中壓交聯(lián)電纜熱縮附件的特性及應(yīng)用

苗付貴 閻孟昆 付 平 韓衛(wèi)京 侯曉娜

（中國電力科學(xué)研究院電力工業(yè)電氣設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心，武漢 430074）

中壓交聯(lián)電纜熱縮附件由于材料性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等特點(diǎn)，深受廣大用戶歡迎[1]，后由于冷縮附件的出現(xiàn)，熱縮電纜附件使用量逐漸減少，但因?yàn)閮r(jià)格便宜，在國內(nèi)仍有一定市場。熱縮材料又稱為高分子形狀記憶材料，主要是利用結(jié)晶或半結(jié)晶的線性高分子材料經(jīng)高能射線照射或化學(xué)交聯(lián)后成為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而具有形狀“記憶效應(yīng)”的新型高分子功能材料[2-5]。交聯(lián)高分子在高彈態(tài)間具有彈性，施加外力拉伸或擴(kuò)張后，驟冷使其維持該狀態(tài)，材料雖經(jīng)擴(kuò)張形變但具有“記憶效應(yīng)”，當(dāng)溫度升高到軟化點(diǎn)以上，形變馬上消除，立即恢復(fù)到原來的形狀。利用該原理可以制造出擴(kuò)張倍率大，質(zhì)量容易控制的產(chǎn)品。國內(nèi)熱縮附件制造商很多，有些技術(shù)實(shí)力欠缺，雖然產(chǎn)品價(jià)格便宜，但其質(zhì)量和可靠性差，為電網(wǎng)安全帶來不穩(wěn)定因素。本文闡述了應(yīng)力管對(duì)電纜斷口電場處理的原理，介紹了熱縮附件的結(jié)構(gòu)特征，在制造過程中應(yīng)注意的問題，用戶如何選型及安裝操作要點(diǎn)。

1 熱縮附件的結(jié)構(gòu)特征及基本要求

1.1 熱縮終端頭結(jié)構(gòu)基本要求

1）熱縮終端頭主要由外絕緣管、應(yīng)力管、分支套、雨裙等部件以及與其配套的填充膠、密封膠等材料構(gòu)成。

2）熱縮終端頭各部件搭接部位必須具有良好的防潮密封措施。

3）三芯電纜熱縮終端頭金屬屏蔽、鎧裝或金屬護(hù)套必須接地良好。接地引出線截面不應(yīng)小于表1的規(guī)定。

表1

1.2 塑料絕緣電纜熱縮接頭結(jié)構(gòu)基本要求

1）熱縮接頭應(yīng)確保電纜各組成部份如導(dǎo)體、絕緣、屏蔽、內(nèi)襯層、護(hù)套等各部份的接續(xù)、恢復(fù)和加強(qiáng)。

2）熱縮接頭的附加絕緣厚度不得小于電纜工廠絕緣厚度的1.5 倍，附加絕緣熱縮管的層數(shù)對(duì)10kV及以下的電纜接頭不宜多于二層，對(duì)35kV 級(jí)電纜接頭不宜多于三層。附加絕緣與電纜本體絕緣間的接觸應(yīng)緊密。

3）熱縮接頭結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮擠出絕緣在運(yùn)行中產(chǎn)生縱向回縮導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生間隙的防范措施。

4）接頭兩邊電纜銅屏蔽、鎧裝應(yīng)分別連接不得中斷，恢復(fù)銅屏蔽應(yīng)采用軟質(zhì)銅編織帶(網(wǎng))，確保和各相絕緣外屏蔽接觸，兩端與電纜銅帶連接。

1.3 熱縮管件及其配套用膠的技術(shù)要求

1）熱縮管件外觀應(yīng)平整、光滑、無可見氣泡、雜質(zhì)，表面斑痕缺陷面積應(yīng)不超過部件總面積的2%。

2）熱縮管件的收縮溫度應(yīng)為120～140℃。

3）熱縮管件收縮前壁厚的不均勻度小于30%。

4）熱縮管件收縮前后長度的變化率小于±5%。

5）熱縮管件在熱沖擊下應(yīng)不淌流，不開裂。

6）熱縮管件在限制性收縮時(shí)不得開裂，在正常使用范圍和操作下不得開裂。

7）熱縮附件用熱縮材料的物理、機(jī)械和電氣性能應(yīng)符合表2規(guī)定[6]。

表2 熱縮附件用熱縮材料的物理、機(jī)械和電氣性能要求

2 熱縮附件的電場處理

2.1 電纜終端的電場分布如圖1所示，絕緣和金屬護(hù)套斷口處電場強(qiáng)度為

其中，U0為導(dǎo)體與金屬套間電壓，kV； vε 為絕緣層介電常數(shù)；mε為周圍媒質(zhì)介電常數(shù)；Re為等效半徑，m；l為絕緣端部到絕緣屏蔽斷口間長度，m；K 為與周圍媒質(zhì)和絕緣層表面有關(guān)的常數(shù)。

因此增加等效半徑Re、介電常數(shù) mε和表面電容可以降低屏蔽斷口處電場強(qiáng)度[7]。

2.2 熱縮附件的電場處理

圖1 電纜終端電場分布

熱縮附件就是利用增加屏蔽斷口處周圍媒質(zhì)介電常數(shù)的原理來均勻電場，即用高介電常數(shù)的應(yīng)力 管。其原理是增大屏蔽末端絕緣表面電容（Cs)，從而降低這部分的容抗，也能使電位降下來，容抗減小會(huì)使表面電容電流增加，但不會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱，由于電容正比于材料的介電常數(shù)，也就是說要想增大表面電容，可以在電纜屏蔽末端絕緣表面附加一層高介電常數(shù)的材料。一般這些應(yīng)力控制材料的介電常數(shù)都大于20～30，體積電阻率為（108～1012）Ω·cm。應(yīng)力控制材料的應(yīng)用，要兼顧應(yīng)力控制和體積電阻率兩項(xiàng)技術(shù)要求。雖然在理論上介電常數(shù)是越高越好，但是介電常數(shù)過大引起的電容電流也會(huì)產(chǎn)生熱量，促使應(yīng)力控制材料老化。同時(shí)應(yīng)力控制材料作為一種高分子多相結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，在材料本身配合上，介電常數(shù)與體積電阻率是一對(duì)矛盾，介電常數(shù)做得越高，體積電阻率相應(yīng)就會(huì)降低，并且材料電氣參數(shù)的穩(wěn)定性也常常受到各種因素的影響，在長時(shí)間電場中運(yùn)行，溫度、外部環(huán)境變化都將使應(yīng)力控制材料老化，老化后的應(yīng)力控制材料的體積電阻率會(huì)發(fā)生很大的變化，體積電阻率變大，應(yīng)力控制材料成了絕緣材料，起不到改善電場的作用，體積電阻率變小，應(yīng)力控制材料成了導(dǎo)電材料，使電纜出現(xiàn)故障。這就是應(yīng)用應(yīng)力控制材料改善電場的熱縮式電纜附件只能用于中壓電力電纜線路和熱縮式電纜附件經(jīng)常出現(xiàn)故障的原因所在。這兩個(gè)條件要同時(shí)滿足是比較困難的，參數(shù)受每道生產(chǎn)工序影響都很大，對(duì)材料配方、共混、造粒、直到擠塑等工藝均有較苛刻的要求。

3 熱縮附件的型式試驗(yàn)

型式試驗(yàn)[8]主要是對(duì)新型式產(chǎn)品在大量生產(chǎn)使用前所做的試驗(yàn)，經(jīng)過型式試驗(yàn)證明該產(chǎn)品能滿足運(yùn)行提出的性能要求，或經(jīng)過型式試驗(yàn)可以在較短時(shí)間確定新產(chǎn)品相對(duì)老產(chǎn)品的相對(duì)質(zhì)量和新產(chǎn)品的壽命。除非產(chǎn)品的材料、工藝或設(shè)計(jì)有變化并可能影響其性能，產(chǎn)品型式試驗(yàn)不必重復(fù)。熱縮附件完成設(shè)計(jì)和制造后需要根據(jù)GB/T12706.4—2008規(guī)定的型式試驗(yàn)（見表3）來驗(yàn)證其是否滿足使用要求[12]。比如附加絕緣熱縮管，若彈性不夠，在試驗(yàn)電壓下，即使試樣局放初始值很小或無局放，經(jīng)過負(fù)荷循環(huán)試驗(yàn)后，界面處形成間隙，局放會(huì)明顯增加。再如用多層熱縮管構(gòu)成接頭絕緣，由于層間界面多，局放試驗(yàn)也往往不能合格。根據(jù)檢測經(jīng)驗(yàn)，由于應(yīng)力管控制結(jié)構(gòu)對(duì)參數(shù)配置、制造工藝和安裝工藝要求苛刻，國內(nèi)目前只有少數(shù)幾家制造商的10kV 及20kV 熱縮附件嚴(yán)格通過了型式試驗(yàn)，35kV熱縮附件還沒有廠家能通過型式試驗(yàn)，甚至國外知名制造商的35kV 熱縮附件也不能順利通過，主要集中在局部放電試驗(yàn)項(xiàng)目不合格。據(jù)了解，幾個(gè)國內(nèi)知名的熱縮附件制造商正在致力于研究解決35kV 熱縮附件的局放問題。

表3 熱縮附件型式試驗(yàn)項(xiàng)目和要求

4 熱縮附件的安裝要點(diǎn)

4.1 安裝條件

上，相對(duì)濕度70%以下。因?yàn)樵诩訜岷婵緹峥s管外壁時(shí)，管內(nèi)空氣溫度升高，但電纜絕緣表面仍處于較低溫度，高溫高濕的氣體遇到冷表面物體時(shí)若低

熱縮附件安裝一般規(guī)定要求在環(huán)境溫度0℃以于其露點(diǎn)溫度，水分就會(huì)在冷表面物體上凝結(jié)，而此時(shí)收縮熱縮管，就會(huì)把凝結(jié)有潮氣的絕緣表面包覆在里面，嚴(yán)重影響安裝質(zhì)量。

通過計(jì)算和試驗(yàn)證明，不同環(huán)境溫度和相對(duì)濕度下凝結(jié)條件可用圖2中曲線表示。從圖2可以看出：

1）相對(duì)濕度70%以下，環(huán)境溫度0℃（甚至-10℃），無凝結(jié)現(xiàn)象。

2）相對(duì)濕度80%，環(huán)境溫度高于20℃時(shí)，無凝結(jié)現(xiàn)象，低于10℃時(shí)，有凝結(jié)現(xiàn)象。

3）相對(duì)濕度90%以上，一般均會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)現(xiàn)象。

4）在同樣濕度下，被包覆物與管內(nèi)的溫差小，不易產(chǎn)生凝結(jié)。

圖2 結(jié)露與相對(duì)濕度和溫度的關(guān)系

因此在濕度大溫度低安裝熱縮附件時(shí)一定要注意界面凝結(jié)潮氣問題，解決的方法是預(yù)熱電纜表面，溫度提高到50～60℃，基本上就不會(huì)產(chǎn)生水分凝結(jié)現(xiàn)象[9]。

4.2 安裝操作要點(diǎn)

1）用刀剝除半導(dǎo)電層時(shí)，下刀2/3 深，不能傷及電纜主絕緣層?？v向切2～3 刀，不能留下刀痕。撕半導(dǎo)電層接近環(huán)切口時(shí)，沿圓周方向撕去，注意不能使斷口處屏蔽有縫隙。用專用砂紙打磨光滑絕緣表面，用清潔劑從絕緣端往屏蔽斷口單方向擦拭。[10]

2）為了使應(yīng)力管充分發(fā)揮均勻場強(qiáng)的作用，必須確保應(yīng)力管無氣隙地和屏蔽

緊密接觸。屏蔽斷口需用應(yīng)力疏散膠填充，若直接套裝應(yīng)力管，必然在斷口處形成氣隙，發(fā)生局部放電[11]。圖3是10kV 熱縮終端有無填充應(yīng)力疏散膠的局放試驗(yàn)對(duì)比圖。

3）對(duì)于接頭，絕緣端部應(yīng)按照說明書尺寸要求削反應(yīng)力錐（即鉛筆頭），因?yàn)殄F面的長度遠(yuǎn)大于絕緣端部直角邊的長度，因此沿錐面的切向場強(qiáng)遠(yuǎn)小于絕緣端部直角邊的切向場強(qiáng)，降低沿錐面發(fā)生擊穿的可能。

圖3 應(yīng)力疏散膠對(duì)局放的影響

4）開始加熱收縮管件時(shí)，要將火焰緩慢接近材料，在其周圍移動(dòng)，確保徑向收縮均勻后再緩慢延伸，將火焰朝向收縮方向，以便預(yù)熱管材收縮均勻，應(yīng)遵循工藝中推薦的起始收縮部位和方向，由下往上收縮以有利于排除氣體和密封[12]。

5）銅屏蔽和鎧裝必須良好接地，避免三相不平衡運(yùn)行時(shí)金屬屏蔽端部產(chǎn)生感應(yīng)電勢，甚至發(fā)生“打火”現(xiàn)象，燃燒護(hù)套或使電纜擊穿引起事故，實(shí)踐證明，類似事故時(shí)有發(fā)生。

6）收縮完全的管子應(yīng)光滑無皺折，能清晰看出內(nèi)部結(jié)構(gòu)輪廓，密封部位應(yīng)有少量膠擠出，以表明密封完善，確保防水性。

5 結(jié)論

1）熱縮附件是利用增加屏蔽斷口處周圍媒質(zhì)介電常數(shù)的原理來均勻電場，應(yīng)力管參數(shù)控制是產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。國內(nèi)目前只有少數(shù)幾家制造商的10kV 和20kV 熱縮附件嚴(yán)格通過了型式試驗(yàn)。35kV熱縮附件主要集中在局部放電試驗(yàn)項(xiàng)目不能通過。

2）縮附件在國內(nèi)仍然有一定市場，產(chǎn)品各個(gè)部件的配合情況及質(zhì)量是否滿足使用要求，需通過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)型式試驗(yàn)來驗(yàn)證。安裝技術(shù)是熱縮附件非常重要的環(huán)節(jié)，要注意安裝的環(huán)境條件和操作要點(diǎn)。

[1] 彭智.中壓電力電纜附件的性能比較[J].科技資訊,2008,34.

[2] 趙富強(qiáng),宮厚達(dá),張予臨. 熱縮電纜附件的應(yīng)用及探討[J].電工技術(shù),2001,10(1):62.

[3] 盧星辰.中壓電纜冷熱縮相結(jié)合終端的成型理論及模具設(shè)計(jì)[D].吉林：長春理工大學(xué),2012.

[4] 李志勇.各型電纜附件的特點(diǎn)及應(yīng)用[J].四川兵工學(xué)報(bào),2008,29(1):2.

[5] 陳羽中.熱縮型電力電纜附件的技術(shù)與應(yīng)用[J].絕緣材料,2002(2):35.

[6] DL 413—91 35kV 及以下電力電纜熱縮型附件應(yīng)用技術(shù)條件[S].

[7] 劉子玉,王惠明.電力電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].西安：西安交通大學(xué)出版社,1995.

[8] GB/T 12706.4—2008 額定電壓 1kV(Um=1.2kV)到 35kV(Um =40.5kV)擠包絕緣電力電纜及附件 第 4 部分：額定電壓 6kV(Um =7.2 kV)到 35 kV(Um =40.5 kV)電力電纜附件試驗(yàn)要求[S].

[9] 袁淳智.10kV 交聯(lián)聚乙烯電纜熱縮接頭[C].武漢:全國第四次電力電纜運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)論文集,1992: 106-107.

[10] 王偉,李云財(cái).交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電力電纜技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[11] 劉剛,陳志娟.10kV 交聯(lián)聚乙烯電纜終端主絕緣含空氣氣隙缺陷試驗(yàn)[J]. 高電壓技術(shù),2012,38(3),171-176

[12] 唐益民,李建安.淺談10kV 交聯(lián)聚乙烯熱縮電纜頭的安裝[J].山西建筑,2008,34(16).