(国网湖南省电力公司株洲供电分公司 湖南株洲 412000)
摘要：针对10kV高压电缆中间接头发生短路性故障，引起电缆绝缘材料、填充物和覆盖层等材质燃烧、爆炸问题，设计了一种用硫化硅胶材质制作的电缆中间接头柔性防爆盒，并对其进行了短路试验和可燃性试验，验证了该柔性防爆盒的防火防爆性能，有效防止电力电缆中间接头燃烧爆炸对其它电缆的破坏，从而保障电缆线路安全、稳定运行。
关键词：电力电缆；电缆中间头；硫化硅胶；防爆盒
Research on Flexible Explosion-prevention Box of 10kV Electric Cable-Joint
Ling Zhiyong, Zhang yao, Liu Huafei, Chen Rongqing, Wang Xuan, Li Zhiqiang
(Zhuzhou Power Supply Company，Zhuzhou 412000，China)
Abstract: Based on the distribution network 10kV high voltage cable middle joint short circuit fault, the cable insulation materials, fillers ,coverings and other materials will be burning, explosion. This paper designs a flexible explosion-prevention box for cable middle joint made of vulcanized silica gel material, and has carried on the short circuit test and the flammability test to verify the fireproof and explosion-proof performance of the box, effectively prevent the electric cable middle joint combustion explosion On the other cable damage, thus ensuring the cable line safe and stable operation.
Key words:electric cable; cable middle joints; explosion prevention box
0引言
配电网在建设、抢修过程中，普遍应用到电缆及电缆中间接头，由于建设环境受限，多电缆共沟情况普遍存在[1]。而电缆共沟时，由于某一根电缆中间接头故障时会产生巨大的冲击力，并且造成环境温度升高。另一方面，因为电缆沟内可能存在可燃性气体，且一般情况下电缆本体的绝缘材料也为可燃物，因此一根电缆接头故障也极易产生明火，导致其他共沟电缆受到波及，造成大范围的停电，损失不可估量[2]。本文针对10kV电力电缆，设计了一种硫化硅材质的柔性防爆盒。
1 电力电缆的故障分类及原因分析
1.1电力电缆故障分类
电力电缆经过长期运行后产生电缆故障的原因是复杂多样的，按照常见的电缆故障性质可以分为以下几类[3-4]：
（1）按照故障位置分类：电缆本体故障和电缆接头故障。当电缆受到外界作用力破坏时，电缆本体故障发生的概率会比较高，而当故障电缆受到非外界作用力破坏时，故障往往会发生在电缆接头处。
（2）按照故障现象分类：封闭性故障和幵放性故障。而当故障点确定时，开放性故障查找起来会比较容易。
（3）按照故障时间分类：运行故障和试验故障。运行故障是由于电缆运行时，因绝缘击穿或烧毁而使保护器动作导致停电的故障；试验故障是进行预防试验时发生绝缘不良或绝缘击穿而必须进行停电检修的故障。
（4）按照接地现象分类：相间故障、断路故障、单相接地故障和多相接地故障等。最常发生的故障一般是单相接地故障，多相接地故障主要也是由单相接地故障引发的，而相间故障和断路故障一般很少发生。
（5）按照绝缘电阻大小或线芯情况分类：短路（低阻）故障、开路故障、高阻故障和闪络性故障等。
1.2 故障原因分析
电力电缆发生故障的原因往往是由多个因素下共同作用的结果，如若处理不当，会导致电气事故频繁发生，影响配网的安全稳定运行。因此结合电缆各类故障分析和总结，对电缆故障产生的原因进行分析，主要分以下几种[5]：
（1）绝缘击穿。电缆绝缘击穿的故障比较普遍，主要原因包括电缆及附件质量不合格、受潮、腐蚀和过热。
（2）机械损伤。机械损伤是导致运行中电缆故障的主要原因之一，包括直接外力损伤、自然现象造成的损伤。
（3）过电压。主要是指由于雷电等形成的大气过电压和电缆内部的过电压。过电压主要会引起电缆终端头故障；而且还会加速有缺陷电缆发生故障。
1.3 电缆爆炸火灾原因分析
普通电缆的绝缘材料、填充物和覆盖层均为可燃物。对于阻燃电缆等特种电缆，在发生故障的同时，也会发生火灾，只是电缆延燃范围较小，在故障解除后，火会自然熄灭。引起电缆火灾甚至爆炸的原因:据统计由于外界火源引起的电缆延燃的火灾只占事故的5%；95%以上的事故是由于电缆本身故障引起的火灾或爆炸事故。
2柔性防爆盒的研制
2.1 硫化硅胶
近年来，作为橡胶行业中的新产品，硅橡胶已经应用于工业产品中，硅橡胶是单组分硅胶粘合剂，其主链由Si-O-Si 键组成，通过湿气固化方式形成坚韧性的固体，特别是硫化后，操作温度可从-24°C 到315°C，具有优良的电绝缘性，抗电弧、电晕、电火花性能强，防水、防潮、抗冲击力、抗震性好，具有良好的防腐蚀性能；且能弯折，可根据安装空间弯折布置。
在硫化橡胶中添加阻燃剂，经检测可知，该材料防火级别达到F-V0级别，能够实现离火自熄，符合防爆盒的设计要求，有效确保产品的安全防护性能。
2.2 结构设计与功能说明
柔性防爆盒包括可拆卸的上盒盖和下盒盖，并通过多个强力扎带连接；上盒盖与下盒盖均具有中间向外鼓起的弧形结构，上盒盖和下盒盖沿电缆轴线合扣。上盒盖及下盒盖均具有密封裙边，且密封裙边内衬有钢板，钢板嵌入密封裙边内部。上盒盖上具有沿其长度方向排列的多个通孔；通孔上贴附有感温贴纸。多个通孔位于上盒盖鼓起的弧形结构上，如图1所示。
根据上述柔性防爆盒结构的介绍，其特点有上盒盖和下盒盖均为一体结构，安装方便，操作简单。柔性防爆盒采用上盒盖和下盒盖沿电缆轴线合扣方式，无需从电缆端头套入任何部件，适应电缆沟内安装空间狭小的需要，且盒体兼具柔性和刚度支撑的需要，既有一定变形以适应接头安装的需要，又能满足绝缘和刚性支撑的需要，经检测，该柔性防爆盒可在保持一定柔软度以方便安装的前提下，其硬度也能保持在68邵尔A的水平（符合国家标准GB531的要求），具有一定的刚性和机械强度，上盒盖1及下盒盖4的抗撕裂强度达到30KN/M（符合国家标准GB529的要求）。
此外，用于温度检测的通孔兼具卸压孔功能，正常压力时，温度检测纸将卸压孔暨温度检测孔密封，并对超温情况予以显示。当柔性防爆接头盒内部发生瞬时故障时，压力从盒体较薄弱的温度检测纸密封处冲开，起到卸压孔作用，避免爆炸事故的发生。温度检测纸可实现70—100℃的温度监测，利于平常巡检，以及提前发现安全隐患，有效降低事故发生机率，适用于不同安装环境，从而能有效地隔离被保护电缆接头，在被保护电缆接头出现电气事故时不损坏同坑道中的其它电缆。
2.3生产流程
上盒盖和下盒盖采用硫化橡胶一体成型制成。按常规方法将橡胶原料进行生胶塑炼、加配合剂混炼、停放、热炼、硫化、修边等步骤，所述硫化步骤实施前，将所述钢板嵌入橡胶坯料的密封裙边内部，一体进入硫化设备中进行硫化。按照上述生产流程所制备的上盒盖和下盒盖可耐酸碱腐蚀，具有良好的防腐蚀性能。
3柔性防爆盒检测试验
3.1 短路试验
为了验证电缆中间接头防爆盒的保护性能，设计了短路防爆试验。试验样品包括：两段10kV 10m长的型号为YJV*3-300电缆和一套新型硫化硅胶柔性防爆盒。试验具体包括相对地短路故障、相间短路故障防爆检测，试验故障电流的有效值均不小于16kA(查阅当地调度记录，当地10kV电缆最大短路电流为15.8kA)，持续时间为1s。
3.1.1故障模拟
（1）单相接地短路故障
首先，将电缆的外护套和钢铠剥离，同时剥切电缆的绝缘层和导体；其次，取铜编织线的一端，将其压入电缆导体内，剩余一段则和铜带或铜铠连接到一起；最后，安装中间接头，安装流程按照常规安装工艺进行。
（2）相间短路故障
如图2所示，首先，剥离电缆的相关部件；其次，铜编织线一段压入A相电缆导体中，另一端压入B相电缆导体中，然后用绝缘带将A、B两相导体隔离；第三，使用铜编织线将A、B两相的铜屏蔽层连接；最后，按照中间头安装工艺完成C相接头的安装。
图2 相间短路故障缺陷示意图
3.1.2 试验过程
先进行电力电缆中间接头安装，中间接头内部采用单相短路方式，然后在中间头位置安装新型柔性防爆盒，并在防爆盒附近放置易燃纸片；最后，给电缆通电，将其电压控制在10kV，短路电流控制为16kA，持续时间为1s，观察中间接头防爆盒及放置的纸片相关情况。
3.1.3 试验结果
试验之后，发现纸片未燃烧即中间接头防爆盒具有防爆能力。此外，防爆盒未出现燃烧现象，且其内外均无开裂和其它损坏迹象。
3.2 可燃性试验
3.2.1 氧指数
氧指数（OI,Oxygen index）是指在规定的试验条件下，试样在氧氮混合气流中，维持平稳燃烧（即进行有焰燃烧）所需的最低氧气浓度，以氧所占的体积百分数的数值表示（即在该物质引燃后，能保持燃烧50mm长或燃烧时间3min时所需要的氧、氮混合气体中最低氧气的体积百分比浓度）。作为判断材料在空气中与火焰接触时燃烧的难易程度。一般认为，OI<27的属易燃材料，27≤OI<32的属可燃材料，OI≥32的属难燃材料。试验采用HC-2型氧指数测定仪，测定仪的具体工作条件和技术指标要求见表2、表3。
3.2.2试验步骤
（1）将防爆盒材料划50mm标线。
（2）检查气路，确定各部分连接无误，无漏气现象。
（3）在空气中点燃试样，试样在空气中难以燃烧，估计开始实验时的氧浓度为35%。
（4）安装试样：将试样夹在夹具上，垂直地安装在燃烧筒的中心位置上，并保证试样顶端低于燃烧筒顶端至少100mm，罩上燃烧筒。
（5）通气并调节流量，先开氮气，后开氧气，然后调节稳压阀，仪器压力表指示压力为0.1±0.01MPa，并保持该压力。调节流量调节阀，得到稳定流速的氧、氮气流。应注意：在调节氧气、氮气浓度到设计的浓度后，用调节好流量的氧氮混合气流冲洗燃烧筒30s
（6）用点火器从试样的顶部中间点燃，勿使火焰碰到试样的棱边和侧表面。在确认试样顶端全部着火后，立即移去点火器，开始计时并在3min或者火焰灭后记录试样长度。
（7）确定临界氧浓度的大致范围：点燃试样后，立即开始记时，观察试样的燃烧长度及燃烧行为。若燃烧终止，但在1s内又自发再燃，则继续观察和记时。如果试样的燃烧时间超过3min，或燃烧长度超过50mm，说明氧的浓度太高，必须降低，此时记录实验现象记“Y”，如试样燃烧在3min和50mm之前熄灭，说明氧的浓度太低，需提高氧浓度，此时记录实验现象记“N”。如此寻找这样相邻的四个点，并要求这四个点处的燃烧现象为“NNYY”。
3.2.3 试验结果
根据3.2.2的试验步骤，对防爆盒材质进行了可燃性试验，试验数据见如下表4。
实验结果显示，该种防爆盒硫化硅胶材料的氧指数为34.5%~34.8%，属于难燃材料。
该文针对目前电缆中间接头存在的问题，设计了一种硫化硅胶新型柔性防爆盒，具有柔性、防火、灭弧、泄压、阻燃以及安装简单、经济、实用等特点。最后，通过短路试验和可燃性试验验证了新型柔性防爆盒安全防护特性，提高了配网的安全运行水平，适用范围广，值得推广运用。
参考文献：
[1]张承信, 李强, 韩夏清. 一种新型电缆防火防爆盒的研制[J]. 华东电力, 2013, 41(7):1526-1528.
[2]乔洪新, 邓浩, 胡冉,等. 10kV高压电缆中间头防火盒的研究[J]. 科技与企业, 2015(6):178-178.
[3]袁燕岭, 李世松, 董杰,等. 电力电缆诊断检测技术综述[J]. 电测与仪表, 2016, 53(11):1-7.
[4]李四海，刘华飞.中低压电缆的故障原因与探测技术[J].通讯世界，2014（18）：84-86.
[5]张永春, 于吉鲲, 吴鸣宇. 硅橡胶及硫化后硅橡胶的发展及应用[J]. 现代制造技术与装备, 2015(1):32-33.
[6]孙名伟. 阻燃型高温硫化硅橡胶的制备及性能研究[D]. 青岛科技大学, 2014.
论文作者:张尧,凌志勇,刘华飞,陈榕清,王璇,李志强
论文发表刊物:《电力设备》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/21
标签：电缆论文; 故障论文; 盒盖论文; 试样论文; 柔性论文; 过电压论文; 浓度论文; 《电力设备》2017年第26期论文;