數控電纜接頭運行故障分析及對策

郝艷芬，張軍朝，宋建成，陳俊杰，趙榮香

（1.太原市建設工程預結算審核中心，太原 030002；2.太原理工大學a.煤礦裝備與安全控制山西省重點實驗室，b.計算機科學與技術學院，c.電氣與動力工程學院，太原 030024；3.山西太原天地方圓電子科技有限公司，太原 030024）

一個完整的景觀照明工程，一般由燈具安裝、電力電纜敷設、數控電纜敷設、聯動控制系統DCS安裝調試等分項工程組成。其中電纜線路的安全運行是景觀照明電力系統中最薄弱的環節，其安裝質量是景觀照明電力系統能否安全運行的關鍵，尤其是數控電纜接頭故障，已經成為行業內公認的整個工程質量的主要影響因素，引起相關人士的關注。如何降低數控電纜接頭運行故障率，成為目前研究的重點之一。眾多的學者和科研人員從電纜接頭的結構、絕緣故障機理、電熱耦合模型、在線表皮溫度監測等方面做了大量的研究工作[1-7]，但是基于施工技術改進的研究還很少。筆者從電纜運行現狀分析入手，重點分析研究（景觀）照明系統數控電纜接頭運行故障特征，針對造成故障的主要原因，尋找對策，改進施工技術，提出了基于“熱敏溫控”技術和“雙層熱縮”技術的新方案來降低數控電纜接頭運行故障率，經實際工程驗證，效果非常明顯。

筆者以某煤業集團景觀照明工程為例，進行運行故障情況統計分析。該工程電纜總長107km，調查統計時段為2009年3月—2011年5月，共26個月，電纜運行故障詳細情況統計如表1所示。其中：月故障率＝故障次數／電纜長度，次／km。由表1統計數據不難看出，26個月內其電纜運行發生故障2445次，月故障率為0.88次／km，是相關規范允許月故障率（0.42次／km）的2.095倍，嚴重超標。其中，數控電纜接頭故障2147次，月故障率0.77次／km，占總故障率的87.7%；其余6項月故障率為0.23次／km，占總故障率的12.3%。

表1 電纜運行故障情況統計表

1 數控電纜接頭運行故障分析

數控電纜接頭主要有干包接頭、環氧樹脂接頭、熱冷縮式接頭等幾種，施工方法及特點如下。

1）干包式接頭。該接頭采用自粘式膠布和電工膠布纏繞制作的電纜接頭，僅限于單芯線徑≤70 mm2的電纜，只能明敷設，不能埋地敷設，安全性能較差；接頭部位如受銳器觸碰、外力擊打，均可能造成纏繞的絕緣膠布破損，導致漏電事故。

2）環氧樹脂接頭。該接頭將環氧樹脂作為電纜接頭的主絕緣，澆注在現場配好的殼體內，澆注前接頭盒要加熱至60～70℃，以防環氧樹脂與冷的接頭盒不粘附，或者冷卻后環氧樹脂與接頭盒本體之間產生間隙；澆注要分2～3次進行，制作工藝復雜，且難以避免氣泡的產生，現在已經很少使用。

3）熱縮式接頭。該接頭在需要做電纜接頭的電纜段部，套上專用的熱縮頭，然后通過無端子接線的方式把每芯電纜連接，再把熱縮頭套管套到接頭位置，利用噴燈或其他加熱設備對接頭部位的熱縮頭進行加熱，使熱縮頭附著在電纜上，形成電纜接頭。按照不同工作環境的要求，可以使用不同材質的熱縮頭，耐水、抗擊打、密閉性能優越，適用范圍很廣，但是造價較高。

4）冷縮式接頭。該接頭利用冷縮管的收縮性，使冷縮管與電纜完全緊貼，同時用半導體自粘帶密封端口，使其具有良好的絕緣和防水防潮效果，現場施工簡單方便。由于冷縮管具有彈性，可緊緊貼服在電纜上，并且不需要使用加熱工具，克服了熱縮材料在電纜運行時，因熱脹冷縮而產生的熱縮材料與電纜本體之間的間隙，因而得到了越來越廣泛的應用。但是，冷縮電纜頭制作是一項技術性較強的工作，對施工場地環境條件要求較高，需要具備資格能力的有經驗的技術人員來完成。

該景觀照明工程以熱縮式接頭施工法進行施工。2009年3月—2011年5月（26個月）數控電纜接頭運行故障情況分析如下。

1）熱縮接頭密封不嚴，潮氣使T接頭氧化導致發熱擊穿，發生故障150次；

2）熱縮接頭密封不嚴進水導致氧化、短路，發生故障300次；

3）白蟻蛀蝕進水導致短路擊穿，發生故障3次；

4）熱縮接頭密封不嚴進水，氧化、腐蝕導致發熱擊穿，發生故障370次；

5）老鼠啃咬電纜接頭導致短路、進水，發生故障10次；

6）熱縮接頭使用年限久，老化導致進水氧化、腐蝕，發生故障21次；

7）熱縮接頭密封不嚴進水導致“虹吸”致短路擊穿，發生故障983次；

8）熱縮接頭密封不嚴進水導致短路擊穿，發生故障310次。

綜上分析，得到數控電纜接頭運行故障類型情況如表2所示。

表2 數控電纜接頭運行故障類型統計表

從表2的數據分析統計可以得到，熱縮接頭密封不嚴進水故障占造成數控電纜接頭運行故障的99.39%，是造成數控電纜接頭運行故障的主要原因。因此，解決熱縮接頭的密封問題是降低數控電纜接頭運行故障率的關鍵。

2 熱縮接頭密封不嚴進水原因分析

造成熱縮接頭密封不嚴進水故障的原因主要有五個方面，即人員、機具、材料、環境、方法。

2.1 熱縮接頭密封不嚴進水故障非要因分析

操作人員不熟練、對新材料性能特點不熟悉，是造成熱縮接頭密封不嚴進水的原因之一，但不是主要原因。這一問題可以通過新工人上崗前培訓和廠家技術交底培訓進行解決。

機械壓鉗原理的局限性和手工操作噴燈加熱不均勻等機具原因也是造成熱縮接頭密封不嚴進水的原因。機械壓接鉗產品壓接范圍：銅，16～300 mm2；鋁，16～240mm2；模具配置（六角模），6T 最大行程16mm，最小行程16mm。由此可知，機械壓鉗使用必須越過行程零界點才能算完成一次行程，這就存在對導線的過力或欠力的問題，造成連接處虛接或者過壓傷及連接管，從而引起電阻增大發熱，產生冷凝水、產生故障。液壓壓接鉗壓接范圍：銅，16～300mm2；鋁，16～240mm2；模具配置（六角模），6T最大、最小行程隨意。液壓壓接鉗沒有行程盲點，完全能滿足要求，只要用液壓壓接鉗取代機械壓接鉗施工就可以回避機械壓鉗原理局限性。

2.2 手工操作噴燈加溫不均勻要因分析

手工操作噴燈加溫不均勻，造成熱縮材料受熱不均勻，收縮均勻度效差，導致熱縮后接頭中間有氣泡產生，最終導致熱縮接頭密封不嚴進水。試驗點現場溫度測試記錄如表3所示。

表3 試驗點現場溫度測試記錄表

由表3可以清楚地看出，噴燈加溫波動大，加溫嚴重不均勻。由此可見，手工操作噴燈加溫不均勻是造成熱縮接頭密封不嚴進水故障的要因之一。

2.3 密封處“虹吸”效應要因分析

所謂“虹吸”效應，即指電纜接頭的熱循環運動。熱縮電纜接頭內儲滿常壓空氣，當熱縮電纜接頭吸收太陽能、導體過電流產生熱能時，里面的空氣受熱膨脹，空氣壓強增大，即受熱使中間頭內壓力增大向外排氣，降溫時中間頭內壓力減小向內吸氣，形成“呼吸”。

材料質量問題造成的密封不嚴，水分浸入絕緣；雨季水分、室外溫差大形成冷凝水及電纜接頭“呼吸”現象等環境因素造成的水分浸入絕緣；工藝不合理造成的熱縮式接頭密封處潮氣浸入電纜中，是形成密封處“虹吸”效應的主要原因。

由試驗得知，電纜頭內溫度升至80℃后，浸入冷水的接頭會吸入較多的水分，從而造成故障發生。試驗的水體積測試記錄數據如表4所示，壓力測試記錄數據如表5所示。

表4 水體積測試數據記錄表

表5 壓力測試數據記錄表

由表4和表5可以看到，加熱至80℃后壓力表顯示容器內壓強增大，說明存在“呼吸”現象，這樣會使得接頭內吸入較多的水分，從而誘導故障發生。由此可見，密封處“虹吸”效應是造成熱縮接頭密封不嚴進水故障的要因之一。

3 熱縮接頭密封不嚴進水故障解決途徑

3.1 新工藝方法

針對手工操作噴燈加溫不均勻和密封處“虹吸”效應，采用自行設計的新工藝新方法來解決。

1）“熱敏溫控”技術。采用熱敏感溫器件，經溫度檢測單元的一次端檢測熱縮件的實時溫度值，通過二次端的IC控片，預設合理的溫度參數，實現對烘烤發熱裝置的過程控制，以恒定值熱輻射熱縮材料，達到使熱縮材料均勻收縮的目的，避免熱縮材料密封不嚴的問題。

2）“雙層熱縮”新技術。其基本原理如圖1所示。在電纜的接頭處包覆兩層熱縮材料（內填有干燥劑），并將其中的空氣抽出。為了避免水分進入，兩層熱縮材料的兩端再分別加套一段密封材料，以增強密封性。

目前，數控電纜的接頭大都采用單層熱縮材料，而且熱縮溫度都是施工人員自行控制，沒有固定的標準。采用“熱敏溫控”和“雙層熱縮”兩種新技術相結合的方式，可以有效避免目前數控電纜接頭密封不嚴的問題。

圖1 “雙層熱縮”技術基本工藝原理示意圖

3.2 工程實驗分析

采用上述施工方法對某工程的數控電纜接頭進行了二次改造。改造以后，將2011年8月20日—2011年11月5日（共2.5個月）數控電纜接頭運行情況進行了統計，情況如表6和表7所示。

表6 改造后數控電纜接頭運行故障情況調查

表7 不同時段數控電纜接頭運行故障情況

數控電纜接頭改造前、后運行故障對比情況如圖2所示。

圖2 改造前后運行故障情況對比曲線

從圖2可見，改造前“熱縮接頭密封不嚴進水故障”占造成數控電纜接頭運行故障的99.39%，改造后降為0%，“熱縮接頭密封不嚴進水故障”全部解決。

4 結束語

1）熱縮接頭密封不嚴進水是造成數控電纜接頭運行故障的主要原因。

2）手工操作噴燈加溫不均勻和密封處“虹吸”效應是造成熱縮接頭密封不嚴進水的主要原因。

3）利用“熱敏溫控”技術施工可以有效解決手工操作噴燈加溫不均勻的問題。

4）利用“雙層熱縮”技術施工可以有效解決密封處“虹吸”效應的問題。

[1]李海英，李玄，宋建成.基于雷達圖法的礦用高壓電纜安全預警模型[J].煤炭學報，2012，37（11）：1941-1946.

[2]許力，竺鵬東，顧宏杰，等.基于變尺度PCA的電力設備載流故障早期預警[J].電力自動化設備，2012，32（5）：147-151.

[3]Raicevic Nebojsa B，Aleksic Slavoljub R，Ilic Sasa S.One numerical method to determine improved cable terminations[J].E-lectric Power Systems Research，2011，81（4）：942-948.

[4]Raicevic Nebojsa B.New EEM／BEM hybrid method for electric field calculation in cable joints[J].Engineering and Technology，2011，55（1）：599-604.

[5]楊平，王威.電力電纜接頭溫度無線監測前端裝置設計[J].儀表技術與傳感器，2011，45（6）：44-47.

[6]唐正森，李景祿，李志娟.10kV交聯電纜接頭施工工藝分析及改進措施[J].絕緣材料，2009，42（2）：71-74.

[7]東斐，唐慶華，朱利軍.110kV國橋線電纜接頭故障分析及處理[J].高電壓技術，2009，33（12）：208-210.