基于復(fù)合阻燃材料的加油站三次油氣回收系統(tǒng)線纜接頭改造技術(shù)研究

何佳林 萬 黎 王慶龍

（1.中電建路橋集團西部投資發(fā)展有限公司，四川 成都 610213；2.四川渝蓉石化能源有限公司，四川 成都 610015）

0 引言

電纜接頭在電力線路敷設(shè)中具有重要作用，它可用于線路長度的接續(xù)以及線路的交叉互聯(lián)，其連接質(zhì)量的優(yōu)劣也關(guān)系到線路的安全運行。接頭處發(fā)熱引起的火災(zāi)是電纜線路敷設(shè)中最頻發(fā)的安全事故，主要是由電纜連接不規(guī)范造成局部電阻驟增所引發(fā)?；诖耍撐耐ㄟ^降低銅管壓接電阻，并增大線芯與銅管接觸面積的方式來減少電阻的增加，進而達到降低接頭發(fā)熱的目的。同時通過運用復(fù)合阻燃抗電弧材料層來降低明火及電弧對電纜接頭的影響。

1 中間接頭發(fā)熱風(fēng)險分析

加油站三次油氣回收系統(tǒng)是川渝地區(qū)正在推廣的主要油氣回收技術(shù)，相較于兩次油氣回收，油氣回收效率更高、安全風(fēng)險更小。在加油站建設(shè)及三次油氣回收運營期間，難免會涉及電纜接頭處理的問題。傳統(tǒng)的線纜接頭處理方式為將接頭兩端線纜外部絕緣保護皮環(huán)切，露出導(dǎo)電線纜，再將線纜兩端插入壓線帽中，用壓線鉗壓緊，最后在接頭處綁纏絕緣膠帶。在加油站油氣回收日常的運營過程中，此種接頭處理方式使用性能較差，電纜接頭氣密性及水密性不佳，接頭易氧化，造成電阻增大、發(fā)熱增加，無法保證加油站的安全營運。

電纜電阻會隨溫度上升而增大，其變化規(guī)律因電纜線芯所用材料的差異而出現(xiàn)不同的變化程度，均受線芯材料受電阻溫度系數(shù)的影響，如公式（1）所示[1]。

式中：TCR為電阻隨溫度變化系數(shù)；R1為銅導(dǎo)線在T1=20℃時電阻，取值0.0175Ω；R2為銅導(dǎo)線在T2=75℃時電阻，取值0.0217Ω；ΔT為溫度變化，取值為ΔT=T2-T1。

以截面積為1mm2的銅導(dǎo)線為例，按公式（1）計算得到銅芯線的電阻溫度系數(shù)為0.0044℃-1，并由公式（1）可反推出銅芯線電阻的變化規(guī)律，如公式（2）所示。

加油站的供電電壓為380V/220V，由公式（2）可知，電纜接頭處的溫度上升會直接造成接觸電阻增加。根據(jù)焦耳-楞次定律Q=I2Rt可知，發(fā)熱量與電纜接頭電阻值、導(dǎo)通電流的平方成正比。接頭處電阻增大，且要保證導(dǎo)通的電流正常，因此會造成接頭處電壓降突增，進而造成接頭處發(fā)熱增加。

2 復(fù)合式阻燃抗電弧電纜接頭

傳統(tǒng)處理電纜接頭制作質(zhì)量差，使用耐久性不佳，在接頭處易出現(xiàn)電阻增大、發(fā)熱增加的情況。川渝地區(qū)加油站升級改造三次油氣回收系統(tǒng)的過程中采用了一種復(fù)合式阻燃抗電弧電纜接頭來代替?zhèn)鹘y(tǒng)電纜接頭處理方式，如圖1所示。電纜接頭由銅管接頭+絕緣環(huán)氧樹脂層+絕緣氣密液體膠+防火抗電弧結(jié)緣膠組成，能提高電纜接頭制作質(zhì)量，延長使用耐久性，減少發(fā)熱，降低電阻增加。

圖1 電纜接頭截面

首先，銅連接管用作連接光纜端頭的固定設(shè)備，以確保連接時所需要的質(zhì)量。它具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能、耐電化腐蝕性能和高延展性，且應(yīng)用溫度范圍廣泛。經(jīng)鍍錫處理過的銀管接頭具有抗氧化能力和阻止電離有害氣體擴散的功能。

其次，根據(jù)應(yīng)用場景配制絕緣環(huán)氧樹脂，以達到連接銅管接頭與電纜絕緣的作用。恰當(dāng)選擇配制材料，杜絕電離有害氣體污染環(huán)境，或造成接頭“鼓包”。

再次，滴注氣密阻燃液體膠，根據(jù)接頭電纜直徑選擇滴注層數(shù)，且不少于3層，以保證接頭處的氣密性及水密性。

最后，包覆防火抗電弧阻燃膠帶，3MScotchTM23#乙丙橡膠自黏帶具有極佳的從形性，無須硫化，絕緣性能穩(wěn)定，高低電壓電纜連接均可使用，最高可用于69kV高壓電纜。

3 應(yīng)用實例

目前川渝地區(qū)加油站使用的油氣回收系統(tǒng)主要是對罐車卸油過程和加油槍加油過程進行兩次油氣回收，回收效率不高且存在安全隱患。加油站油品泄露不僅污染環(huán)境，還有誘發(fā)火災(zāi)、爆炸等安全風(fēng)險，因此需要對加油站進行三次油氣回收系統(tǒng)的升級改建。因此該文以川渝地區(qū)渝蓉石化公司管理的加油站在三次油氣回收系統(tǒng)升級改建中電纜接頭的處理方式為例，介紹復(fù)合式阻燃抗電弧電纜中間接頭的安裝、應(yīng)用和實施的細節(jié)。

3.1 電纜端頭環(huán)切及接線

川渝地區(qū)的加油站內(nèi)供電電壓為380V/220V，所使用加油機的額定功率為1100W，并根據(jù)《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》要求[1]，采用截面積為2.5mm2的銅線芯電纜即可滿足電力負荷要求。電纜接頭兩端電線環(huán)切質(zhì)量會直接影響連接質(zhì)量，需要針對不同供電要求，選用合適的電纜并根據(jù)電纜規(guī)格進行標準環(huán)切接線，確保接頭安裝質(zhì)量。

電纜環(huán)切前，用直尺量出接頭兩端的環(huán)切長度并做好標記，沿標記線從最外層開始逐層環(huán)切剝離電線的絕緣保護層，尺寸誤差控制在允許的公差范圍內(nèi)，過程中注意環(huán)切下刀深度，避免傷及線芯。

線芯剝離完成后進行調(diào)直，保持外露部分不出現(xiàn)彎曲打折，在線芯連接之前將銅管接頭穿入電線一端，為下一步壓接做準備。為使接頭處電線能夠緊密連接，線芯采用插接的方式進行連接：將兩端線芯分別均勻分成3股，間隔插入絞合1/3長度，將其余部分線芯重新調(diào)直，分別均勻纏繞在剩余段線芯上，并對整改接頭進行最終調(diào)直，如圖2所示。

圖2 端頭接線示意

3.2 鍍錫銅管壓接質(zhì)量控制

銅管壓接應(yīng)主要考慮壓接密實度及平順度，平順度不佳會增加壓接電阻的產(chǎn)生，密實度則會影響使用安全性及使用壽命。因此根據(jù)具體使用要求，采用管鉗壓接應(yīng)主要控制壓接力、壓接連續(xù)性及壓接面大小。

采用壓接鍍錫銅管保護電纜接頭處線芯，其工作原理是通過對連接銅管施加壓力，使線芯與銅管緊密接觸來達到降低電阻的效果，確保額定電流的安全導(dǎo)通。對新制作的銅管壓接電纜接頭，其壓接電阻最大值不應(yīng)超過同長度電纜電阻[2]。

電纜接頭壓接電阻受壓接力及壓接接觸面影響，鍍錫銅管通過壓接處理與電纜中間接頭緊密貼合，而兩者接觸并非理想的面接觸，而是數(shù)個接觸點接觸[3]，如圖3所示，這會導(dǎo)致一旦電流通過接頭，其實際接觸面范圍小于正常電纜，有效導(dǎo)電接觸面縮小，電流發(fā)生收縮，產(chǎn)生收縮電阻，會在接觸點位上發(fā)生電流超負荷過載，如公式（3）、公式（4）所示。

圖3 銅連接管壓接剖面

式中：Rh為管體收縮電阻；ρ為電阻率；ri、rj為接觸點半徑，互不相等；dij為接觸點間距；Rf為鍍膜電阻；ρf為錫膜電阻率；δc為錫膜厚度[4]。

理論上，鍍錫銅管接觸電阻Rc可按照公式（3）、公式（4）所計算的收縮電阻及鍍膜電阻Rc=Rh+Rf進行計算，但由于整個電纜接頭處接觸點個數(shù)及接觸半徑難以確定，對接觸電阻一般按照公式（5）進行計算。當(dāng)電流流經(jīng)接頭處銅連接管時，連接管的本身電阻也會成為壓接電阻的影響因素，銅連接管本身電阻的計算如公式（6）所示，最終電纜連接處總電阻R的計算如公式（7）所示。

式中：R為電纜連接處總電阻；Rc為接觸電阻；kc為材料表面系數(shù)；F為壓接力；m為接觸系數(shù)，取值為1；Rb為管體電阻；ρb為管體電阻率；L為管體有效導(dǎo)電長度；D為管體外徑；d為管體內(nèi)徑。

由上述分析可得電纜接頭處銅連接管的壓接電阻R是由銅連接管本身電阻以及壓接接觸面產(chǎn)生的接觸電阻共同決定的，線芯與管體可直接看作面接觸，接觸系數(shù)取值為1。接觸電阻Rc隨壓接力F的變化規(guī)律如圖4所示，隨著壓接力的增大，管體與線芯接觸面積增大，接觸半徑增加，壓接電阻降低。

圖4 壓接電阻變化

3.3 環(huán)氧樹脂配制及灌注

環(huán)氧樹脂配制及灌注具體如下：

首先，配制灌注用環(huán)氧樹脂時，要求其黏度小、流動性好、固化收縮率小、揮發(fā)物少、固化快并低壓成型性好，具有優(yōu)良的電氣、力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性且工藝性好，配方設(shè)計的靈活性較大，電性能和化學(xué)穩(wěn)定性好。環(huán)氧樹脂配比見表1。

表1 環(huán)氧樹脂配比

其次，將模具嵌套于電纜線外側(cè)，使殼體完全覆蓋壓接銅管，底模緊實卡住電纜，兩者之間無縫隙?？ê弥笥孟鹉z圈纏繞殼體以緊固模具，并將配制好的環(huán)氧樹脂沿上方開孔注入模具中，直至環(huán)氧樹脂充滿模具。過程中注意控制灌注速度，并輕擊模具殼體排出空氣，保證灌注密實。環(huán)氧樹脂充滿模具后，于開孔處覆膜，防止其流出，并加熱進行固化。待環(huán)氧樹脂完全固化之后，拆除灌注模具，打磨環(huán)氧樹脂固化體表面凸起毛刺，增加表面粗糙度，便于進行下一步制作。環(huán)氧樹脂灌注及模具示意圖如圖5所示。

圖5 環(huán)氧樹脂灌注及模具示意圖

3.4 阻燃膠性能及應(yīng)用分析

作為電纜接頭的最外層結(jié)構(gòu)，阻燃抗電弧膠由液體膠+阻燃膠帶組成，除作為主要的外部阻燃層外，它還能為接頭結(jié)構(gòu)提供足夠的防護加固，確保內(nèi)層結(jié)構(gòu)不因磨損而暴露于空氣中，造成氧化。

3.4.1 性能分析

液體阻燃膠具有絕佳的耐高低溫性、絕緣性及流動性，其化學(xué)結(jié)構(gòu)為硅-氧鍵，如遇明火燃燒，會形成碳聚積層，進而形成一層阻燃的抗氧化層，燃燒也不會產(chǎn)生大量煙塵和有害氣體[5]，抗電弧膠帶同樣具有防火特性，遇明火燃燒，膠帶會發(fā)生膨脹并形成一層碳聚積物絕緣層，這層碳聚積物可以起到防止明火繼續(xù)燃燒的作用?？闺娀∧z帶應(yīng)用于固體介質(zhì)電力線纜中間接頭的母線主絕緣保護恢復(fù)，應(yīng)用電壓范圍廣，適應(yīng)600V～69000V的電壓，工作性能均表現(xiàn)出良好，不會產(chǎn)生有毒氣體。其應(yīng)急過載最高溫度可達130℃，從形性及延展性極佳，包覆不規(guī)則表面時，亦能具有優(yōu)秀的氣密及水密性能。延展拉伸至瀕臨斷裂點時，其物理性能及電氣性能也不會受拉伸程度的影響。

3.4.2 包覆應(yīng)用

液體膠涂層厚度根據(jù)線芯直徑進行涂刷，且不少于3層。上層涂刷完畢后進行低幅度升溫固化，待完全固化后，利用砂紙將涂層表面打磨粗糙并進行下一層液體膠的涂刷。重復(fù)上述流程，直至涂層厚度達到使用要求。

為使抗電弧膠帶達到最佳的從形性、氣密、水密效果，纏繞包覆電纜接頭時，將其寬度拉伸為其原始寬度的75%，使其緊密包覆于接頭處。對大直徑線芯，宜將膠帶拉伸至最大拉伸率進行包覆，這種方式不會影響其物理性能。膠帶以沿線芯方向傾斜55°連續(xù)半重疊方式進行纏繞包覆。包覆層數(shù)根據(jù)線芯直徑大小選擇，且不少于2層，上下層之間反方向進行纏繞包覆，包覆長度超出電纜接頭兩端環(huán)切線2倍膠帶寬度。纏繞包覆完成后，擠壓整個包覆節(jié)段，使膠帶層與液體膠緊密貼合，充分粘結(jié)，并用玻璃纖維帶進行接頭固定處理。

4 結(jié)論

該文通過分析電纜接頭發(fā)熱原理及復(fù)合阻燃材料的實施應(yīng)用，得出以下結(jié)論：1）電纜接頭電阻與發(fā)熱溫度變化兩者互相影響，減少發(fā)熱引起的溫度變化能有效降低電阻增加幅度，同時也不會造成溫度的驟增。2）壓接力及壓接方式對銅管壓接電阻的產(chǎn)生起決定性作用，多次連續(xù)壓接可增大壓接面接觸面積，有利于降低壓接電阻的產(chǎn)生。3）復(fù)合阻燃材料層的滴注、包覆厚度需要根據(jù)線芯直徑進行選擇，控制其氣密性、層間黏合性能有效增加復(fù)合阻燃材料層的使用性能。