電纜壓接影響因素與性能試驗分析

□ 李國維 □ 王 慶 □ 徐雪霞 □ 馮硯廳 □ 陳二松

國網河北省電力有限公司電力科學研究院 石家莊 050021

1 研究背景

在電纜施工中,電纜接頭制作是重要的環節。電纜接頭由于位置的隱蔽性,成為電纜運行及維護中最為薄弱的環節,電纜接頭的質量問題也日趨嚴重[1-4]。電纜接頭制作過程工序復雜,其中電纜導體部分的壓接是最重要的工序,壓接頭不緊、接觸電阻過大等問題都會造成電纜接頭質量不合格。目前,電纜接頭導體的壓接工作主要由工作人員借助簡易工具完成,雖然由人為引起的失效率很低[5-6],但是壓接的質量卻難以判斷。

筆者提出一種可用于電纜壓接性能試驗的方法,設計了相配套的試驗平臺。采用這一試驗方法和測試平臺對不同規格的電纜導體進行壓接試驗,對得到的數據進行初步處理分析,可以確認影響因素與電纜接頭壓接質量之間的關系。

2 電纜壓接影響因素分析

應用電纜壓接性能試驗平臺及試驗方法,選取直徑在50～400 mm范圍內的七種常見規格電纜,采用10 kV電纜導體最常用的連接方式——連接管壓接方式進行試驗[7-8]。試驗所需不同規格的電纜、連接管、壓接模具都選用實際施工中較為常見的類型。

參考GB/T 14315—2008《電力電纜導體用壓接型銅、鋁接線端子和連接管》標準可知,判斷電纜導體是否壓接合格主要有兩個參數:接觸電阻和抗拉強度[9],對這兩個參數有影響的主要因素是連接管與電纜的變形。在電纜壓接過程中,有許多因素會對電纜變形產生直接或間接的影響。

(1)壓接力數值。對于同一種規格的電纜及配套連接管,不同的壓接力使電纜和連接管產生的變形程度不相同,由此會對電纜接頭的接觸電阻和抗拉強度產生較大影響。

(2)壓接順序。電纜在壓接過程中,對于不同規格的電纜有不同數量的壓痕。如圖1所示,120 mm2規格的電纜一般會有四道壓痕。最先受力的位置肯定最先產生變形,因此壓接順序的不同也會造成變形順序的不同。圖1中四道壓痕的壓接順序可以是壓痕2、壓痕3、壓痕1、壓痕4,也可以是壓痕2、壓痕1、壓痕3、壓痕4,或者其它順序。

▲圖1 120 mm2規格電纜壓痕

(3)壓接模具寬度。目前市面上所銷售的模具,其寬度不相同。壓接模具寬度不同會影響電纜壓痕的寬度,進而造成電纜和連接管總變形面積不同,影響壓接質量。

(4)壓痕相位。通過壓接模具以不同的角度進行壓接,會產生互成角度的壓痕,從而造成電纜和連接管變形位置的不同,對電纜接頭的質量產生影響。

(5)壓痕數量。不同規格的電纜所對應的連接管,其長度不同。在連接管長度足夠長的情況下,壓痕數量偏少,顯然會影響電纜的抗拉強度;壓痕數量過多,則費時費力。可見,合適的壓痕數量也十分重要。

(6)施力方式。作業中難免會出現沒有一次性將壓接力施加至預期數值,進行二次甚至多次加壓的情況,因此研究分段加壓是否會對壓接質量產生影響也很有必要。

在實際施工中,還有一些其它因素會對電纜接頭的接觸電阻及抗拉強度產生影響,如施工場地環境、工人操作熟練度等[10-11]。由于無法將這些影響因素納入試驗研究,因此不作介紹。

3 試驗平臺

電纜壓接性能試驗平臺以氣液增壓型液壓機為施力裝置,這一施力裝置上裝有下壓裝置及電纜支撐裝置。試驗平臺結構如圖2所示。

▲圖2 電纜壓接性能試驗平臺結構

下壓裝置主要包括:① 壓接力測量系統,實現壓接時連接管所受到壓接力的實時測量;② 位移測量系統,實現壓接時上下模具間距離的實時測量,間接得到電纜的壓接變形量。電纜支撐裝置主要包括:① 電纜固定裝置,實現不同規格電纜的固定;② 電纜移動裝置,實現電纜水平方向上的移動,可以精確調整壓痕位置;③ 接觸電阻測量裝置,可以測量電纜和連接管之間由于擠壓、變形而產生的接觸電阻。壓接模具固定裝置分為相同的兩部分,分別安裝在下壓裝置和電纜支撐裝置中,從而實現不同規格壓接模具的固定。

在試驗平臺中,可以通過調節施力裝置頂部的排氣閥來獲得預期的壓接力,從而完成對壓接力和施力方式這兩個因素的研究。壓痕順序、壓痕數量、壓痕相位可以在試驗平臺上通過人工調節進行控制,壓接模具的寬度可以通過更換壓接模具來實現。由此,這一試驗平臺可以對上述所有影響因素進行試驗。

在所有影響因素中,壓接力的大小對電纜接頭壓接質量的影響尤為重要。試驗選取壓接力作為主要研究對象,限制壓接順序、壓痕相位等因素的變化,研究壓接力對不同規格電纜所產生接觸電阻及壓接變形量的影響,從而得到壓接力與壓接質量之間的關系。

4 試驗流程

電纜壓接性能試驗時,壓接力范圍為0～120 kN,壓接力每增大10 kN為一個間隔。壓接順序采用壓痕2、壓痕3、壓痕1、壓痕4,壓接模具寬度為14 mm,壓痕相位統一為0°。

(1)壓痕粗標定。在相應規格的連接管上用記號筆進行壓痕位置的粗標定,同時標記各個壓痕的壓接順序。

(2)初始電阻測定。在電纜未切割前采用電阻測試儀測量電纜的原始電阻,取被測規格電纜長度為1 m,測量電流為50 A[12],計算電阻率,并通過計算得到電阻值。再取長度為0.2 m的電纜,測量電阻值。通過計算兩者誤差來判斷直接測量0.2 m電纜電阻得到的數值是否有效。測試儀的測量精度為0.5%rd±2d,rd為量程,d為最小有效讀數位。以120 mm2電纜為例,測量1 m長度電纜的電阻,電阻率ρ等于RS/L。其中,R為電阻,S為截面積,L為電纜長度。由此計算得到1 m長度電纜的電阻率為0.018 5 μΩ·m,進一步通過電阻率計算公式得到0.2 m長度電纜的電阻值為30.83 μΩ。再取長度為0.2 m的電纜,測得電阻值為31.03 μΩ。兩者誤差為0.64%,因此,直接測量0.2 m長度電纜的電阻值,數據是有效的。

(3)電纜處理。將電纜切割成每段0.2 m,取切割好的兩根相同電纜,并選取對應規格的連接管。采用游標卡尺量取連接管長度的1/2,以相同的長度在兩根電纜上用記號筆進行標記。纏上絕緣膠帶,使電纜直徑大于連接管的內徑,從而卡住電纜,確保兩根電纜可以平分連接管。

(4)電纜放置。將兩根電纜放入連接管,并按做好的標記放置在壓接模具上。

(5)接觸電阻測試儀安裝。將測量夾頭各自夾在電纜外端,打開接觸電阻測試儀,進行調試。

(6)壓接試驗。啟動液壓機,調整到初始壓接力,按照壓痕標記順序進行壓接。每次下壓之后停滯10 s進行保壓,確保連接管變形達到穩定。每壓接一次,記錄對應壓接力下的接觸電阻、上下模具間距。

(7)后續壓接力下壓痕標記處壓接。調整液壓機的壓接力,每次增大10 kN重復步驟(6),直至壓接力使上下模具間距趨于穩定為止。

(8)電纜拆卸和下一規格電纜壓接。完成上述步驟之后,取下接觸電阻測試儀的測試夾頭和壓接完成的電纜,更換另一種規格的電纜,重復上述步驟。

電纜壓接性能試驗流程如圖3所示。

▲圖3 電纜壓接性能試驗流程

5 試驗數據分析

按照上述試驗流程,選擇電纜及連接管材料為銅材料進行試驗,得到七種規格電纜上下模具間距、接觸電阻與壓接力之間的關系。

5.1 上下模具間距與壓接力關系

選取規格為120 mm2的電纜,上下模具間距與壓接力關系曲線如圖4所示。圖4中四條曲線變化趨勢十分相近,若各條曲線之間有明顯的相關度,則可以認為在分析數據時,取任意一道壓痕的數據分析得到的規律是一致的。

▲圖4 120 mm2電纜上下模具間距與壓接力關系曲線

統計數據相關性是經濟學中常用的一種分析工具,能夠通過數據分析得出關聯性。統計數據相關性常用的方法有皮爾遜相關分析法、斯皮爾曼相關分析法、肯德爾相關分析方法。其中,皮爾遜相關分析法統計效能較好,但要求數據集合服從正態分布;斯皮爾曼相關分析法對原始變量的分布不作要求,屬于非參數統計方法,適用范圍更為廣泛;肯德爾相關分析法適用于正方形表格。由于筆者試驗的四組數據并不服從正態分布,因此選用斯皮爾曼相關分析法。

采用Origin軟件計算四組數據集合之間的斯皮爾曼相關度因數,所得結果見表1。

表1 數據相關度因數

由表1可以看出,四組數據集合之間每兩組數據的相關度因數均接近1。在相關強度的定義中,相關度因數為0.8～1時為極強相關。所以可以認為,由四組數據形成的曲線具有極高的相關性,取任意一道壓痕的試驗數據來進行分析是可以得到普遍性規律的。

取圖4(a)數據進行分析,對于120 mm2電纜而言,當壓接力達到約65 kN時,隨著壓接力的增大,上下模具的間距幾乎沒有變化。此時,上下模具已經基本合攏,中間有少量因連接管變形而產生的溢料,再增大壓接力不會改變電纜壓接狀態。由此可知,對于試驗所用模具,120 mm2電纜的最小壓接力為65 kN。

5.2 接觸電阻與壓接力關系

根據電纜接頭制作要求,電纜連接電阻小而穩定,能夠經受故障電流的沖擊;長期運行后,電纜接頭接觸電阻不應大于電纜線芯本體同長度電阻的1.2倍;新制作的電纜中間接頭,接觸電阻不應大于2倍同長度電纜電阻。筆者選用120 mm2電纜進行試驗,采用兩段長度均為0.2 m的電纜進行壓接,壓接后的總長度為0.4 m。采用接觸電阻測試儀測量0.4 m長整根電纜的電阻值為37.73 μΩ,將該電阻值作為合格值。測量不同壓接力下同等長度電纜的接觸電阻作為實際值,得到接觸電阻與壓接力關系曲線,如圖5所示。

由圖5可知,壓接力小于20 kN時,接觸電阻隨著壓接力的增大急劇減小,隨后便基本趨于穩定。同時可以看出,要滿足接觸電阻的要求,120 mm2電纜所需的壓接力約為20 kN,遠遠小于120 mm2電纜壓接變形停止時的最小壓接力65 kN。可見,接觸電阻雖然是衡量電纜接頭導電性能的關鍵指標,但是接觸電阻達到合格條件所需的壓接力很小,在實際生產過程中反而不需要特別關注接觸電阻這一指標。

▲圖5 120 mm2電纜接觸電阻與壓接力關系曲線

5.3 不同規格電纜數據

以70 mm2、150 mm2、300 mm2規格電纜為例,上下模具間距與壓接力關系曲線如圖6所示。

▲圖6 不同規格電纜上下模具間距與壓接力關系曲線

由圖6可以看出,三種規格的電纜變形變化趨勢基本一致。300 mm2電纜在施力裝置最大輸出壓接力時仍然未達到變形停止階段,說明本試驗所采用的施力裝置所能輸出的最大壓接力120 kN偏小。施力裝置的最大輸出壓接力與10 kV電纜實際施工中廣泛采用的液壓鉗最大輸出壓接力基本一致,由此可以得出,在實際施工中采用的液壓鉗完成300 mm2及以上規格電纜壓接時,并不能達到最佳的壓接質量狀態。

同樣以70 mm2、150 mm2、300 mm2規格電纜為例,接觸電阻與壓接力關系曲線如圖7所示。

▲圖7 不同規格電纜接觸電阻與壓接力關系曲線

由圖7可以看出,三種規格電纜接觸電阻與壓接力的變化規律基本一致。電纜截面積越大,達到合格接觸電阻所需要的最小壓接力也越大,但是都遠遠小于電纜壓接變形停止時所需要的最小壓接力,進一步證明在實際施工中只要保證壓接模具間距不再隨壓接力增大而變化,接觸電阻便完全能夠達到要求。

6 結束語

筆者提出了用于電纜壓接性能試驗的試驗方法及相配套的試驗平臺,可以得到壓接力、上下模具間距和接觸電阻的精準數值,通過所得數據得到各因素之間的關系,從而對電纜導體壓接質量進行量化評價,為解決目前電纜接頭制作的質量問題提供參考。