、油浸紙絕緣電纜、塑料絕緣電纜、橡膠絕緣電纜等，但XLPE電纜使用最為廣泛。電力電纜結(jié)構(gòu)通常情況下主要由芯線、絕緣屏蔽層以及保護(hù)層三部分構(gòu)成，圖1是電纜結(jié)構(gòu)圖。電纜線芯采用多股圓銅線或鋁線緊壓絞合而成，外形上可分為緊壓型與非緊壓型。由于緊壓型電纜表面較為光滑、有效地避免了引起電場(chǎng)集中，同時(shí)降低水分進(jìn)入線芯造成電路短路的可能性，因而在制造過程中，一般都以緊壓型為主。絕緣屏蔽層包括主絕緣層、半導(dǎo)體屏蔽層及金屬屏蔽層（主要銅屏蔽層）。保護(hù)層包括內(nèi)襯層、鋼鎧、外護(hù)套。從圖1可以看出，保護(hù)層處于整個(gè)電纜最外圍，因而它是保護(hù)整個(gè)電纜正常工作的第一道屏障，其結(jié)構(gòu)可以根據(jù)具體使用環(huán)境采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

2 高壓電纜中間頭和終端頭制作的質(zhì)量要求

電纜終端頭是將電纜與其他電氣設(shè)備連接的部件，電纜中間頭是將兩根電纜連接，兩者統(tǒng)稱為電纜附件。電纜附件作為電纜電力系統(tǒng)供電的重要樞紐，它應(yīng)該具備與電纜本體相同的使用壽命。下面給出了電纜附件性能參數(shù)：（1）電纜中間頭聯(lián)接處電阻要盡量小且聯(lián)接處要保證穩(wěn)定，能耐受短暫大電流沖擊，聯(lián)接處電阻在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后不能超過電纜線芯本體等長(zhǎng)度電阻的1.3倍；（2）抗振動(dòng)、耐腐蝕，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)成本低、體積小，便于現(xiàn)場(chǎng)操作人員安裝；（3）電纜附件應(yīng)該具備電纜本體相同的絕緣性能，介質(zhì)損耗要低，具有應(yīng)對(duì)電場(chǎng)突變的措施。

3 高壓電纜附件基本技術(shù)要求

電纜附件作用主要是機(jī)械保護(hù)、防水、防火、耐腐蝕等。針對(duì)具體要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)層結(jié)構(gòu)，也可以根據(jù)需要進(jìn)行各種組合，因此電纜附件基本技術(shù)（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料研究）改進(jìn)也越來越受到重視。

基于上述背景，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者及企業(yè)不斷探索附件的材料優(yōu)化和結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化，如參考文獻(xiàn)[7]研究出采用注壓硫化生產(chǎn)高壓電纜附件的件的三元乙丙橡膠（EPDM）絕緣材料的配合技術(shù)，從生膠的選擇，配合劑的選用、加工注意事項(xiàng)等方面進(jìn)行了研討，總結(jié)出了一個(gè)優(yōu)化配方，所研制的EPDM絕緣材料具有優(yōu)良的物理性能和電絕緣性能，生產(chǎn)工藝性好。參考文獻(xiàn)[8]使用有限元算法實(shí)現(xiàn)了電纜附件軟件包的研制，該軟件包利用Visual Basic 6.0嵌套Fortran生成的動(dòng)態(tài)鏈接“D11”程序開發(fā)而成，軟件使得電纜附件設(shè)計(jì)人員可直觀地看出場(chǎng)強(qiáng)集中的部分，若是希望知道某一點(diǎn)的確切場(chǎng)強(qiáng)和電位，只需用鼠標(biāo)點(diǎn)擊該點(diǎn)，即可顯示該點(diǎn)準(zhǔn)確坐標(biāo)、徑向場(chǎng)強(qiáng)和確切電位，大大地提高了設(shè)計(jì)人員的效率。參考文獻(xiàn)[9]模擬電纜附件在安裝過程中由人為操作不當(dāng)導(dǎo)致，諸如刀痕、毛刺尖端、金屬顆粒懸浮等缺陷對(duì)附件電場(chǎng)分布的影響；參考文獻(xiàn)[10]至參考文獻(xiàn)[13]分析了界面壓力、粗糙度對(duì)界面介電性能的影響及應(yīng)對(duì)措施。為改善電纜電場(chǎng)分布，電纜附件在制造時(shí)，可以采用幾何結(jié)構(gòu)法、電氣參數(shù)法以及二者相結(jié)合來解決附件上應(yīng)力集中等問題；電纜附件制作時(shí)應(yīng)該盡可能地做到雜質(zhì)和空隙零出現(xiàn)、增加兩種絕緣材料界面的壓力，提高附件耐電強(qiáng)度。半導(dǎo)體屏蔽層使用是屏蔽氣息的有效措施，而且能夠改善電纜表面電場(chǎng)的分布。目前，交聯(lián)熱縮電纜附件在電力系統(tǒng)中使用最多，采用材料由聚乙烯-醋酸乙烯（EVA）及乙丙橡膠等混合物組成，該附件符合GB 11033標(biāo)準(zhǔn)，可以在55℃～140℃之間長(zhǎng)期

使用。

4 半導(dǎo)體涂覆應(yīng)用于電纜頭制作

通過對(duì)國(guó)內(nèi)近十年電纜本體、附件故障的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，電纜接頭處由質(zhì)量引起的故障超過60%。高壓電纜接頭處的故障，其中有兩類誘發(fā)因素較為常見：一類是電纜屏蔽層端口處的擊穿，破壞了主絕緣的性能；另一類是接地連接及芯線連接時(shí)不可靠帶來接觸電阻大，出現(xiàn)電流沖擊后局部過熱，降低了絕緣性能甚至破壞主絕緣的絕緣性能?，F(xiàn)有技術(shù)中采用的提高電纜頭性能的制作方法有：（1）采用幾何形狀法結(jié)合應(yīng)力管應(yīng)用減少接線端部解決電應(yīng)力集中問題，其中對(duì)應(yīng)力管包括熱縮式應(yīng)力套管、預(yù)制附件套管、冷縮式應(yīng)力套管；（2）采用專用設(shè)備提高壓件的壓接應(yīng)力，如改善壓接孔結(jié)構(gòu)、利用新型緊固件等；（3）采用新材料，利用材料配方高介電常數(shù)材料主動(dòng)緩解電場(chǎng)應(yīng)力集中。

然而由于現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)個(gè)人對(duì)內(nèi)護(hù)絕緣層幾何尺寸處理的理解不一、接頭處允許的附件尺寸不同，上述采用（1）、（2）措施所能達(dá)到的效果不可控，也達(dá)不到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文針對(duì)以上問題，提出了一種操作簡(jiǎn)便、性能可靠的應(yīng)用半導(dǎo)體涂覆的高壓電纜頭制作方法。

4.1 半導(dǎo)體涂覆電纜頭制作流程

在對(duì)高壓電纜頭的結(jié)構(gòu)與性能以及電纜頭制作時(shí)質(zhì)量要求了解后，現(xiàn)給出應(yīng)用半導(dǎo)體涂覆的高壓電纜頭制作流程如下：（1）制作環(huán)境：避開雨霧及大風(fēng)天氣，確保工作環(huán)境在2℃及以上、相對(duì)濕度低于70%、粉塵質(zhì)量濃度小于20CPM；（2）電纜附件的檢查：檢查出廠日期及包裝密閉性后，對(duì)所有電纜附件預(yù)先試裝，確認(rèn)規(guī)格與待加工電纜一致，且部件齊全；（3）剝除外護(hù)層及鎧甲：按尺寸要求剝除外護(hù)層及鎧甲，其中剝除鎧甲需順鎧甲抱緊方向，并處理鋸斷處的鎧甲毛刺；（4）內(nèi)護(hù)絕緣層處理：將電纜斷面的內(nèi)護(hù)絕緣層端部削成錐形，此錐形為反應(yīng)力錐，同時(shí)進(jìn)行拋光處理和表面清潔，然后采用硅脂潤(rùn)滑錐形界面，同時(shí)填充界面的氣隙；（5）芯線處理：將芯線斷面裁切整齊，側(cè)面用不掉毛的細(xì)布或紙清潔表面，然后涂抹導(dǎo)電膏，再預(yù)先套好一件冷縮式內(nèi)絕緣護(hù)套管、兩件應(yīng)力管后用銅接管壓接芯線、兩件熱縮式外絕緣護(hù)套管，同時(shí)用砂布對(duì)錐面進(jìn)行拋光處理并清潔表面，最后對(duì)裸露的芯線、銅接管和內(nèi)護(hù)絕緣層錐形面涂覆半導(dǎo)體材料；（6）應(yīng)力管安裝：在剝除半導(dǎo)體屏蔽層處清理加工面殘留物后涂抹硅脂，然后安裝應(yīng)力管，其中安裝應(yīng)力管與銅屏蔽層的接觸長(zhǎng)度為20～25mm；（7）電纜接地處理：對(duì)銅屏蔽層和鎧甲層去除表面氧化物后，分別焊接接地線，焊接前后均需對(duì)電纜絕緣值進(jìn)行測(cè)量，保證絕緣值高于或達(dá)到要求值，同時(shí)銅屏蔽層和鎧甲層之間保證良好絕緣；（8）縮緊護(hù)套管：對(duì)上述做好的接頭，表面涂抹硅脂，將兩件熱縮式外絕緣護(hù)套管中間交叉重疊放在接頭中間位置，然后從中間開始分別向兩側(cè)加熱收縮外絕緣護(hù)套管，擠出空氣并保證加熱均勻，最后對(duì)接頭制作區(qū)進(jìn)一步做好防潮處理。

4.2 半導(dǎo)體涂覆電纜頭制作注意事項(xiàng)

在導(dǎo)體表面涂覆一層半導(dǎo)電材料，可以形成一道內(nèi)屏蔽層，該屏蔽層與導(dǎo)體等電位并且與絕緣層良好接觸，避免在導(dǎo)體與絕緣層之間發(fā)生局部放電。以下為半導(dǎo)體涂覆的一些注意事項(xiàng)：（1）內(nèi)護(hù)絕緣層處理時(shí)，用砂布對(duì)錐面進(jìn)行拋光處理，用浸有清潔劑的不掉毛細(xì)布或紙清潔內(nèi)護(hù)絕緣表面，從絕緣端部向半導(dǎo)體單方向進(jìn)行清潔操作；（2）芯線處理時(shí)，涂覆的半導(dǎo)體材料為乙烯-醋酸乙烯酯共聚物EVA為聚合物基體、炭黑CB為主要導(dǎo)電填料、有機(jī)過氧化物為交聯(lián)劑組成的復(fù)合材料；（3）縮緊護(hù)套管時(shí)，兩件熱縮式外絕緣護(hù)套管中間交叉重疊位置不少于110mm；（4）縮緊護(hù)套管時(shí)，對(duì)接頭制作區(qū)的防潮處理，采用自黏密封帶螺旋形纏繞；（5）芯線處理時(shí)，涂覆半導(dǎo)體材料，整個(gè)涂覆外表面形成整齊圓柱形。

5 結(jié)語(yǔ)

本文綜述了高壓電纜的結(jié)構(gòu)與性能、高壓電纜附件技術(shù)要求以及電纜終端頭和中間頭的質(zhì)量要求，在此基礎(chǔ)上針對(duì)常見電纜頭故障提出了一種新的高壓電纜頭中間芯線的制作方法。該方法具有針對(duì)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便、性能可靠等特點(diǎn)，易于被現(xiàn)場(chǎng)操作技術(shù)人員掌握，從而可有效地提高電纜頭制作的質(zhì)量和操作人員的制作效率。該方法選用新型半導(dǎo)體屏蔽材料乙烯-醋酸乙烯酯共聚物EVA為聚合物基體等組成的復(fù)合材料，且對(duì)半導(dǎo)體涂覆范圍、結(jié)構(gòu)尺寸和外徑面需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了明確的設(shè)定，可有效緩解由于電纜本體屏蔽層剝離帶來的斷口處電場(chǎng)強(qiáng)集中的問題，提高了主絕緣層的絕緣性能和使用壽命。內(nèi)護(hù)絕緣層處理、芯線處理時(shí)，增加了清潔方向的規(guī)定，可減小加工碎屑的殘余，有效降低后期由于同一導(dǎo)電介質(zhì)層存在雜質(zhì)而帶來的安全隱患。芯線處理時(shí)，增加了清潔要求和加涂導(dǎo)電膏的要求，可以增加芯線和銅接管的有效解除面積，降低接觸電阻，減少由此引起的局部發(fā)熱對(duì)主絕緣的破壞。

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作者簡(jiǎn)介：茅雷（1973-），男，南通供電公司高級(jí)工程師，研究方向：電力系統(tǒng)及自動(dòng)化技術(shù)；朱富云（1957-），男，南通供電公司高級(jí)技師，高級(jí)工程師，蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院產(chǎn)業(yè)教授，在讀博士，研究方向：電力系統(tǒng)、智能機(jī)器人技術(shù)；陸志輝（1956-），男，南通供電公司高級(jí)技師，研究方向：電力系統(tǒng)技術(shù)；吳國(guó)慶（1957-），男，南通大學(xué)電氣工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向：機(jī)電一體化、智能微網(wǎng)控制。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）