10kV电缆接头的熔接技术

江苏中天科技电缆附件有限公司 王全杰 梁 栋 史一兵

随着民众生活质量的逐步提高，城市各行各业的发展和运行对用电的需求不断增加，现在国网供电基本上以交联聚乙烯（XLPE）绝缘电缆为主。国内XLPE绝缘电缆的大量投入使用，XLPE绝缘电力电缆附件技术也逐渐变得成熟。

目前国内500kV及以下电压等级绝缘电缆附件产品已基本可以取代进口的电缆附件产品，实现了电缆附件的国产化。然而，随着电缆附件产品的使用量不断增加，附件产品的故障率也不断增加，远高于电缆本体的故障率。当前电力电缆生产技术、运输限制以及在电缆敷设过程中施工环境等方面因素影响，通常不可能由单一完整的传输线路来完成。因此为满足传输的要求，中间接头在配网以及输电过程中便不可或缺。

目前中间接头大致可分为热缩式、冷缩式、绕包式、预制式电缆附件[1]，这几种连接都是通过简单的机械压接，用简单的方式连接管来连接两端导体，预制接头主要是通过预制主体里的应力锥，通过几何形状的方法来降低电场强度，均匀电场；预制主体的材料和电缆绝缘的材料不同，会产生活动的界面气隙，同时施工环境的潮湿、中间接头运行过程中受潮，影响了电缆的绝缘性能，从而引起局部放电，形成水树枝和电树枝；造成了中间接头击穿，给后期的送电、供电带来了隐患。

而热缩式的电缆附件最大的缺点是本身不具有弹性、施工速度慢，只有在安装附件的时候温度才能满足它的收缩条件，由于电缆的热膨胀系数与热缩材料的系数不同，当安装条件温差大、受气候环境影响大的地域，温度太低会产生脱层、出现裂缝，水和潮气就会在电缆运行时渗透，从而破坏电缆绝缘，给安全带来影响。

热熔接头从电缆的设计制造结构出发，不断的进行修改和完善，形成了接近电缆本体性能的接头，无需应力锥、无活动界面的熔融结构，有效的电场性能、可靠的抗拉强度以及全面的防护等可以避免这些隐患，延长了电缆中间接头的寿命，使热熔式中间接头能够在供电系统上更加安全可靠运行。热熔中间接头是将电缆导体、内屏蔽、绝缘、外屏蔽以及外护套等各结构一步步按工艺步骤进行恢复，将电缆恢复到原来样子，达到密封效果，更大程度上将两根电缆熔接为一根完整的电缆链路。连接两端电缆导体线芯通过高温焊接，焊接处的抗拉强度达到本体强度的90%以上；内屏和绝缘则通过人工绕包方式一层层进行恢复，相当于将电缆每层结构“重新生成”。

有数据表明，发生于中间接头处的电缆故障占比超过40%，而热熔接头99%与本体电缆一致，有效解决了普通预制中间接头因附件配套安装产生的活动界面气隙，解决了附件产品与电缆绝缘之间不同绝缘介质的根本问题，以及绝缘老化、防水性能差等而引发的问题；其电场分布和电气稳定性与原有电缆本体性能一样，大幅降低了电缆中间接头的故障，保证了电气性能的可靠性，保障了供电系统的安全运行。

目前在施工现场，铜线芯电缆热熔接头通常采用专用的石墨热熔焊接模具进行焊接，而铝线芯导体电缆采用氩弧焊进行分层焊接。

1 10kV电缆热熔式中间接头

热熔式中间接头恢复了电缆本体连接，成为了一条完整、全新的电缆。其没有附件、应力锥以及活动界面。通过对照电缆的生产工艺结构实现电缆与电缆的连接。接头处的焊接导体、内屏、主绝缘、外屏和外护套完全按照电缆的结构逐步恢复本体，使电缆接头处成为一条完整的电缆，没有中间接头连接的概念。其电场分布和电气性能与原来的电缆达到了基本一致。电缆热熔接头一般分为6个关键的工艺步骤，分别为电缆导体线芯的等径焊接、内屏恢复、主体绝缘恢复、外屏蔽恢复、金属屏蔽和外护套恢复。

1.1 电缆导体线芯（等径焊接）恢复

热缩式、预制式、冷缩式和绕包式中间接头连接，通过压接或者拧紧中间连接管来连接两根电力电缆的金属线芯，这种连接方式结构薄弱、易断裂、变形，无法形成同心圆，连接处有尖角放电、气隙大，机械性能差、发热量大、连接结构复杂，严重影响电力电缆的载流能力。

熔接头的线芯高温焊接是区别于预制接头压接导体线芯的关键，连接牢固、电能损耗小、载流能力高，不用担心电缆拖拽带来的影响，连接施工快捷简单，达到了原本导体的性能；高温焊接是通过氧化铜与铝的化学反应产生高温的液态铜和氧化铝的焊渣，是真正的分子焊接，与原来的机械压接形成显明区别，本体电缆的线芯不会造成破坏并且没有接触面，两端导体的交接面整体性能没有改变，不会老化、不会松弛、不会挤压破坏原本的电缆线芯、不易被踩断。其产生的高温使容器（模具）里的铜焊粉化为铜水流到模具下面连接两端的导体，产生的焊渣则在模具的上面。热熔接头的载流量与原先导体基本相同，具有良好的导电性能，导体焊接的拉断力与本体的比值在90%以上。

施工焊接前，两端电缆线芯导体应先把准备工作准备好，其具体操作过程为：按照工艺尺寸两端开剥电缆外护套、剪掉多余的金属铠装、开剥内护套、去掉多余的内衬材料、剥除铜屏蔽、剥外半导电层、出导体、削主体绝缘反锥。将两端电缆的导体线芯位置对接好，然后装上熔接模具，放入适量的铜焊粉，点火起爆。

1.2 电缆内半导电层恢复

电缆内屏蔽的恢复是熔接头比较关键的一个步骤，其影响接头焊接导体线芯的场强是否与之前电缆场强保持一致。内屏蔽起着改善电场分布的作用，消除了导体线芯不光滑的影响，在导体表面绕包一层半导电材料，并与绝缘良好接触，避免不光滑导体与绝缘之间发生局部放电。在施工时需要将半导电带拉伸并且采用50%搭盖的方式紧密贴合。现场所使用的半导电带与生产电缆所需的半导电为相同材质；通过加热使其具有良好的相融性，保证安全运行。

1.3 主体绝缘恢复

10kV配电线路一般用三相XLPE绝缘电力电缆，三相分别为黄、绿、红。交联聚乙烯绝缘电缆是利用化学方法和物理方法使电缆绝缘的聚乙烯分子由线性分子结构变为网状的交联型结构，大大提高了电气绝缘性能，在电场强度下绝缘性能不受任何影响。现有技术可将交联聚乙烯改为圆形的盘状物和连续的带状物，方便在施工现场进行绕包，这种带状物使用时无杂质，且绕包方便、简洁、易于携带。

在施工现场绕包时，施工人员需要保证施工环境整洁、干净，防止绕包时绝缘带里混入灰尘等杂质。需紧密、连续均匀地绕包，并且绕包时需要拉伸、每一次搭接一半体积，绕包的绝缘厚度需尽量大于原来本体电缆绝缘大约2～3mm的厚度。现场所使用的交联聚乙烯与生产电缆所需的交联聚乙烯为相同材质。

现场施工人员三相绕包完成后需用冷缩管将其塑形，用物理方法升温加热，控制好温度和时间；使所绕的带状物变成乳白色的固体并与原先两端的电缆本体相融。绕包的绝缘层与半导电之间是熔融的，没有活动界面，恢复了电缆原本结构，如图1所示。

图1 主体绝缘恢复 图2 恢复金属屏蔽 图3 外护套恢复

1.4 外半导电层恢复

外屏作用主要是防止绝缘表面与金属屏蔽层之间发生局部放电，消除气隙放电。现有技术可以将半导电做成半导电涂料，类似于涂漆效果。将热熔好的主绝缘涂上一层半导电漆，然后外面绕包一层半导电带，需要连续、均匀地缠绕，每一次搭接均要保证50%的搭盖率。选用的外半导电材料与生产电缆外半导电层为相同材质，能够良好连接。

1.5 金属屏蔽恢复、外护套恢复

为防止黄、绿、红三相交流电各自建成磁场，影响三相运行，在三相外面安装一层金属屏蔽，屏蔽其他相建立的磁场，保护，均匀电场。现场使用铜网连接两端铜皮，其具有良好的金属屏蔽，两端用恒力弹簧进行固定，如图2所示。完成上述5个步骤后，内护层需要缠绕拉伸防水带，连续的二分之一搭接，防止电缆进水。用接地线将两端金属铠装连接，恒力弹簧进行固定，最后在外护套层依次缠绕防水带和铠装层，如图3所示。至此便完成了一根完整的10kV热熔接头全过程。

图2 能量管理策略流程图

2 热熔接头的优点

热熔接头的优点如下：导体连接性能。导体采用的高温焊接，进行化学反应，属真正的分子焊接。导体等径、低电阻、焊接点不易老化，经受长期的大电流运行，持久可靠，连接安全；防水性能。热熔接头是一种与电缆生产工序完全同步的中间接头，相当于“重新生成”为一条完整的电缆线路。内外半导电层、绝缘本体与电缆之间无缝相融，无活动界面，防水性能优良；机械强度。焊接处可弯曲、可拖拽电缆，外界踩踏以及其他机械损伤对接头的影响很小；外形尺寸。加工完成的电缆中间接头与电缆本体外径近似相等，不占用太多的空间，外形美观。

综上，热熔式中间接头采用一种将电缆“重新生成”的方式，通过电缆导体等径焊接、内外屏制作、主体绝缘绕包以及外护层恢复等工序完成电缆结构逐步还原，采用无附加应力锥、应力管结构和界面气隙的接头全恢复概念，将电缆恢复至原有结构。在实际应用中，电缆熔接头优于安装电缆附件的中间接头，熔接头还原了电缆本体结构，使电场分布更加稳定、均匀，增强了电缆的防水绝缘性能，具备较高的电气安全可靠性和较长的使用寿命，在城市供配电领域具备很高的推广应用价值。