新型35 kV及以下預制繞包式電纜中間接頭關鍵技術研究與產品研發

管必萍，吳愛軍，顧 艷，陳華霖，顏鈺霆，戴人杰，吳萬祿，徐 俊，繆進榮，王之珮，史傳卿，汪紫凡

(1.國網上海市電力公司松江供電公司，上海 201600；2.上海久瑞電力絕緣器材有限公司，上海 200035)

1 電纜附件使用中存在的問題

隨著交聯聚乙烯電力電纜的廣泛應用以及城市化進程的加速，城市電纜化已成為發達城市的象征。以北京市為例，截至2018年6月，北京的配網電纜線路已達到了26 984 km。然而老城區的電纜通道資源日益耗盡，電纜敷設環境及運行環境更具挑戰性，例如：地下水位上升、很小的轉彎半徑、有限的工井長度等。而電纜附件，尤其是電纜中間接頭，作為電纜系統中的薄弱點，其潛在問題應引起足夠重視。

對城市電纜系統故障統計分析顯示：附件質量問題、安裝施工質量及外力破壞是電力電纜系統運行故障的三大主要原因，如排除外力破壞等人為因素，附件及施工造成的電纜系統故障比例高達66%，其中85%以上為電纜中間接頭故障。以某省地級市供電局10 kV電纜中間接頭故障統計為例，其40%的故障發生在電纜系統檢修后的合閘過程中，而這些合閘過程中擊穿的電纜附件都是冷縮或者預制形式的電纜中間接頭。

目前在電纜附件使用中存在以下問題：①如何保證電纜中間接頭在浸水環境下長期運行；②線路檢修或搶修后恢復供電時，如何保證電纜中間接頭在重合閘時不發生擊穿故障；③老城區改造，不同截面電纜對接時，異形電纜中間接頭的可靠性；④接頭安裝空間狹小，甚至有可能需要在轉彎段安裝接頭，如何在有限的空間里完成電纜中間接頭制作且保證產品質量可靠；⑤單相故障搶修中，盡管電纜損壞長度不長，但是由于電纜沒有裕度，經常需要添加一段電纜并制作6個單相的接頭，修復時間長、成本高，嚴重影響故障恢復時間，也降低了電纜系統的可靠性。

這些問題涉及到了電纜中間接頭的材料、整體結構設計及安裝工藝因素，也是電力用戶希望有效解決的問題，不少問題在電力公司的招標文件中都有相關明確的要求。針對這些運維問題，本文著重于研究問題的原因，結合傳統電纜中間接頭的優點提出綜合解決方案，研發新型電纜中間接頭并制定其安裝工藝。新型的預制繞包電纜中間接頭可大大降低電纜系統故障概率，提高電纜系統運維效率，有效地保障電網的安全運行。

2 電纜中間接頭使用現狀分析

2.1 電纜中間接頭技術發展現狀

繞包式電纜附件是在現場根據電纜的電壓等級和截面，選取橡塑絕緣帶和半導電帶對目標電纜繞制而成。其優點是安裝較為靈活，不受電纜電壓等級及截面的影響；其主要缺點是現場繞制的時間比較長，效率低，且對繞制施工人員的技術要求很高，特別像應力錐的繞制較繁鎖，技術要求高。如今，繞包式電纜附件也被應用在交聯聚乙烯電纜上，傳統繞制而成的應力錐由于工藝復雜漸漸被應力控制帶所取代。

熱縮型電纜附件是將預處理的熱縮管材依次套裝在處理好的電纜上并通過加熱收縮方式制作成電纜附件。熱縮附件具有良好的熱收縮性，在規定收縮比范圍內，單一規格的熱縮管材可用于多種截面的電纜上；熱縮附件具有體積小、重量輕、價格便宜及安裝簡便等優點。除嚴禁動火或者忌動火的工廠，如石油，化工，煤炭等企業以外，熱縮電纜附件使用較廣泛。但熱縮型附件的質量受熱縮管材的影響大，質量較差的熱縮管一般使用壽命只有4～5年。其原因主要是XLPE的熱膨脹系數大，電纜絕緣直徑會隨著溫度的變化而熱脹冷縮，即電纜的呼氣作用，而熱縮材料要在130℃左右才會收縮，且一旦收縮后即定型；經過長時間運行后，XLPE與熱縮材料間將形成氣隙，進而引發沿面爬電，最終導致電纜附件故障。

預制/冷縮型附件是將合成橡膠(SIR或EPDM)注入成型模具中高溫硫化而成的，冷縮型產品還需擴張并在其內部襯以尼龍條制成的螺旋襯管，現場安裝時預制電纜附件是將電纜接頭或者終端通過滑入的方式套在電纜上，而冷縮電纜附件則是將預擴張的電纜接頭或終端套在電纜上，再抽出尼龍螺旋襯管，外部合成橡膠制成的本體則自行收縮在電纜上，從而制作成電纜接頭或終端頭。預制/冷縮型附件具有操作簡便快捷、技術可靠、抗大氣污穢、耐酸耐堿等優點，特別適用于對明火比較敏感的場合，且使用壽命很長。但是冷縮產品有防水處理較困難、價格相對較貴、儲存時間有限等缺陷。

2.2 現有電纜中間接頭技術的分析

電纜附件是涉及多種學科(電氣，機械，高分子材料等多個學科)的綜合產品，對廠商的科研，產品設計和生產工藝都有較高的要求。

交聯聚乙烯電纜繞包式中間接頭由應力控制帶、絕緣帶、半導電帶等組合而成。橡膠半導電帶、絕緣帶及防水帶等制造技術比較成熟，很多廠家都能生產符合電氣性能要求的帶材，但是應力控制帶相對其他帶材來說制造難度較大，具備應力控制帶生產能力的廠家不多，由于市場需求不大，這些廠家研發力量投入不足，因此應力控制帶的質量一直不能達到設計要求。其中，應力控制帶的關鍵參數——介電常數，在運行中隨運行情況變化而發生變化，從而影響產品整體性能，嚴重的直接導致產品發生擊穿故障。

冷縮式和預制式電纜中間接頭，國內外生產廠商較多，以絕緣本體，屏蔽管及應力控制部分(應力錐)組成。其中，絕緣本體，屏蔽管和應力錐采用硅橡膠或者三元乙丙橡膠。應力錐通過幾何法均布電場，中間導體連接部分通過高壓屏蔽管屏蔽。國內外廠商有科研產品設計能力，可以對這些電纜中間接頭進行結構設計、電氣設計和工藝設計(橡膠注射工藝)，能生產出質量穩定，可靠的產品。而部分國外廠商，采用以國內廠商可靠產品進行貼牌代工。國內廠商無研發能力的采用抄襲，仿制。因此市場產品質量性能差異性較大。

2.3 國內同類產品研究分析

電纜接頭的生產單位是電纜附件生產商，而使用單位是國內各供電部門的運檢部，在信息溝通上不對稱。產品在結構上沒有太大的變化，主要是本體絕緣和應力錐控制不同搭配的結構。本文在結構上進行突破，將應力控制元件——應力錐和繞包絕緣帶進行結合。該設想目前尚無廠家實施，是行業內首創，可以使產品達到較高的電氣性能和防水性能，提高應用的靈活性，充分滿足供電公司運檢部對電纜中間接頭的各項要求。

3 新型預制繞包電纜中間接頭結構設計方案

3.1 重合閘擊穿故障可能性原因分析

交聯聚乙烯絕緣電纜運行時的最高額定工作溫度為90℃，在發生停電事故或線路檢修時，電纜冷卻散熱。由于絕緣材料都有熱脹冷縮現象，而且交聯聚乙烯的膨脹系數較大，為1.3×10-4/℃。試驗表明，中、低壓交聯電纜直徑膨脹為2%～4%。對于電纜接頭的復合界面，由于界面兩側絕緣材料膨脹系數的差異，自由收縮的結果不盡相同，在發生電力系統停電故障或者檢修時，電纜失電后開始降溫收縮，當附加絕緣的收縮小于交聯聚乙烯時，由于交聯聚乙烯屬于非極性材料，難于與其他材料粘接成整體，造成界面應力松弛，復合界面將被破壞處于不穩定狀態，電纜接頭復合界面如圖1所示。在重合閘時，相當于施加于電纜線路上一個陡波，空載架空線路合閘產生2倍過電壓，重合閘產生近3倍過電壓，就可能造成電纜接頭的擊穿。

圖1 電纜接頭復合界面示意圖

3.2 電纜中間接頭進水可能原因分析

電纜中間接頭進水是電纜接頭發生故障的另外一個原因，電纜中間接頭內部的進水通道主要有兩種：一是由外部水滲入電纜中間接頭內部，沿電纜主絕緣和電纜中間接頭之間的界面向內延伸，而且電纜的溫度變化會同時導致水汽在電纜接頭上冷凝，水汽易從復合界面進入到接頭中。從而進一步加深電纜接頭被擊穿的隱患；另一種是電纜線芯中的水在電纜運行后，沿電纜主絕緣和中間接頭之間的界面向外延伸。電纜線芯進水后，由于水的滲透性、擴散性極強，電纜中間接頭內的水會縱向往外擴散滲透，主要經過導體連接管、內半導電屏蔽層、主絕緣體、外半導電屏蔽層與接地金屬屏蔽層。在高壓的作用下，電纜接頭內帶雜質的水很容易使接頭產生沿面放電及閃絡放電現象而擊穿。同時，水在電場作用下，具有一定的導電性，電壓越高，水分越多，其導電性越強。如此，電纜中間接頭每個結構部分通過水分而連接起來，致使運行導體與地接通而放電擊穿的情況出現。這些擊穿事故是現有的配網電纜接頭材料和設計無法避免的。

3.3 新型預制繞包式電纜中間接頭結構研究

基于這些故障的可能原因可以發現冷縮型或預制型中間接頭與電纜絕緣及導體接管之間是個復合界面，而此復合界面平時運行時由硅脂填充而處于一個穩定狀態，而當電纜斷電失溫后整個復合界面將失去原有的穩定狀態，此時復合界面可能成為一個故障的隱患。而繞包中間接頭由帶材組成。整個繞包式電纜中間接頭與電纜絕緣及導體之間的界面都由帶材緊密包裹，多層帶材的組合使整個電纜中間接頭本身具有優越的回彈性，使電纜中間接頭始終緊密地貼合在電纜絕緣及導體接管的表面，即使電纜斷電失溫收縮，通電升溫膨脹，繞包式電纜中間接頭都能很好地貼合電纜交聯聚乙烯絕緣并始終保持一定的緊握力，因此繞包式電纜中間接頭在停電檢修后重合閘后沒有擊穿的現象。

預制/冷縮電纜中間接頭是通過高壓屏蔽電極覆蓋中間連接管，并通過半導電帶填充電纜絕緣與接管之間的間隙，電纜處理如圖2所示。電纜長期運行后，絕緣會有一定的回縮，這時電纜絕緣和連接管之間就會產生間隙，從而形成一個進水通道。對于繞包式電纜中間接頭來說，由于繞包式電纜中間接頭有反應力錐結構及絕緣外部增繞帶材穩定的抱緊力，半導電帶直接覆蓋電纜導體屏蔽和中間連接管，因此繞包式電纜中間接頭具有較好的線芯防水能力。

圖2 冷縮中間接頭

繞包式電纜中間接頭的應力控制元件為應力控制帶，通過參數法控制場強，應力控制帶是一種介電常數較高的帶材，本身屬于極性材料，介質損耗大，因此投運后應力控制帶的溫升變化大，而隨著溫度的變化，其本身的介電常數又發生了變化，導致整個電纜中間接頭的應力分布發生改變，從而可能產生畸變的場強并最終導致電纜中間接頭故障。而冷縮和預制性電纜附件，其應力控制元件為應力錐，應力錐是通過幾何法控制場強，介損小，不隨運行狀態變化而發生變化，性能穩定可靠。因此，將應力錐運用于繞包式電纜中間接頭中，可有效地解決繞包式電纜中間接頭應力控制元件不穩定的問題。

綜上所述，結合繞包式電纜中間接頭和冷縮/預制型電纜中間接頭各自的優勢，開發一種新型預制繞包型電纜中間接頭將有效地取長補短，解決目前各種電纜中間接頭的問題，消除故障隱患，提升電纜系統的運行可靠性。

3.3.1 預制繞包式電纜中間接頭材料研究

預制繞包式電纜中間接頭將由橡膠應力錐和帶材組成。基于繞包式電纜中間接頭帶材的研究基礎，按照繞包式電纜中間接頭帶材選取標準，研究機械及電氣性能優越的帶材(見表1至表3)。

按照設計理念，研究開發與表1至表3各種帶材性能匹配的應力錐材料，如表4所示。

表1 自粘性橡膠絕緣帶性能參數

表2 自粘性橡膠半導電帶性能參數表

表3 自粘性防水絕緣帶性能參數表

表4 應力錐材料性能參數表

應力錐的選型方面，考慮長期運行的可靠性，選用與帶材基料一致的材料，以保證膨脹系數與各帶材一致。

3.3.2 預制繞包式電纜中間接頭結構及電氣性能研究

參考10～35 kV各種電纜結構，設計應力錐結構，要求應力錐作為應力控制元件能起到更好地均布場強的作用，其次要求應力錐小巧便于安裝，安裝應力錐后便于帶材繞包；最后結合接頭的整體結構定義電纜處理尺寸、帶材繞包尺寸并制定新型繞包式電纜中間接頭整體安裝工藝。新型預制繞包式電纜中間接頭結構如圖3所示。

圖3 新型預制繞包式電纜中間接頭結構

通過有限元計算，對新型預制繞包中間接頭整體電氣性能進行驗證，如圖4和圖5所示。通過有限元分析結果發現新型預制繞包電纜中間接頭整體場強分布均勻，沒有任何畸變電場，由此驗證應力錐作為場強控制元件的可行性。

圖4 分析模型

圖5 場強計算

3.3.3 新型預制繞包式電纜中間接頭安裝工藝

根據新型預制繞包式電纜中間接頭結構的特點，重新定義產品的安裝工藝，新的安裝工藝不同于與任何型式電纜中間接頭的安裝工藝。

(1)芯電纜處理。將截斷的三芯電纜按尺寸樣式進行處理(見圖6)。

圖6 芯電纜處理樣式圖

(2)按工藝要求分布剝離銅屏蔽，絕緣外屏蔽層，剝切電纜絕緣層并露出電纜線芯(見圖7)。

圖7 剝切后的電纜線芯

(3)在電纜的金屬屏蔽層及絕緣屏蔽層上繞包半導電帶，形成一個限位臺階，套入預制應力錐，并用銅連接管壓接電纜導體線芯(見圖8)。

圖8 銅連接等壓接電纜導體線芯

(4)在銅連接外繞包半導電帶(見圖9)。

圖9 在銅連接外繞包半導電帶

(5)整體絕緣帶繞包(見圖10)。

圖10 整體絕緣帶繞包

(6)半導電帶繞包(外屏蔽)如圖11所示。

圖11 半導電帶繞包

(7)在半導電帶外半搭接繞包一層銅網，銅網兩端用恒力彈簧固定，兩端銅屏蔽用一根銅編制帶連接，用恒力彈簧與銅網固定在一起，見圖12。

圖12 恒力彈簧與銅網固定

(8)用PVC帶繞包銅網的邊緣及恒力彈簧，確保覆蓋所有的毛邊。PVC帶從一端繞包到另一端，無需搭接，但需固定電纜中間接頭2～3道(見圖13)。

圖13 PVC固定電纜中間接頭

(9)用防水帶半搭接繞包覆蓋PVC帶，銅網及銅編制帶(見圖14)。

圖14 防水半搭接繞包圖

(10)對于三芯有鋼鎧的電纜，需先將單芯電纜處理好，然后將三芯電纜用PVC綁在一起。用銅編制帶將兩端鋼鎧連接起來，并用恒力彈簧固定(見圖15)。

圖15 三芯有鋼鎧電纜固定圖

(11)用防水帶繞包將三相電纜接頭，銅編織帶，鋼鎧及兩端部分外護套覆蓋(見圖16)。

圖16 防水帶繞包三相電纜接頭圖

(12)在防水帶外半搭接繞包一層鎧裝帶(見圖17)。

圖17 防水帶外半搭接繞包一層鎧裝帶

3.3.4 新型預制繞包式電纜中間接頭試驗驗證

電氣測試結果如表5所示。由表5可以看出，新型預制繞包式電纜中間接頭在產品尺寸與同類產品近似的情況下，電氣性能更優越，安全裕度更大。

表5 電氣測試結果

4 結語

新型預制繞包式電纜中間接頭從電力用戶的痛點出發，深入研究繞包式電纜中間接頭和預制/冷縮電纜中間接頭的優缺點及各自的特色，創新地提出新的中間接頭結構模型，并對應力錐材料，輔助帶材的性能進行研究。結合新結構的特點提出新的安裝工藝，通過有限元模擬的方式對結構做出細微調整，最終通過型式試驗進行驗證。新型預制繞包式電纜中間接頭具備如下特點。

(1)斷電檢修或停電后重合閘不易擊穿。

(2)應力錐幾何法均布電場，長期運行更穩定。

(3)電纜反應力錐/鉛筆頭結構，有效解決了電纜中間接頭線芯浸水的問題。

(4)帶材優越的拉伸強度和回彈性保證界面長期保持穩定壓力，消除界面擊穿隱患。

(5)工藝簡單，安裝方便，滿足運行故障搶修要求。

(6)電氣性能優越，安全裕度大，運行更可靠。

綜上所述，如將新型預制繞包式電纜中間接頭應用到各省公司的電纜系統安裝及運行維護中，可大大提高電纜系統的運行質量和運維效率，又保證入網電纜系統質量，提高電網中電纜線路運行的安全可靠性。