管必萍，吴爱军，顾 艳，陈华霖，颜钰霆，戴人杰，吴万禄，徐 俊，缪进荣，王之珮，史传卿，汪紫凡

(1.国网上海市电力公司松江供电公司，上海 201600；2.上海久瑞电力绝缘器材有限公司，上海 200035)

1 电缆附件使用中存在的问题

随着交联聚乙烯电力电缆的广泛应用以及城市化进程的加速，城市电缆化已成为发达城市的象征。以北京市为例，截至2018年6月，北京的配网电缆线路已达到了26 984 km。然而老城区的电缆通道资源日益耗尽，电缆敷设环境及运行环境更具挑战性，例如：地下水位上升、很小的转弯半径、有限的工井长度等。而电缆附件，尤其是电缆中间接头，作为电缆系统中的薄弱点，其潜在问题应引起足够重视。

对城市电缆系统故障统计分析显示：附件质量问题、安装施工质量及外力破坏是电力电缆系统运行故障的三大主要原因，如排除外力破坏等人为因素，附件及施工造成的电缆系统故障比例高达66%，其中85%以上为电缆中间接头故障。以某省地级市供电局10 kV电缆中间接头故障统计为例，其40%的故障发生在电缆系统检修后的合闸过程中，而这些合闸过程中击穿的电缆附件都是冷缩或者预制形式的电缆中间接头。

目前在电缆附件使用中存在以下问题：①如何保证电缆中间接头在浸水环境下长期运行；②线路检修或抢修后恢复供电时，如何保证电缆中间接头在重合闸时不发生击穿故障；③老城区改造，不同截面电缆对接时，异形电缆中间接头的可靠性；④接头安装空间狭小，甚至有可能需要在转弯段安装接头，如何在有限的空间里完成电缆中间接头制作且保证产品质量可靠；⑤单相故障抢修中，尽管电缆损坏长度不长，但是由于电缆没有裕度，经常需要添加一段电缆并制作6个单相的接头，修复时间长、成本高，严重影响故障恢复时间，也降低了电缆系统的可靠性。

这些问题涉及到了电缆中间接头的材料、整体结构设计及安装工艺因素，也是电力用户希望有效解决的问题，不少问题在电力公司的招标文件中都有相关明确的要求。针对这些运维问题，本文着重于研究问题的原因，结合传统电缆中间接头的优点提出综合解决方案，研发新型电缆中间接头并制定其安装工艺。新型的预制绕包电缆中间接头可大大降低电缆系统故障概率，提高电缆系统运维效率，有效地保障电网的安全运行。

2 电缆中间接头使用现状分析

2.1 电缆中间接头技术发展现状

绕包式电缆附件是在现场根据电缆的电压等级和截面，选取橡塑绝缘带和半导电带对目标电缆绕制而成。其优点是安装较为灵活，不受电缆电压等级及截面的影响；其主要缺点是现场绕制的时间比较长，效率低，且对绕制施工人员的技术要求很高，特别像应力锥的绕制较繁锁，技术要求高。如今，绕包式电缆附件也被应用在交联聚乙烯电缆上，传统绕制而成的应力锥由于工艺复杂渐渐被应力控制带所取代。

热缩型电缆附件是将预处理的热缩管材依次套装在处理好的电缆上并通过加热收缩方式制作成电缆附件。热缩附件具有良好的热收缩性，在规定收缩比范围内，单一规格的热缩管材可用于多种截面的电缆上；热缩附件具有体积小、重量轻、价格便宜及安装简便等优点。除严禁动火或者忌动火的工厂，如石油，化工，煤炭等企业以外，热缩电缆附件使用较广泛。但热缩型附件的质量受热缩管材的影响大，质量较差的热缩管一般使用寿命只有4～5年。其原因主要是XLPE的热膨胀系数大，电缆绝缘直径会随着温度的变化而热胀冷缩，即电缆的呼气作用，而热缩材料要在130℃左右才会收缩，且一旦收缩后即定型；经过长时间运行后，XLPE与热缩材料间将形成气隙，进而引发沿面爬电，最终导致电缆附件故障。

预制/冷缩型附件是将合成橡胶(SIR或EPDM)注入成型模具中高温硫化而成的，冷缩型产品还需扩张并在其内部衬以尼龙条制成的螺旋衬管，现场安装时预制电缆附件是将电缆接头或者终端通过滑入的方式套在电缆上，而冷缩电缆附件则是将预扩张的电缆接头或终端套在电缆上，再抽出尼龙螺旋衬管，外部合成橡胶制成的本体则自行收缩在电缆上，从而制作成电缆接头或终端头。预制/冷缩型附件具有操作简便快捷、技术可靠、抗大气污秽、耐酸耐碱等优点，特别适用于对明火比较敏感的场合，且使用寿命很长。但是冷缩产品有防水处理较困难、价格相对较贵、储存时间有限等缺陷。

2.2 现有电缆中间接头技术的分析

电缆附件是涉及多种学科(电气，机械，高分子材料等多个学科)的综合产品，对厂商的科研，产品设计和生产工艺都有较高的要求。

交联聚乙烯电缆绕包式中间接头由应力控制带、绝缘带、半导电带等组合而成。橡胶半导电带、绝缘带及防水带等制造技术比较成熟，很多厂家都能生产符合电气性能要求的带材，但是应力控制带相对其他带材来说制造难度较大，具备应力控制带生产能力的厂家不多，由于市场需求不大，这些厂家研发力量投入不足，因此应力控制带的质量一直不能达到设计要求。其中，应力控制带的关键参数——介电常数，在运行中随运行情况变化而发生变化，从而影响产品整体性能，严重的直接导致产品发生击穿故障。

冷缩式和预制式电缆中间接头，国内外生产厂商较多，以绝缘本体，屏蔽管及应力控制部分(应力锥)组成。其中，绝缘本体，屏蔽管和应力锥采用硅橡胶或者三元乙丙橡胶。应力锥通过几何法均布电场，中间导体连接部分通过高压屏蔽管屏蔽。国内外厂商有科研产品设计能力，可以对这些电缆中间接头进行结构设计、电气设计和工艺设计(橡胶注射工艺)，能生产出质量稳定，可靠的产品。而部分国外厂商，采用以国内厂商可靠产品进行贴牌代工。国内厂商无研发能力的采用抄袭，仿制。因此市场产品质量性能差异性较大。

2.3 国内同类产品研究分析

电缆接头的生产单位是电缆附件生产商，而使用单位是国内各供电部门的运检部，在信息沟通上不对称。产品在结构上没有太大的变化，主要是本体绝缘和应力锥控制不同搭配的结构。本文在结构上进行突破，将应力控制元件——应力锥和绕包绝缘带进行结合。该设想目前尚无厂家实施，是行业内首创，可以使产品达到较高的电气性能和防水性能，提高应用的灵活性，充分满足供电公司运检部对电缆中间接头的各项要求。

3 新型预制绕包电缆中间接头结构设计方案

3.1 重合闸击穿故障可能性原因分析

交联聚乙烯绝缘电缆运行时的最高额定工作温度为90℃，在发生停电事故或线路检修时，电缆冷却散热。由于绝缘材料都有热胀冷缩现象，而且交联聚乙烯的膨胀系数较大，为1.3×10-4/℃。试验表明，中、低压交联电缆直径膨胀为2%～4%。对于电缆接头的复合界面，由于界面两侧绝缘材料膨胀系数的差异，自由收缩的结果不尽相同，在发生电力系统停电故障或者检修时，电缆失电后开始降温收缩，当附加绝缘的收缩小于交联聚乙烯时，由于交联聚乙烯属于非极性材料，难于与其他材料粘接成整体，造成界面应力松弛，复合界面将被破坏处于不稳定状态，电缆接头复合界面如图1所示。在重合闸时，相当于施加于电缆线路上一个陡波，空载架空线路合闸产生2倍过电压，重合闸产生近3倍过电压，就可能造成电缆接头的击穿。

图1 电缆接头复合界面示意图

3.2 电缆中间接头进水可能原因分析

电缆中间接头进水是电缆接头发生故障的另外一个原因，电缆中间接头内部的进水通道主要有两种：一是由外部水渗入电缆中间接头内部，沿电缆主绝缘和电缆中间接头之间的界面向内延伸，而且电缆的温度变化会同时导致水汽在电缆接头上冷凝，水汽易从复合界面进入到接头中。从而进一步加深电缆接头被击穿的隐患；另一种是电缆线芯中的水在电缆运行后，沿电缆主绝缘和中间接头之间的界面向外延伸。电缆线芯进水后，由于水的渗透性、扩散性极强，电缆中间接头内的水会纵向往外扩散渗透，主要经过导体连接管、内半导电屏蔽层、主绝缘体、外半导电屏蔽层与接地金属屏蔽层。在高压的作用下，电缆接头内带杂质的水很容易使接头产生沿面放电及闪络放电现象而击穿。同时，水在电场作用下，具有一定的导电性，电压越高，水分越多，其导电性越强。如此，电缆中间接头每个结构部分通过水分而连接起来，致使运行导体与地接通而放电击穿的情况出现。这些击穿事故是现有的配网电缆接头材料和设计无法避免的。

3.3 新型预制绕包式电缆中间接头结构研究

基于这些故障的可能原因可以发现冷缩型或预制型中间接头与电缆绝缘及导体接管之间是个复合界面，而此复合界面平时运行时由硅脂填充而处于一个稳定状态，而当电缆断电失温后整个复合界面将失去原有的稳定状态，此时复合界面可能成为一个故障的隐患。而绕包中间接头由带材组成。整个绕包式电缆中间接头与电缆绝缘及导体之间的界面都由带材紧密包裹，多层带材的组合使整个电缆中间接头本身具有优越的回弹性，使电缆中间接头始终紧密地贴合在电缆绝缘及导体接管的表面，即使电缆断电失温收缩，通电升温膨胀，绕包式电缆中间接头都能很好地贴合电缆交联聚乙烯绝缘并始终保持一定的紧握力，因此绕包式电缆中间接头在停电检修后重合闸后没有击穿的现象。

预制/冷缩电缆中间接头是通过高压屏蔽电极覆盖中间连接管，并通过半导电带填充电缆绝缘与接管之间的间隙，电缆处理如图2所示。电缆长期运行后，绝缘会有一定的回缩，这时电缆绝缘和连接管之间就会产生间隙，从而形成一个进水通道。对于绕包式电缆中间接头来说，由于绕包式电缆中间接头有反应力锥结构及绝缘外部增绕带材稳定的抱紧力，半导电带直接覆盖电缆导体屏蔽和中间连接管，因此绕包式电缆中间接头具有较好的线芯防水能力。

图2 冷缩中间接头

绕包式电缆中间接头的应力控制元件为应力控制带，通过参数法控制场强，应力控制带是一种介电常数较高的带材，本身属于极性材料，介质损耗大，因此投运后应力控制带的温升变化大，而随着温度的变化，其本身的介电常数又发生了变化，导致整个电缆中间接头的应力分布发生改变，从而可能产生畸变的场强并最终导致电缆中间接头故障。而冷缩和预制性电缆附件，其应力控制元件为应力锥，应力锥是通过几何法控制场强，介损小，不随运行状态变化而发生变化，性能稳定可靠。因此，将应力锥运用于绕包式电缆中间接头中，可有效地解决绕包式电缆中间接头应力控制元件不稳定的问题。

综上所述，结合绕包式电缆中间接头和冷缩/预制型电缆中间接头各自的优势，开发一种新型预制绕包型电缆中间接头将有效地取长补短，解决目前各种电缆中间接头的问题，消除故障隐患，提升电缆系统的运行可靠性。

3.3.1 预制绕包式电缆中间接头材料研究

预制绕包式电缆中间接头将由橡胶应力锥和带材组成。基于绕包式电缆中间接头带材的研究基础，按照绕包式电缆中间接头带材选取标准，研究机械及电气性能优越的带材(见表1至表3)。

按照设计理念，研究开发与表1至表3各种带材性能匹配的应力锥材料，如表4所示。

表1 自粘性橡胶绝缘带性能参数

表2 自粘性橡胶半导电带性能参数表

表3 自粘性防水绝缘带性能参数表

表4 应力锥材料性能参数表

应力锥的选型方面，考虑长期运行的可靠性，选用与带材基料一致的材料，以保证膨胀系数与各带材一致。

3.3.2 预制绕包式电缆中间接头结构及电气性能研究

参考10～35 kV各种电缆结构，设计应力锥结构，要求应力锥作为应力控制元件能起到更好地均布场强的作用，其次要求应力锥小巧便于安装，安装应力锥后便于带材绕包；最后结合接头的整体结构定义电缆处理尺寸、带材绕包尺寸并制定新型绕包式电缆中间接头整体安装工艺。新型预制绕包式电缆中间接头结构如图3所示。

图3 新型预制绕包式电缆中间接头结构

通过有限元计算，对新型预制绕包中间接头整体电气性能进行验证，如图4和图5所示。通过有限元分析结果发现新型预制绕包电缆中间接头整体场强分布均匀，没有任何畸变电场，由此验证应力锥作为场强控制元件的可行性。

图4 分析模型

图5 场强计算

3.3.3 新型预制绕包式电缆中间接头安装工艺

根据新型预制绕包式电缆中间接头结构的特点，重新定义产品的安装工艺，新的安装工艺不同于与任何型式电缆中间接头的安装工艺。

(1)芯电缆处理。将截断的三芯电缆按尺寸样式进行处理(见图6)。

图6 芯电缆处理样式图

(2)按工艺要求分布剥离铜屏蔽，绝缘外屏蔽层，剥切电缆绝缘层并露出电缆线芯(见图7)。

图7 剥切后的电缆线芯

(3)在电缆的金属屏蔽层及绝缘屏蔽层上绕包半导电带，形成一个限位台阶，套入预制应力锥，并用铜连接管压接电缆导体线芯(见图8)。

图8 铜连接等压接电缆导体线芯

(4)在铜连接外绕包半导电带(见图9)。

图9 在铜连接外绕包半导电带

(5)整体绝缘带绕包(见图10)。

图10 整体绝缘带绕包

(6)半导电带绕包(外屏蔽)如图11所示。

图11 半导电带绕包

(7)在半导电带外半搭接绕包一层铜网，铜网两端用恒力弹簧固定，两端铜屏蔽用一根铜编制带连接，用恒力弹簧与铜网固定在一起，见图12。

图12 恒力弹簧与铜网固定

(8)用PVC带绕包铜网的边缘及恒力弹簧，确保覆盖所有的毛边。PVC带从一端绕包到另一端，无需搭接，但需固定电缆中间接头2～3道(见图13)。

图13 PVC固定电缆中间接头

(9)用防水带半搭接绕包覆盖PVC带，铜网及铜编制带(见图14)。

图14 防水半搭接绕包图

(10)对于三芯有钢铠的电缆，需先将单芯电缆处理好，然后将三芯电缆用PVC绑在一起。用铜编制带将两端钢铠连接起来，并用恒力弹簧固定(见图15)。

图15 三芯有钢铠电缆固定图

(11)用防水带绕包将三相电缆接头，铜编织带，钢铠及两端部分外护套覆盖(见图16)。

图16 防水带绕包三相电缆接头图

(12)在防水带外半搭接绕包一层铠装带(见图17)。

图17 防水带外半搭接绕包一层铠装带

3.3.4 新型预制绕包式电缆中间接头试验验证

电气测试结果如表5所示。由表5可以看出，新型预制绕包式电缆中间接头在产品尺寸与同类产品近似的情况下，电气性能更优越，安全裕度更大。

表5 电气测试结果

4 结语

新型预制绕包式电缆中间接头从电力用户的痛点出发，深入研究绕包式电缆中间接头和预制/冷缩电缆中间接头的优缺点及各自的特色，创新地提出新的中间接头结构模型，并对应力锥材料，辅助带材的性能进行研究。结合新结构的特点提出新的安装工艺，通过有限元模拟的方式对结构做出细微调整，最终通过型式试验进行验证。新型预制绕包式电缆中间接头具备如下特点。

(1)断电检修或停电后重合闸不易击穿。

(2)应力锥几何法均布电场，长期运行更稳定。

(3)电缆反应力锥/铅笔头结构，有效解决了电缆中间接头线芯浸水的问题。

(4)带材优越的拉伸强度和回弹性保证界面长期保持稳定压力，消除界面击穿隐患。

(5)工艺简单，安装方便，满足运行故障抢修要求。

(6)电气性能优越，安全裕度大，运行更可靠。

综上所述，如将新型预制绕包式电缆中间接头应用到各省公司的电缆系统安装及运行维护中，可大大提高电缆系统的运行质量和运维效率，又保证入网电缆系统质量，提高电网中电缆线路运行的安全可靠性。