柔性電纜接頭防爆袋的設計研究

摘要：目前，在電纜接頭上廣泛應用的剛性防爆裝置體積龐大，在狹窄的電纜溝中安裝十分困難。此外，在電纜接頭發生爆炸時，剛性防爆裝置上會出現破口，無法阻止空氣進入，使電纜接頭極易發生火災，因此亟需改進。現研究提出了柔性電纜接頭防爆袋，可以折疊后安裝，不占用多余空間；同時，由于采用了耐熱的高強度材質，不會出現破口，電纜接頭在爆炸時不會有空氣漏入，從而避免了火災事故的發生。該柔性電纜接頭防爆袋具有十分廣闊的市場前景。

關鍵詞：電纜中間接頭；柔性防爆袋；折疊安裝；火災事故

中圖分類號：TM757? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）10-0039-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.10.011

0? ? 引言

隨著國家對電網建設的大力投入，大電網的結構日趨復雜，各種箱柜的數量不斷增加，電纜接頭也隨之越來越多，以至于各種電力設備的日常運行和管理愈來愈困難，尤其是電纜接頭發生故障的現象越來越嚴重，其巡檢監察難度也不斷加大[1-2]。

電纜接頭在發生故障爆炸的一剎那會產生強大的機械破壞力和超高溫的燃燒火焰，極易對周圍人員造成嚴重的傷害，而且也非常容易引燃同溝其他電纜，進而造成大面積停電，或引發其他重大事故，后果極其嚴重[3-4]。所以，十分有必要提高電纜接頭的防火防爆性能。

目前市場上常見的多為剛性電纜接頭保護裝置，主要有以下幾種：

（1）阻燃防火板保溫箱。它是把防火板設置在矩形盒體上，以此來防護電纜。有的在矩形盒內裝上如生石灰等熱空氣介質滅火設備，有的則在矩形盒內灌入混合均勻的無機耐火堵料，用無機耐火泥塊將其封閉，而后再用鋼箍追平以起到定形的效果。

（2）玻璃鋼護殼。就是以玻璃鋼為主要材料做成安全保護器，以起到防護電纜的效果。它主要包括兩大類，一類是把聚氨酯AB防火組合橡膠灌注在以玻璃鋼材料做成的安全保護器內，另一類則是將玻璃棉充填于由玻璃鋼所制造的保護裝置內。目前，因為價格相對低廉且易于大量生產，玻璃鋼護殼的使用十分普遍。在國內外，生產第一類玻璃鋼護殼的電纜接頭保護盒的廠家仍占據主要地位。

（3）防爆玻璃。其支架采用的是角鐵或方形不銹鋼，然后在支架中裝入防爆玻璃，并用防火板或鋁板將各電纜隔開，以制成電纜的保護裝置。

以上這些剛性防護裝置體積龐大，難以在狹窄的電纜溝中安裝；而且在電纜接頭發生爆炸時，剛性防護裝置無法阻止空氣進入，很難避免電纜接頭火災的發生；此外，剛性防護裝置也容易因承受不了電纜接頭爆炸產生的強大沖擊力而破碎，并產生碎片傷及周圍其他電纜及檢修人員，因此亟需加以改進[5-6]。

為解決這些問題，本單位開發了柔性電纜接頭防爆袋，它通過在導線外表層緊密地包覆折疊緊縮后的柔性耐火物質來產生緩沖空間，其占用電纜溝的容積有限；發生線纜接頭爆裂事件后，所產生的巨大能量可以很快打開袋體外部的空隙，將充滿氣體的空隙擴大10倍以上，從而實現迅速泄壓的目的。另外，因為柔性防爆袋所用材料不但耐撕裂，而且強度也較高，所以在泄壓時其仍能維持完好，從而有效避免了爆裂后碎片濺射情況的發生，不會危及周邊的檢修人員和電纜設備；同時，由于柔性防爆袋是完全封閉的，因此外部空氣無法進入防爆袋內，從而使得爆炸產生的燃燒現象得不到氧氣的補充，以至于不能繼續進行，進而可有效提高保護裝置的阻燃性，從而真正實現對電纜接頭既防爆又防火的效果，還可有效防止大量煙霧和有毒氣體的泄漏。

1? ? 設計原理

1.1? ? 電纜爆炸能量的計算

柔性防爆袋的設計關鍵首先是要準確計算出電纜接頭爆炸所產生的能量大小，然后才能計算出柔性袋子所承受的應力，進而為防爆袋選用合適的材質。本文以市面上常見的外徑為150 mm的電纜為例進行電纜爆炸能量的計算。

本電纜的極限電壓為15 kV，極限電流為20 000 A；根據相關文獻，本電纜發熱功率計算如下：P=15×1 000×20 000=3×108 W，而發熱時間t=0.1 s，那么電纜發熱量為：Pt=3×108×0.1=3×107 J。

1 kg TNT炸藥爆炸放出的能量是4.2×106 J，本電纜釋放能量為3×107 J，相當于3×107/4.2×106≈7.14 kg TNT炸藥爆炸釋放出的能量。

1.2? ? 防爆裝置強度計算

電纜發熱強度相當于7.14 kg TNT炸藥，保險起見，計為8 kg TNT炸藥，并按極端情況進行計算，即全部爆炸能量都以沖擊波形式作用于柔性防爆袋。根據相關文獻，爆炸產生的沖擊波可按下式計算：

ΔPf=0.470 6/R+1.087 6/R2-0.148 5/R3

式中：ΔPf為爆炸沖擊波（數值為上式計算結果的絕對值，MPa）；R=R/，R為計算點到爆心距離的值（m）；W為TNT炸藥量（kg）。

在本文中，W=8 kg，R=0.075 m；代入上式后得出：ΔPf=|12.55+773.4-2 816|≈2 030 MPa。而本防爆袋膨脹后直徑設計為300 mm，也就是說膨脹后直徑為原來的2倍，體積至少增加3倍，所以壓力降低到2 030/3≈677 MPa。

為了不占用電纜溝多余的容積，首先將防爆袋包覆折疊緊縮，再將它緊密包裹在電纜表面。防爆袋具體結構見下文。此外，經第三方權威單位檢測，本產品的技術指標如下：

（1）撕裂強度≥1 600 MPa；

（2）隔熱性能：在800 ℃環境下1 h，導熱系數≤0.07 W/（m·K）；

（3）爆炸柔性舒張性能≤1 m。

可見，防火袋撕裂強度遠高于677 MPa，故滿足安全要求。

2? ? 柔性防爆袋結構簡介

如圖1所示，柔性防火袋主要由第一、二、三柔性防火面料層依次緊密疊加而共同構成。如圖2所示，柔性防火袋的褶皺結構包括束套（面料）本體、容置空間和褶皺，柔性防火袋的容置空間會在其最外層的褶皺受到外力作用時得到很大的增加。

現場安裝如圖3所示，防火面料的兩端被阻燃魔術貼緊密連接在一起，從而建立了具有內部容置空間的束套本體，以此來包裹電纜接頭。可以將阻燃魔術貼毛面設置成較細長的條帶狀，以使其與勾面能夠粘貼到毛面不同的地方。同時，在將阻燃魔術貼勾面粘貼向毛面時，也要考慮將其粘貼到可以使束套在自然本體上兩端收緊的地方，借此來隔離空氣的進入，從而改善柔性防火防爆袋的耐火特性。

本柔性電纜接頭防爆袋總共采用三層柔性防火抗壓材料，每兩層之間密封有粉狀滅火材料，電纜接頭在發生爆炸后所產生的電弧，溫度可高達數千攝氏度，會導致袋子內層發生破裂，此時粉狀滅火材料會泄漏出來撲滅明火，防止發生火災及火勢蔓延波及其他電纜，確保電纜安全。

柔性防爆袋安裝時設置成褶皺形狀，在電纜發生爆炸時利用柔性材料的膨脹功能來實現密閉泄壓，保證發生電纜接頭爆炸后袋體的完整性和密封性，能夠防止由電纜接頭爆炸產生高溫火焰引起的火災蔓延現象，阻止其燃燒蔓延到電纜的其他部分及周邊其他電纜。

柔性防爆袋體積小，對安裝環境要求低且安裝簡單，當發生線纜接頭爆裂事件后，所產生的巨大熱量可以很快打開袋體外部的空隙，將充滿氣體的空隙擴大10倍以上，從而有效緩沖和吸收線纜的爆裂熱量，進而實現迅速泄壓的目的。

同時，由于柔性防爆袋是被封閉的，外部空氣不能進入防爆袋內，可以阻燃隔熱并避免有毒氣體泄漏。將相鄰的褶皺擠壓在一起形成固定形狀，外側安裝防水布，防水布外側安裝鋼絲網進行固定，可以防止電纜溝積水，造成防爆袋損壞。

3? ? 部分應用現場照片

本產品的現場安裝情況如圖4所示。由圖4不難看出，本產品通過在導線外表層緊密包覆折疊緊縮后的柔性耐火材料來產生緩沖空間，體積很小，因此不占用電纜溝中多余的容積，非常適用于現有電纜溝的防火防爆改造。

4? ? 優勢總結及前景展望

綜上所述，本產品具有以下特點：

（1）將防爆防火功能合二為一。

基于市面上單純具備防爆功能的防爆盒，結合頻繁發生的電纜接頭著火事故，將防火及防爆功能合二為一的防爆防火袋可以防止因接頭爆炸影響周邊線路，避免因電纜燃燒所產生的濃煙及毒氣，最大限度地削減事故造成的損失。

（2）選用柔性材料，體積小、安裝便捷。

采用柔性防火防爆材料，對現場環境要求低，安裝便捷（圖3），占用空間小（圖4）；同時可以避免剛性防爆材料爆炸后碎片濺射，尤其適用于現有電纜溝的防火防爆改造。

（3）接頭發生爆炸后袋體可保持完整性和密封性。

現有的防爆盒在發生爆炸后都不能保證其完整性，造成了大量煙霧和有毒氣體的泄漏，加上電纜溝狹窄，大量煙氣難以排出，搶修人員很難馬上進行搶修工作。如果安裝柔性防爆袋的話，便可避免煙霧和有毒氣體外泄。

（4）改良了泄壓方式。

現有防爆盒的泄壓方式通常是在盒子的一側設計一個帶密封塞的泄壓孔，當電纜接頭發生爆炸時，可將密封塞打開泄壓。但此泄壓方式會造成氣體的流通，可使得氧氣與火焰接觸，從而降低了阻燃性能。本產品改良了泄壓方式，杜絕了氧氣與袋體內部的接觸。

本文所述新型電纜接頭柔性防爆袋可大大提高電纜線路的安全性、可靠性，特別是能對投運已久的電纜線路進行更安全的保護。因此，本產品具有極其重要的意義，市場前景十分廣闊。

[參考文獻]

[1] 郭佳奇，錢源，王珍珍，等.城市地下綜合管廊常見運維災害及對策研究[J].災害學，2019，34（1）：27-33.

[2] 李川.電纜隧道內電纜接頭防爆及防火[J].湖北電力，2012，36（3）：13-14.

[3] 葛安然，楊森，何中其.高壓電纜中間接頭防爆殼的內爆炸動力響應[J].爆破器材，2018，47（6）：27-33.

[4] 仇煒，崔江靜，黃順濤，等.基于多物理場耦合的高壓電纜接頭防爆裝置端頭部位結構的優化設計[J].電氣應用，2019，38（4）：86-92.

[5] 熊俊，陸國俊，陳志娟，等.一起10 kV電纜中間接頭擊穿故障的原因分析[J].廣東電力，2011，24（5）：89-92.

[6] 王仲，何皓弘，周冬冬，等.基于流固耦合的電纜中間接頭防爆盒抗爆能力模擬研究[J].消防科學與技術，2021，40（12）：1732-1738.

收稿日期：2023-02-10

作者簡介：曹軻崢（1987—），男，吉林人，高級工程師，研究方向：電力設備輔助設施的設計及安裝。