電纜壓接性能測試系統設計及實驗

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(國網河北省電力有限公司電力科學研究院，河北 石家莊 050021)

0 引言

電纜接頭壓接質量在很大程度上決定了電纜線路能否安全運行[1]。電纜線芯連接主要采用2種方式，即焊接和壓接。其中焊接方式對工藝的要求較高，所以目前通常采用壓接方式來實現電纜芯的連接[2]。

而電纜中間接頭壓接電阻大小與連接管尺寸、材質及安裝制作工藝等密切相關[3-4]。電纜需具備以下電器性能，電纜中間接頭壓接電阻不應大于同長度電纜電阻的1.2倍，新制作的電纜中間接頭的壓接電阻不應大于同長度電纜電阻的1倍[5]。根據國家標準，電纜經壓接與導體連接做成接頭后，其機械性能應滿足的需求為：機械試驗中，銅材料的拉力負荷為60 N/mm2(最大值為20 000 N)，接頭承受上述的拉力負荷時，于1 min內壓接處不發生滑移[6]。目前，工業實際上的壓接制作過程缺乏對電纜性能的保證，多數為依據制作者的經驗與技術水平進行操作，導致接頭的制作存在很多問題[7]。

因此，針對電纜中間接頭的電力及機械性能要求，設計了一套測試系統，用于研究及分析電纜壓接方式中施力大小、施力方式、壓痕數量和壓接位置等因素對其性能的影響。以得到可供壓接制作過程參考的標準，并且為自動壓接設備的設計提供實驗依據。

1 壓接性能測試系統

基于工業上對電纜壓接產品所制定的標準，包括抗拉強度以及直流電阻的合格指標，提出了一套測試系統，用于研究電纜壓接過程中的各特征指標的變化，以及提供對各性能變化機理的研究依據。

本文提出的電纜壓接測試系統如圖1所示。加壓單元的標稱最大輸出壓力為100 kN。加壓單元上方氣缸處連接有比例閥，可通過調節比例閥來對加壓單元的最大輸出壓力進行調節，最大輸出壓力的調節范圍為0到加壓單元所能輸出的最大壓力值。在加壓單元下底板處設計并安裝有電纜支撐平臺，用于固定下半壓接模具，并且安裝有電纜支撐裝置和平移導軌，用于固定實驗電纜以及在改變壓痕時用于以精確長度移動電纜。

圖1 電纜壓接性能測試系統

加壓單元上平臺可在加壓時下降，在上平臺設計并安裝有壓接模具的固定裝置，固定有上半壓接模具，并將固定裝置通過壓力傳感器與加壓單元的上平臺相連。

加壓單元后設計有壓力控制系統、運動控制系統及測量采集系統。壓力控制系統通過控制器給比例閥相應的控制信號，起到調節加壓單元輸出壓力的功能。運動控制系統對加壓單元的運動動作進行控制，測量采集系統利用傳感器對實驗數據進行采集，以及上傳上位機進行儲存。

測量采集系統中，壓力傳感器精度為200 N(量程為200 000 N)，通過采集其輸出的模擬量信號，用于實時測量壓接過程中的壓接力的大小及變化。上平臺的固定裝置中安裝有激光位移傳感器，精度為20 μm，采集其輸出的模擬量信號，用于實時測量壓接實驗中上半壓接模具的移動距離，從而間接表現出電纜壓接處的變形量，為電纜壓接中性能變化的機理性分析提供實驗依據。

2 實驗系統控制與實現

2.1 基于STM32的控制系統

在加壓單元上，設計有控制液壓平臺運動的控制面板，控制面板上設計有“下壓氣缸上升”“下壓氣缸下壓”以及“下壓氣缸增壓”等按鈕，分別用來執行加壓單元上平臺上升，加壓單元上平臺下降，以及加壓單元上平臺輸出壓力。

根據系統中所設計的對電纜壓接過程的壓接力和電纜變形量的實時記錄，以對電纜壓接過程的機理分析提供實驗依據，實驗測試系統中設計有控制器，其控制器組成結構如圖2所示。壓力傳感器為毫伏級的小電壓輸出，通過放大模塊將其信號調整成0～5 V的輸出電壓，電壓值與實際壓力值成線性關系。激光位移傳感器也選擇為0～5 V的模擬量輸出模式。2路傳感器的模擬量信號均由同一AD轉換模塊轉換成數字信號，并輸入控制器核心。

圖2 控制器的結構

AD轉換模塊的型號選擇為AD7606，為8通道16位的ADC模塊，可同時以200 kHz頻率采集數據，具有較高的精確度，且工業穩定性高。壓力測量模塊和激光測距模塊均設計為0～5 V的模擬量輸出，分別接入AD7606的2個通道，在該模塊中將模擬量轉換成數字量并通過SPI串口輸出。

控制器以STM32F103為核心，其通過SPI總線的方式與AD模塊進行通信，接收其轉換的2路傳感器數字量信號，并通過串口與上位機進行通信，將采集的信號傳到上位機，起到信號采集與傳輸的功能。

STM32模塊通過SPI串口接收AD轉換模塊采集的傳感器數據的數字量信號，設定了10 Hz的采樣頻率，并設計了大小為2 KB的緩存區域，以4個數據為單位對采集到的數據進行打包，并上傳到上位機。其緩存機制保證了在上位機非實時系統的情況下，仍使上位機接收到的數據與時間軸長度保持一致。控制器與上位機間通過串口進行有線通信，并在通信中加入了CRC重傳機制，通過校驗，實現了丟包或者誤傳時的重傳機制，保證了上傳數據的正確性，以及保證了上位機收到的數據與時間軸長度保持一致。

2.2 上位機軟件實現

該系統中所設計的上位機軟件為基于Qt的應用程序，應用程序中主要實現的功能如圖3所示。該軟件主要用于實現對實驗中各項基礎信息的選擇與記錄，對實驗中各路傳感器測量數據進行實時采集記錄與顯示，以及可視化實驗報告的生成。

圖3 上位機軟件功能

該實驗系統設計有“電纜壓接實驗記錄與分析軟件”的界面，軟件可自動記錄當前實驗時間，并提供了各實驗基礎信息的下拉框選擇欄和數據鍵入欄，可進行實驗基本信息的記錄及保存。下位機所對應的串口號為通過直接查詢注冊表的方式，找到下位機的串口號，并設置按鈕進行手動連接及斷開串口，從而實現與下位機的通信。應用程序中設置有對壓力數據和位移數據實時顯示的圖表窗口，可根據采集的數據實時繪制數據隨時間的變化圖表。

應用程序中采集的位移及壓力數據與同一時間軸對標，可以得到每個壓力值所對應的同時刻的變形值，從而可實現對實驗中電纜所受壓力以及當時的形變狀態進行聯合分析。

3 實驗及分析

3.1 實驗流程

先在壓接所用的銅管上標記好需要壓接的壓痕位置，將銅管和電纜連接好后放置在電纜支持平臺上。將上平臺下移至壓接模具上半部分壓至銅管處，控制上平臺加力，開始對銅管及內部電纜進行壓接，到指定壓力后保持一段時間。松開增壓按鈕，并將上平臺上升。利用移動平臺將電纜整體移動至銅管下一壓痕的標記位置與壓接模具對齊處，再重復實驗。

在此實驗中記錄壓接過程內動態的壓接力大小，以及動態的電纜變形量的大小。為了減少實驗時長，需在實驗前將需壓接的兩端電纜端頭處理平整，并根據中間連接管的長度標記所需插入銅管中的部分。

3.2 數據分析

從實驗數據中取尺寸規格為120 mm2的電纜的實驗數據進行分析，根據時間與壓力值和變形量的數據，用MATLAB分別繪制壓力與變形隨時間的變化曲線，如圖4所示。

圖4 壓力與變形對時間變化曲線

在壓力曲線中，壓力值的跳變點為實際中加壓單元開始加壓的時刻，變形曲線中可以找到對應的該時間點，并觀察加壓后的變形量變化方式。由變形曲線可知，剛開始加壓變形的時刻，變形量隨壓力值的增加變化很大；當變形量超過一定的范圍后，其變形量的增大速度開始減弱。由于壓力值的變化趨勢也趨于平緩，所以再根據時間的對標，繪制變形量與壓力的變化曲線，如圖5所示。

由圖5可知，電纜的變形隨壓力的變化趨勢主要分為3段，第1段是開始加壓到壓力值約為14 kN時，電纜的變形隨壓力的增大變化較大；第2段是從14 kN壓力值增大到約70 kN時，電纜的變形量仍隨著壓力的增大而增大，但變形量的增大速度明顯大幅度降低； 第3段是從70 kN壓力值繼續增大到80 kN時，可以發現隨著壓力值的增大，電纜的變形量沒有明顯的改變。根據各段電纜變形與壓力變化之間的關系，可以分析壓接過程中的電纜變化的機理。根據銅管與電纜間的初始間距，考慮到電纜壓接的過程分為銅管的受壓變形，以及銅管與電纜接觸時共同的受壓變形。同時考慮電纜中的銅絲由原形狀在受壓時發生的重新排布，以及銅的彈性形變及塑性形變，從而為電纜變形與壓力之間的相互變化關系的機理性研究分析提供實驗依據。

圖5 變形與壓力變化曲線

4 結束語

設計了電纜壓接測試系統，集成了加壓器、控制器和傳感器，通過軟件設計實現了電纜壓接實驗的控制及數據采集，為壓接工藝的合格研究提供了實驗依據，為后續自動化設備的設計提供了參考。