管道绝缘接头理论研究

管道绝缘接头理论研究（共4篇）

管道绝缘接头理论研究 篇1

0引言

高密度聚乙烯管道具有优异的化学稳定性和耐候性,其主要特点表现为抗压能力强、摩擦系数小、施工便捷、使用寿命长、适当的柔性和绿色环保。聚乙烯管道以其可靠的性能在燃气系统、给水系统、化工管道和通讯管道等领域有着广泛的应用[1]。聚乙烯管道的焊接方式主要有热熔焊接和电熔焊接两种,其中电熔连接技术成熟、自动化程度较高、安装方便快捷,在聚乙烯管道维修中使用较为普遍[2,3]。实践证明,聚乙烯管道最易损坏和泄漏的部位就是管道接口[4]。因此,本研究对聚乙烯管道接头进行无损检测和缺陷识别,实现接头焊接质量和安全性能的评定具有重大意义。

聚乙烯管道电熔接头的检测方法有目视检测、破坏性试验、超声检测等,靠目视检测无法探查内部缺陷,而破坏性检测是一种抽样性质的方法[5]。目前比较有效的无损检测方法是采用超声相控阵成像检测技术。研究表明,采用超声相控阵技术及B型扫描成像技术,能够可靠地检出聚乙烯管道电熔接头的内部缺陷,并能精确地确定缺陷的位置和大小[6]。

为了提高缺陷检测效率,减少人为因素的影响,实现基于超声相控阵成像检测的聚乙烯管道电熔接头的缺陷自动识别,本研究在运用数字图像处理技术得到聚乙烯管道电熔接头超声图谱的缺陷区域的基础上,研究实现对各个缺陷区域进行分类识别的方法。

1小波变换

小波变换作为一种时频局部化的分析方法,其窗口是可变的。小波变换在低频部分具有较低的时间分辨率和较高的频率分辨率,在高频部分具有较低的频率分辨率和较高的时间分辨率,具有对信号的自适应性和局部分析与细化的功能,被广泛应用于信号分析的多个领域[7,8,9,10],是现代信号分析与处理的有力工具[11]。

对于任意函数f( t) ∈L2( R) 的连续小波变换为:

式中: a—尺度参数,b—平移参数。

为了降低小波变换的系数冗余度,将小波变换基函数尺度参数a和平移参数b限定在一些离散的点上进行取值,即可得到离散小波变换函数:

相应的离散小波变换可以表示为:

为了克服小波分解在高频段的频率分辨率较差而在低频段的时间分辨率较差的缺点,本研究在小波分解的基础上提出了小波包分解。小波包分解提高了信号的时频分辨率,是一种更精细的信号分析算法。

2缺陷分类识别

聚乙烯管道电熔接头中常见的缺陷类型主要有电阻丝错位、熔合面缺陷、孔洞[12]和冷焊[13]等。聚乙烯管道电熔接头超声相控阵检测B型扫描所得的原始图像如图1所示。图1中包含一个孔洞缺陷。

本研究运用数字图像处理技术能够得到聚乙烯管道电熔接头超声图谱的缺陷区域,结果如图2所示。图2中共分离出15个缺陷区域,其中6号标记的区域为孔洞。笔者在此基础上,研究了利用计算机对不同类型的缺陷进行自动分类识别的方法。

为此,本研究首先求出图像中缺陷区域的质心位置,取出图像矩阵中质心所在的列上所有像素点的灰度值,截取质心以下的部分进行5点平滑处理,从而对应于每个缺陷区域构成一组一维信号。结果如图3所示。图3中的序号与图2中的序号对应,图中的横坐标表示图像上的点到质心的竖直距离。

所提取的一维信号的波形特征与聚乙烯管道电熔接头的超声检测成像规律相一致如图3所示。大部分电阻丝信号均发生了明显的振荡,只有少数几个电阻丝的振荡信号较弱,而孔洞信号不发生振荡。在所有的电阻丝信号中,随着信号的振荡趋于稳定之后,均会出现一个峰值较小的波峰,该波峰信号即是聚乙烯管道接头的内壁反射信号,而在孔洞信号中没有出现该波峰,则是由于超声波不能穿透孔洞到达管道内壁造成的。本研究取图3中的第5、6、10组信号作进一步的分析,对3组信号进行小波分解,并重构其高频分量,结果如图4所示。图3中第5、6、10组信号的高频分量分别如图4( a ~ c) 所示。从图4中能够看出,信号高频分量的振荡与信号的波形特征相一致,在信号幅值较大的区间内,其高频分量的振荡也较强烈。由于孔洞信号不发生振荡,也没有内壁反射形成的波峰,孔洞信号高频分量的振荡明显比电阻丝信号弱。本研究采用信号高频分量的标准差来度量信号的振荡程度,图4中3个信号高频分量的标准差分别为2. 546 3、1. 204 5、1. 548 3。参考图3中对应的信号波形可以看出,由于图4( b) 为孔洞信号,不发生振荡,因此其高频分量标准差也最小; 而图4( c) 为振荡较弱的电阻丝信号,但是其高频分量的标准差仍然比孔洞信号高; 图4( c) 为正常的电阻丝信号,其高频分量的标准差明显大于孔洞信号。所有15组信号的高频分量的标准差如表1所示。

因此,本研究可以将信号高频分量的标准差作为对孔洞缺陷和电阻丝信号进行区分的依据。而对于振荡较弱的电阻丝信号,可以通过判断其是否包含内壁反射信号将其与孔洞信号区别开来。

3结束语

为实现聚乙烯管道电熔接头超声相控阵成像检测的缺陷自动分类识别,在运用数字图像处理技术能够得到聚乙烯管道电熔接头超声图谱的缺陷区域的基础上,笔者研究了对各个缺陷区域进行分类识别的方法。该方法通过取出图像矩阵中缺陷区域的质心所在的列上所有像素点的灰度值,截取质心以下部分,从而对应于每个缺陷区域构成一组一维信号。本研究对这些一维信号进行平滑处理及小波分解,并重构其高频分量,将信号高频分量的标准差作为区分孔洞缺陷和电阻丝信号的依据。

研究结果显示,不同类型的缺陷所对应的统计特征有所不同,正常电阻丝信号的标准差明显大于孔洞缺陷,笔者所研究的方法能够较好地分类识别出孔洞和电阻丝信号,具有一定的应用价值。

浅析软接头绝缘硫化 篇2

海底电缆软接头技术一直是国内外公认的比较尖端的技术难题, 生产工序比较繁琐, 每道工序都需要精心操作。从生产工序来看, 两者的制作工艺完全一样。材料方面, 主要区别于不同的绝缘材料, 而直流海底电缆软接头的硫化参数与交流海缆略有差异, 例如:硫化温度、时间和氮气气压的控制。硫化时间和氮气压力的控制是软接头制作成功的关键所在。

1 硫化工艺流程

(1) 软接头绝缘线芯准备; (2) 硫化模具安装; (3) 校准温控显示; (4) 线芯预热; (5) 通入氮气、冷却循环水; (6) 检查硫化模具气密性; (7) 升温、加压; (8) 恒温、恒压; (9) 降温、降压自然冷却; (10) 开模检查硫化效果11.确认硫化合格。

2 硫化原理和模具设计

(1) 硫化原理:通过过氧化物的高温分解而引发的一系列自由基反应, 进而使PE发生交联。过氧化物受热分解形成自由基, 其交联反应的过程如下:

(2) 硫化模具上下有辅助加热块, 通常情况下上各两块或三块。加热块的温度通过热电偶连接温度箱来控制, 温控箱可显示硫化模具腔体内的温度和表面温度。

(3) 加热块是硫化模具必不可少的的辅助设备, 其温是度通过热电偶连接温控显示仪来控制, 各厂家加热块的设计形状也不同, 产生的效果也不一样。

3 软接头硫化过程分析

绝缘硫化是聚乙烯分子链变化的一个过程, 随着温度和时间的变化而变化。硫化分为四个阶段:第一预热, 将挤塑好的软接头绝缘线芯安装在模具内, 低温预热线芯, 预热温度80℃左右, 同时使橡皮垫达到一定的热膨胀, 拧紧模具两端扎紧橡皮的铁箍, 通入0.5 MPa氮气检查模具的气密性;第二升温、升压阶段。检查密封无任何问题后开始通入冷却循环水, 间隔升温升压, 每个半小时升温和升压一次, 温度为20℃, 气压0.2MPa;第三恒温恒压阶段, 此时的硫化温度为最高温度, 一般情况下为230℃左右, 氮气气压不超过1.5 MPa。硫化时间根据线芯的绝缘厚度来决定;第四降温、降压冷却阶段, 关掉电源冷却, 每隔半小时释放少量的气压, 直到手可触摸冷模具却为止;第五检查确认硫化效果, 打开模具检查硫化线芯是否有气孔、杂质、颗粒、烧焦、凸凹不平、严重偏心等现象。

硫化过程注意事项:

(1) 线芯预热阶段温度、气压不宜过高。因为线芯表面温度较低, 低温预热可使温度慢慢的向线芯内部渗透, 避免温度过高会造成表面烧焦而线芯内部未硫化现象。另外低温预热可使橡皮垫得到一定的热膨胀, 从而确保模具气密性得到保障;

(2) 升温升压需间隔调节, 不宜将温度和气压直接升到硫化最高温度和最大气压。由于在加热加压的过程中腔体内温度和压力逐渐上升, 且会慢慢的到达硫化时恒温恒压状态;

(3) 降温降压冷却, 检查硫化效果, 确认硫化是否合格。然后再开始处理绝缘表面。

(4) 外屏蔽恢复, 外屏蔽恢复采用挤包式恢复, 通过专用设计模具进行外屏蔽注塑,

(5) 脱气, 除去绝缘内部中的甲烷和其他易燃小分子杂质。

4 绝缘硫化需解决的问题

绝缘硫化中经常会出现诸多意想不到的问题, 比如硫化密封漏气、绝缘硫化有严重偏心、气泡、烧焦、表面有杂质、凸凹不平、绝缘锥型处的气隙或气孔等现象。针对这些现象需要进行大量的绝缘线芯硫化试制, 每次试制后分析问题原因所在。通过改进工装设备和调整工艺参数, 从而逐一解决问题, 提高硫化效果, 总结硫化成功经验。

4.1 形成气孔的原因

(1) 挤塑时绝缘材料潮湿; (2) 硫化温度过高; (3) 冷却时模具打开过早; (4) 密封漏气; (5) 氮气不纯

4.2 粘接处有气隙原因

(1) 硫化温度过低, 粘结处未完全熔融; (2) 硫化时间短; (3) 粘接处未处理干净。

4.3 硫化后绝缘严重偏心原因

(1) 绝缘注塑时线芯未放水平; (2) 注塑压力过大; (3) 注塑时预热温度过高, 绝缘锥型界面处软化流动。

5 结论

软接头绝缘线芯硫化是一个复杂化的过程, 通过模具设计、反复大量样品试制以及分析硫化过程中出现的诸多问题, 进一步的改进工装模具和调整工艺参数。解决了软接头绝缘偏心、锥型处部分位置有气隙、气孔、气泡等现象, 改善了绝缘界面处绝缘空间电荷的集聚分布, 从而改变场强分布的影响。另外, 在软接头绝缘的硫化过程中, 橡胶密封垫的密封性, 硫化温度高低、时间长短、气压大小等控制是软接头绝缘硫化成功的关键因素。

摘要：近年来, 海底电缆软接头的研发和制作成为各海缆厂家研究的重要课题。虽然220k V及以下的交流海底电缆的软接头已经研发成功, 且应用于舟山、福建、广东江门等地, 但是高电压直流海缆软接头技术仍是一片空白。在研制直流海底电缆软接头过程中, 如何解决软接头绝缘二次硫化锥型处有气隙、气孔以及绝缘界面出空间电荷聚集、场强分布影响等现象。因此设计工装模具、然后通过大量的试制, 分析现象的产生、改进等一系列工作, 最终攻破硫化技术难题。

关键词：绝缘硫化,气隙,电荷集聚,场强,攻破硫化技术难题

参考文献

[1]甘兴忠.电线电缆绝缘交联聚乙烯交联工艺的分析和对比, 2008 (02) .

管道绝缘接头理论研究 篇3

胶接绝缘接头是区间无缝线路工电结合部最常见的设备之一, 随着大秦线轴重和年运量的增加, 胶接绝缘接头重伤, 尤其是胶接绝缘接头夹板重伤、折断的发生也越来越普遍, 存在着极大的行车安全隐患。大秦线每年两次平均40个~50个180 min大修天窗, 除两次集中修外每月3个120 min维修天窗, 其余时间处理设备病害需申请临时要点进行。而大秦线运输任务繁重, 相邻两趟列车间隔时间较短, 申请临时要点困难, 等待给点时间较长, 可能导致夹板重伤进一步发展为折断, 造成工务设备故障, 危及行车安全。

1 胶接绝缘接头夹板伤损数据统计

选取2012年9月~2013年3月间我段管内的胶接绝缘接头夹板伤损数据进行分析, 期间我段共计出现胶接绝缘接头伤损35处, 其中:涿鹿站3处, 沙城东站1处, 北辛堡站6处, 延庆北站4处, 平谷站4处, 大石庄站2处, 蓟县西站3处, 翠屏山站1处, 玉田北站10处, 迁西站1处。夹板双折4处, 单折19处, 夹板裂纹12处。

1.1 根据上线服役时间统计

胶接绝缘接头上线后时间不足1年因伤下道的有11根, 占伤损总数的31.4%;上线后时间在1年~1年半因伤下道的有3根, 占伤损总数的8.6%;上线时间在1年半~2年因伤下道的共计21根, 占伤损总数的60%。

1.2 根据胶接绝缘接头类型统计

厂制胶接绝缘接头伤损的有12根, 占伤损总数的34.3%;现场胶接绝缘接头伤损的有23根, 占伤损总数的65.7%。

1.3 根据通过总重统计

通过总重不足5亿t因伤下道的有12根, 占伤损总数的34.3%, 通过总重大于5亿t小于8亿t因伤下道的有5根, 占伤损总数的14.3%;通过总重大于8亿t小于9亿t因伤下道的有6根, 占伤损总数的17.1%;通过总重大于9亿t小于10亿t因伤下道的有11根, 占伤损总数的31.4%, 通过总重大于10亿t因伤下道的有1根, 占伤损总数的2.9%。

1.4 根据现场病害情况统计

现场无明显病害的22处, 存在小空吊的10处, 接头轨面不平顺的3处。

2 胶接绝缘接头夹板伤损情况分析

当胶接绝缘夹板上道后达到1年半~2年时, 夹板基本达到疲劳期, 易出现夹板折断、裂纹现象。建议车间加强对此类胶接绝缘接头的检查, 并有计划的纳入维修天窗点进行更换。

日常巡视加强对胶接绝缘接头设备的检查, 发现异状及时处理, 防止夹板折断或裂纹的发生。鉴于现场胶接绝缘接头出现伤损比例较大, 车间今后计划进行自粘胶接绝缘接头施工作业时, 提前与段上沟通, 段邀请厂家专业技术人员到施工现场进行指导, 减少因操作工艺流程错误导致的胶接绝缘接头伤损。

通过总重不足5亿t因伤下道的胶接绝缘接头处大多存在空吊、高低不良等设备病害, 车间应根据胶接绝缘接头上线时间的不同有针对性的加强对胶接绝缘接头处空吊、高低不良、接头轨面不平顺病害的维修养护, 延长胶接绝缘接头使用寿命。

通过总重大于8亿t时, 胶接绝缘夹板基本达到疲劳期, 胶接绝缘接头伤损率大幅度增加, 易出现胶接绝缘夹板折断、裂纹, 应加强检查并有计划的进行更换。

3 胶接绝缘接头夹板伤损原因分析

根据近期胶接绝缘伤损 (裂纹、单折、双折) 现场设备情况看:

一种情况为胶接绝缘夹板折断或裂纹处所线路设备无明显病害, 夹板无微小裂纹, 夹板断裂面为新槎口, 无锈蚀痕迹, 由于胶接绝缘接头上线时间过长, 胶接绝缘夹板处于疲劳状态, 列车碾压导致脆断。

另一种情况为胶接绝缘夹板折断处所线路设备存在接头空吊、轨面不平顺、高低不良等设备病害, 由于受到天窗点时间少的限制, 设备车间对接头空吊没有及时整治, 对胶接绝缘接头轨面不平顺的钢轨打磨工作没有及时安排。导致在列车通过胶接绝缘接头时反复冲击作用下, 静态轨面不平顺、高低不良与动态接头空吊线路设备病害联合叠加, 使夹板能够承受的荷载超过上限, 从而导致胶接绝缘接头夹板折断或裂纹。

4 结语

大秦重载条件下, 提前预防胶接绝缘接头夹板伤损甚至夹板双折的发生, 应综合考虑胶接绝缘接头处所的设备病害情况、接头钢轨轨面不平顺、现场胶接是否执行工艺流程标准、夹板是否达到疲劳期等不利条件。不断加强设备维修养护水平、提高现场胶接操作工艺、总结现场经验, 不断减少胶接绝缘夹板重伤的发生, 确保大秦线行车安全。

摘要：介绍了大秦线区间无缝线路胶接绝缘接头夹板伤损发生的原因及规律, 指出加强胶接绝缘接头位置的设备养护维修、定期打磨钢轨、在夹板达到疲劳期前有计划的进行更换, 是防止胶接绝缘接头夹板折断危及行车安全的有效手段。

关键词：胶接绝缘接头夹板,伤损,维修,数据

参考文献

[1]中华人民共和国铁道部.铁路线路维修规则[M].北京:中国铁道出版社, 2001.

管道绝缘接头理论研究 篇4

在城市供电网络电缆化工程中常用到电缆分接箱、环网柜、美欧式箱式变电站等成套设备,这些设备与电缆连接时,常用到预制可分离式电缆连接器(或称电缆接头)。所谓预制式,即专业厂商预先制造好各种部件,然后在安装施工现场进行连接作业;所谓可分离式,即电缆接头可直接插入或者用螺栓连接到电气设备的接口上,在停电检修或需要时可以拆开。它不仅包括橡胶复合层绝缘本体,而且包括导电连接金具等,连接到电器设备上后,带电导体完全封闭在绝缘物内部运行。可分离式电缆连接器常分为不可触摸型和可触摸型2类。不可触摸型是二层橡胶绝缘结构,第一层为内屏蔽层,第二层为绝缘层,带电运行时附件外表面可能带有电位,不允许人手触摸,称为不可触摸型。如在不可触摸型二层结构的基础上,在外面再注射一层半导电屏蔽层(或喷涂一层半导电薄层)并接地,带电运行时允许触摸,称为可触摸型。从安全角度看,可触摸型要比不可触摸型安全得多。

预制式电缆接头是采用硅橡胶或者三元乙丙橡胶等材料,在工厂里把电缆接头的增强绝缘物和屏蔽层预先制成一个整体,构成各种形状的多层结构部件。例如,一个3层结构的“T”形接头,制作时用专业模具分次压制,先制成厚度在3 mm左右的内屏蔽导电层,再放进成型模具中,用硅橡胶材料制成厚度为8～10 mm的中间主绝缘层,最后在主绝缘的外面再制一厚度为3～4 mm的外导电屏蔽层(如图1所示)。

在电缆接头的实际使用中,由于产品质量或安装质量引起的接头烧毁事故时有发生,在处理事故分析原因时用户与厂家的看法经常迥异。不同厂家提供的接头产品各有特点,如有的是三层注射复合结构,有的是二层注射复合结构再喷涂一外半导电薄层,另外采用的胶料配方各不相同,表层电阻率差异较大,少数国内厂家以国际知名公司产品为仿制对象,凭样设计制造,对影响接头绝缘性能因素缺乏深度认识,在设计参数时缺乏公式量化指导。目前国内尚无可分离式连接器件的产品标准,大多参照IEEE 386-1995或DIN 47636标准,各方的认识理解难以统一,妨碍技术交流,阻滞行业发展。现本文针对绝缘问题,结合可分离式电缆连接器的结构和材料特点,分析电缆接头局部电场畸变情况,用等效电路法探讨相关因素影响接头绝缘性能的机理,提出相应的绝缘控制办法,希望对设计人员有所帮助。

2可分离电缆接头的电场畸变与界面特性

电缆通过电缆接头与高压电器设备连接或者电缆接头相互之间进行连接时,是充分地利用界面效应,依靠电缆本身与附件或附件与附件之间的结合界面的受压弹性变形来保证界面绝缘强度的。配合界面采用合适锥度过盈配合,界面两侧绝缘材料互相挤压、变形,具有良好的密封能力。穿壁环氧套管与“T”形接头的连接就体现了电缆接头界面之间的配合状况(如图2所示)。

电缆接头附件绝缘性能的优劣主要取决于界面特性,这是因为电缆XLPE材料绝缘强度很高,一般情况下电缆本身击穿可能性很小;同时与之相配合的电缆接头附件的材料绝缘特性也很好,接头件本身的绝缘也一般不会击穿,而发生问题主要是出在电缆与电缆接头附件之间结合的界面上。如界面含有不均匀散布的材料微粒、凹凸绝缘物、还有安装过程中涂抹上去的绝缘润滑脂(如硅脂)等,这些复合物的影响,加上外界压力的作用,直接决定了界面的绝缘强度。在接头橡胶体内部,线芯导体与橡胶层内壁因粗糙不平和污秽,导致界面的微观电场不均匀,容易造成电场集中产生局部放电。同时,电力电缆在安装连接时,为保证高压对地的爬电距离,需剥除一段电缆屏蔽层,而该屏蔽层的断开会引起电场分布发生畸变的后果,使电场在该处不仅有径向分量,而且有轴向分量,使得绝缘较薄弱的界面上承受较高的场强,最容易发生电场击穿,因此电缆与电缆接头附件的连接处是绝缘控制的重点,在设计和安装时必须要充分考虑。

对电缆附件界面进行设计计算时,要考虑参数的安全裕度。相关文献及试验数据表明:XLPE电缆界面的绝缘击穿强度与界面上受到的握紧力呈指数上升的关系。通常将空气的临界游离场强(2.1 kV/mm)当作界面的最高击穿场强,对于10 kV XLPE绝缘电缆的材料表面工作场强取为材料击穿场强的1/10～1/15,计算时界面工作场强取2.1 kV/mm×(1/10～1/15)=0.14～0.21 kV/mm,由此可推算出界面长度(还需增加15%的安全裕度),所以10 kV XLPE绝缘电缆的界面长度L=8.7 kV/(0.14～0.21 kV/mm)×115%=49～73 mm。还需注意,这个界面的工作场强必须有一定的正压力为前提,如果没有界面正压力,界面的长度就必须和沿面爬电长度一样。

半导电屏蔽层法和电场应力锥控制法是解决上述电场畸变问题的关键技术。

3可分离式电缆接头绝缘控制措施

3.1 半导电层屏蔽法的应用

图3为典型的200 A可拔插式肘形电缆插头的剖面图,胶体是三层结构,由内至外依此为内半导电屏蔽层、中间绝缘层、外半导电层。预制式电缆接头的各层具有不同的特性和作用。内屏蔽层(最内层)的作用是:①屏蔽内部电场,消除线芯导体局部表面不规则或者粗糙突出处的电场集中,使电场分布均匀;②与绝缘材料层紧密结合,驱除空气,提高局部放电电压水平;③热屏蔽作用,当故障电流导致温度突升时,它起热缓冲作用,使绝缘层材料不致直接受温度冲击;④抑制绝缘材料中电树枝或水树枝的生长。绝缘层(中间层)起主绝缘作用。外半导电层(最外层)的作用是:①与内屏蔽层构成同心圆电场,使电场均匀分布;②适当降低表面电阻,控制电压梯度,提高沿面闪络电压;③运行时接地以保障安全,带电运行时允许触摸。通常地,半导电橡胶体积电阻率在104～107Ω·cm之间,若电阻率过高,则会使介质损耗增加,过低则降低绝缘冲击强度。绝缘层胶体的体积电阻数量级约为1014Ω·cm。如没有内外半导电屏蔽层,仅有绝缘层,一方面,由于胶介质内壁表面电阻的不均匀易使电场分布变形,而且导体表面不可能绝对光滑,橡胶层内壁总可能有些粗糙不平整处和污秽,电缆线芯导体与橡胶绝缘层之间存在气隙,会使胶介质内表面的微观电场不均匀,造成局部电场集中,容易导致局部放电。另一方面,在环境湿度过大、污秽严重的情况下,外表面层容易发生沿面闪络。

内半导电屏蔽法可使沿固体电介质表面的电位分布均匀化,使其最大电位梯度减小,以提高沿面闪络电压。设在绝缘层内部的半导电屏蔽层,它与导体等电位并与绝缘层良好接触,消除了接线端子导体表面和橡胶层内壁粗糙突出处的电场集中,使电缆接头绝缘的工频耐受电压和局部放电电压有大幅度的提高。

同样,外半导电层对提高电缆接头组件的绝缘性能也十分重要。肘形电缆插头组件的近似等效电路如图4所示。当电缆圈4肘形电缆插头等效电路

接头带电运行时,胶体介质表面的电场强度具有较强的垂直于介质表面的分量(或相对于电缆的径向分量),对于各微分单元,Rr、Cy、Rs分别表示介质体积电阻、介质体积电容、外半导电层的表面电阻。假设电缆接头本体没有外半导电层,则当工频电压作用时,流过体积电容Cr的电容电流和流过体积电阻Rr的漏导电流将造成各表面层电阻的电压降ΔU。

由上面公式可看出,流过各表面层电阻的电流最终将汇流于接地点B处,即该处附近的表面电流密度in最大,从而该处介质表面电阻上所形成的电位梯度ΔU。也最大,当这个电位梯度增加到足以造成空气游离的数值(特别是受过电压冲击时),该段胶体介质表面就很容易会出现沿面放电现象,进而扩展引起故障。

固体介质的介电常数ε愈大,固体介质的厚度愈小,则体积电容Cv值就愈大,沿面电位分布就愈不均匀,其闪络电压就愈低;同理,体积电阻Rv愈小,沿面闪络电压也就愈低。而固体介质的表面电阻Rs(特别是靠近接地点B处的)在一定范围内适当减小,却可使沿面的最大电位梯度降低,从而使沿面闪络电压提高。所以,设置外半导电均压层,或者在接地点附近的介质表面喷涂上适当电阻率的半导电薄层,目的是减小该处的表面电阻,以减小该处的表面电位梯度,抑制沿面放电。

所谓屏蔽,实质上是一种改善电场分布的措施。半导电层之所以具有屏蔽作用,是因为半导电橡胶层是在橡胶内填充导电碳微粒制成的,当填充碳微粒达一定体积量时,导电碳微粒自由电子在外界电磁场作用下产生运动,自由电子在运动过程中形成与外界电磁场相反的电磁场,内外电磁场相互抵消,起到削弱电磁场波的作用。

3.2 电场应力锥控制法

应力锥控制法是解决前述电缆金属屏蔽层断开处轴向电场分布过强问题的重要手段。应力锥是预制式电缆接头附带的胶质部件,它通过改变电缆附件电场应力集中处的几何形状来改变电场分布,以达到改善电场强度的目的。

安装电缆接头时,需先按图5 (a)所示切剥XLPE电缆,线芯接高压U,铜屏蔽接地,在正常运行时通过电容电流。由于电缆绝缘层的体积电阻、体积电容、表面电阻、表面电容等都是分布参数,切断屏蔽层后屏蔽切断处的场强最大,电场应力最为集中。要使屏蔽末端电位分布趋于均匀,就得改变这些分布参数。可在电缆末端屏蔽切断后留下这段绝缘表面上套装一预制式应力锥,如图5 (b)所示,相当于在电缆屏蔽末端绝缘表面上附加一层较高介电常数的材料,其等效电路如图6所示。以Rv、Cv、Rs、Cs分别表示单位长度电缆绝缘层的体积电阻、体积电容、表面电阻、表面电容,以Rs、Cz分别表示应力锥单位长度的体积电阻和体积电容。需注意,该等效电路并未考虑电缆内半导电层的影响,是由于电缆芯绝缘层的阻抗要比其内半导电层的阻抗大得多,厚度也大得多,因此,单位长度的电容要比内半导层小得多,从而容抗比内半导层大得多。

以截面120 mm2的XLPV电缆为例。

(1)电缆的单位长度电容(D1/D0),D1为电缆芯绝缘外径,取18 mm;D0为电缆导体的直径,取13 mm;ε0为真空介电常数,取8.85 pF/m;εr为芯绝缘介质的相对介电常数,取εr=2.5,计算得Co≈4.27 pF/cm;则在50 Hz工频下容抗Xo=丨1/ωCo|≈7.46×108Ω。

(2)应力锥的单位长度电容Cz=2πε0εr/ln (D1/D0),D1为应力锥的外径,取52 mm;D0为应力锥的内径,取18 mm;ε0为真空介电常数,8.85pF/m;εr为硅绝缘胶体介质的相对介电常数,εr≈2.5;计算得Cz≈1.31pF/cm;则在50 Hz工频下容抗Xz=|1/ωCz|≈2.4×109Ω。

(3)电缆芯绝缘层和应力锥绝缘层的体积绝缘电阻Rr=[(Pv·ln (D/d)]/(πL),Pv为体积电阻率,约为1014Ω·cm,L为绝缘层长度,取1cm;D为绝缘层外径,电缆芯绝缘取22 mm;应力锥取52 mm;d为绝缘层内径,电缆芯绝缘取13 mm;应力锥取18mm;计算得电缆芯绝缘Rv=1.68×1013Ω;应力锥绝缘层Rv=3.38×1013Ω

通过估算可看出,在50 Hz工频电压作用下,电缆及接头附件的绝缘电阻比容抗大很多数量级,所以进行等效电路分析时,绝缘电阻R的影响可以忽略不计,而主要考虑电容的影响,故图6所示的等效电路可近似简化为如图7所示电路。

从图7看出,应力锥通过自身的几何锥面结构使电缆屏蔽端部增加很多杂散电容Cz,这些杂散电容Cz和原来的体积电容Cv、表面电容Cs组成电容链来补偿原电容链的不足,使终端处流入半导电层端部的电容电流分散到各杂散电容Cz上,从而使屏蔽层端部处容抗减小,使电位降低,起均匀电场的作用。可见,电场应力控制法是建立在分析影响电位分布的各个因素的基础之上的。

应力锥的几何形状、制作材料、尺寸参数及半导电层阻值,会影响其均匀电场的效果,它是电缆终端附件的重要电场控制部件,可大幅提高工频耐压水平。应力锥绝缘层与外半导层之间有一弧形过渡界面,对改善端部电场界面电位梯度分布起重要作用。应力锥自身有一内锥度,为保证配合时界面间足够的正压力,对锥度的优化设计十分关键。通常,应力锥与电缆装配时过盈量在2.5～5 mm之间,(即电缆绝缘外径要大于电缆附件的内孔直径2.5～5 mm),若过盈量过小,严重影响应力锥锥体与电缆绝缘表面的界面压力,并造成沿面放电;过盈量过大,电缆附件安装困难且容易撑裂锥体。应力锥安装后外表面接地,过盈装配后应力锥大台阶面露出“T”形接头本体下端约5 mm以上。另外,制作电缆头时,在切剥好电缆后,须先用半导电带直接绕包在电缆绝缘屏蔽切断端头处(如图8所示),再装配应力锥,这样有利于缓解该点的电场应力集中的问题。应力锥对改善电缆端部电场应力集中分布效果如图9所示。

4 结语

结合电缆和预制式电缆接头组件的结构,建立了近似等效分析电路,讨论了内外半导电屏蔽层对提高电缆附件绝缘强度的作用机理,并通过定量估算分析了影响电缆端部电位梯度分布的主要因素,介绍了电场应力锥改善电缆端部电场应力集中问题的原理。设计过程中,在充分考虑接头连接界面电位分布的前提下,利用内外半导电屏蔽层和优化应力锥的结构,能显著提高电缆接头组件的绝缘性能。

摘要：文章基于预制可分离式电缆接头的复合结构和材料特征,分析了工频条件下胶质接头的界面特性和电场畸变。采用等效电路法,讨论了半导电屏蔽层和电场应力锥改善电缆附件装配连接界面电位梯度分布的作用机理。结果表明,内屏蔽层能消除局部电场集中,使介质表面的电位分布均匀,提高电缆附件的工频耐压和局放电压;适当减小外表面电阻率,能有效抑制沿面放电;应力锥可改变电缆屏蔽端部电容链结构路径,可减小容抗值降低电位,解决电缆屏蔽层断开处轴向电场过强问题。

关键词：电缆连接器,电位分布,绝缘设计,等效电路法

参考文献

[1]朱德恒,严璋.高电压绝缘[M].北京:电力工业出版社,1980.