基于复合阻燃材料的加油站三次油气回收系统线缆接头改造技术研究

何佳林 万 黎 王庆龙

（1.中电建路桥集团西部投资发展有限公司，四川 成都 610213；2.四川渝蓉石化能源有限公司，四川 成都 610015）

0 引言

电缆接头在电力线路敷设中具有重要作用，它可用于线路长度的接续以及线路的交叉互联，其连接质量的优劣也关系到线路的安全运行。接头处发热引起的火灾是电缆线路敷设中最频发的安全事故，主要是由电缆连接不规范造成局部电阻骤增所引发。基于此，该文通过降低铜管压接电阻，并增大线芯与铜管接触面积的方式来减少电阻的增加，进而达到降低接头发热的目的。同时通过运用复合阻燃抗电弧材料层来降低明火及电弧对电缆接头的影响。

1 中间接头发热风险分析

加油站三次油气回收系统是川渝地区正在推广的主要油气回收技术，相较于两次油气回收，油气回收效率更高、安全风险更小。在加油站建设及三次油气回收运营期间，难免会涉及电缆接头处理的问题。传统的线缆接头处理方式为将接头两端线缆外部绝缘保护皮环切，露出导电线缆，再将线缆两端插入压线帽中，用压线钳压紧，最后在接头处绑缠绝缘胶带。在加油站油气回收日常的运营过程中，此种接头处理方式使用性能较差，电缆接头气密性及水密性不佳，接头易氧化，造成电阻增大、发热增加，无法保证加油站的安全营运。

电缆电阻会随温度上升而增大，其变化规律因电缆线芯所用材料的差异而出现不同的变化程度，均受线芯材料受电阻温度系数的影响，如公式（1）所示[1]。

式中：TCR为电阻随温度变化系数；R1为铜导线在T1=20℃时电阻，取值0.0175Ω；R2为铜导线在T2=75℃时电阻，取值0.0217Ω；ΔT为温度变化，取值为ΔT=T2-T1。

以截面积为1mm2的铜导线为例，按公式（1）计算得到铜芯线的电阻温度系数为0.0044℃-1，并由公式（1）可反推出铜芯线电阻的变化规律，如公式（2）所示。

加油站的供电电压为380V/220V，由公式（2）可知，电缆接头处的温度上升会直接造成接触电阻增加。根据焦耳-楞次定律Q=I2Rt可知，发热量与电缆接头电阻值、导通电流的平方成正比。接头处电阻增大，且要保证导通的电流正常，因此会造成接头处电压降突增，进而造成接头处发热增加。

2 复合式阻燃抗电弧电缆接头

传统处理电缆接头制作质量差，使用耐久性不佳，在接头处易出现电阻增大、发热增加的情况。川渝地区加油站升级改造三次油气回收系统的过程中采用了一种复合式阻燃抗电弧电缆接头来代替传统电缆接头处理方式，如图1所示。电缆接头由铜管接头+绝缘环氧树脂层+绝缘气密液体胶+防火抗电弧结缘胶组成，能提高电缆接头制作质量，延长使用耐久性，减少发热，降低电阻增加。

图1 电缆接头截面

首先，铜连接管用作连接光缆端头的固定设备，以确保连接时所需要的质量。它具有优异的导电性能、耐电化腐蚀性能和高延展性，且应用温度范围广泛。经镀锡处理过的银管接头具有抗氧化能力和阻止电离有害气体扩散的功能。

其次，根据应用场景配制绝缘环氧树脂，以达到连接铜管接头与电缆绝缘的作用。恰当选择配制材料，杜绝电离有害气体污染环境，或造成接头“鼓包”。

再次，滴注气密阻燃液体胶，根据接头电缆直径选择滴注层数，且不少于3层，以保证接头处的气密性及水密性。

最后，包覆防火抗电弧阻燃胶带，3MScotchTM23#乙丙橡胶自黏带具有极佳的从形性，无须硫化，绝缘性能稳定，高低电压电缆连接均可使用，最高可用于69kV高压电缆。

3 应用实例

目前川渝地区加油站使用的油气回收系统主要是对罐车卸油过程和加油枪加油过程进行两次油气回收，回收效率不高且存在安全隐患。加油站油品泄露不仅污染环境，还有诱发火灾、爆炸等安全风险，因此需要对加油站进行三次油气回收系统的升级改建。因此该文以川渝地区渝蓉石化公司管理的加油站在三次油气回收系统升级改建中电缆接头的处理方式为例，介绍复合式阻燃抗电弧电缆中间接头的安装、应用和实施的细节。

3.1 电缆端头环切及接线

川渝地区的加油站内供电电压为380V/220V，所使用加油机的额定功率为1100W，并根据《爆炸危险环境电力装置设计规范》要求[1]，采用截面积为2.5mm2的铜线芯电缆即可满足电力负荷要求。电缆接头两端电线环切质量会直接影响连接质量，需要针对不同供电要求，选用合适的电缆并根据电缆规格进行标准环切接线，确保接头安装质量。

电缆环切前，用直尺量出接头两端的环切长度并做好标记，沿标记线从最外层开始逐层环切剥离电线的绝缘保护层，尺寸误差控制在允许的公差范围内，过程中注意环切下刀深度，避免伤及线芯。

线芯剥离完成后进行调直，保持外露部分不出现弯曲打折，在线芯连接之前将铜管接头穿入电线一端，为下一步压接做准备。为使接头处电线能够紧密连接，线芯采用插接的方式进行连接：将两端线芯分别均匀分成3股，间隔插入绞合1/3长度，将其余部分线芯重新调直，分别均匀缠绕在剩余段线芯上，并对整改接头进行最终调直，如图2所示。

图2 端头接线示意

3.2 镀锡铜管压接质量控制

铜管压接应主要考虑压接密实度及平顺度，平顺度不佳会增加压接电阻的产生，密实度则会影响使用安全性及使用寿命。因此根据具体使用要求，采用管钳压接应主要控制压接力、压接连续性及压接面大小。

采用压接镀锡铜管保护电缆接头处线芯，其工作原理是通过对连接铜管施加压力，使线芯与铜管紧密接触来达到降低电阻的效果，确保额定电流的安全导通。对新制作的铜管压接电缆接头，其压接电阻最大值不应超过同长度电缆电阻[2]。

电缆接头压接电阻受压接力及压接接触面影响，镀锡铜管通过压接处理与电缆中间接头紧密贴合，而两者接触并非理想的面接触，而是数个接触点接触[3]，如图3所示，这会导致一旦电流通过接头，其实际接触面范围小于正常电缆，有效导电接触面缩小，电流发生收缩，产生收缩电阻，会在接触点位上发生电流超负荷过载，如公式（3）、公式（4）所示。

图3 铜连接管压接剖面

式中：Rh为管体收缩电阻；ρ为电阻率；ri、rj为接触点半径，互不相等；dij为接触点间距；Rf为镀膜电阻；ρf为锡膜电阻率；δc为锡膜厚度[4]。

理论上，镀锡铜管接触电阻Rc可按照公式（3）、公式（4）所计算的收缩电阻及镀膜电阻Rc=Rh+Rf进行计算，但由于整个电缆接头处接触点个数及接触半径难以确定，对接触电阻一般按照公式（5）进行计算。当电流流经接头处铜连接管时，连接管的本身电阻也会成为压接电阻的影响因素，铜连接管本身电阻的计算如公式（6）所示，最终电缆连接处总电阻R的计算如公式（7）所示。

式中：R为电缆连接处总电阻；Rc为接触电阻；kc为材料表面系数；F为压接力；m为接触系数，取值为1；Rb为管体电阻；ρb为管体电阻率；L为管体有效导电长度；D为管体外径；d为管体内径。

由上述分析可得电缆接头处铜连接管的压接电阻R是由铜连接管本身电阻以及压接接触面产生的接触电阻共同决定的，线芯与管体可直接看作面接触，接触系数取值为1。接触电阻Rc随压接力F的变化规律如图4所示，随着压接力的增大，管体与线芯接触面积增大，接触半径增加，压接电阻降低。

图4 压接电阻变化

3.3 环氧树脂配制及灌注

环氧树脂配制及灌注具体如下：

首先，配制灌注用环氧树脂时，要求其黏度小、流动性好、固化收缩率小、挥发物少、固化快并低压成型性好，具有优良的电气、力学性能和化学稳定性且工艺性好，配方设计的灵活性较大，电性能和化学稳定性好。环氧树脂配比见表1。

表1 环氧树脂配比

其次，将模具嵌套于电缆线外侧，使壳体完全覆盖压接铜管，底模紧实卡住电缆，两者之间无缝隙。卡好之后用橡胶圈缠绕壳体以紧固模具，并将配制好的环氧树脂沿上方开孔注入模具中，直至环氧树脂充满模具。过程中注意控制灌注速度，并轻击模具壳体排出空气，保证灌注密实。环氧树脂充满模具后，于开孔处覆膜，防止其流出，并加热进行固化。待环氧树脂完全固化之后，拆除灌注模具，打磨环氧树脂固化体表面凸起毛刺，增加表面粗糙度，便于进行下一步制作。环氧树脂灌注及模具示意图如图5所示。

图5 环氧树脂灌注及模具示意图

3.4 阻燃胶性能及应用分析

作为电缆接头的最外层结构，阻燃抗电弧胶由液体胶+阻燃胶带组成，除作为主要的外部阻燃层外，它还能为接头结构提供足够的防护加固，确保内层结构不因磨损而暴露于空气中，造成氧化。

3.4.1 性能分析

液体阻燃胶具有绝佳的耐高低温性、绝缘性及流动性，其化学结构为硅-氧键，如遇明火燃烧，会形成碳聚积层，进而形成一层阻燃的抗氧化层，燃烧也不会产生大量烟尘和有害气体[5]，抗电弧胶带同样具有防火特性，遇明火燃烧，胶带会发生膨胀并形成一层碳聚积物绝缘层，这层碳聚积物可以起到防止明火继续燃烧的作用。抗电弧胶带应用于固体介质电力线缆中间接头的母线主绝缘保护恢复，应用电压范围广，适应600V～69000V的电压，工作性能均表现出良好，不会产生有毒气体。其应急过载最高温度可达130℃，从形性及延展性极佳，包覆不规则表面时，亦能具有优秀的气密及水密性能。延展拉伸至濒临断裂点时，其物理性能及电气性能也不会受拉伸程度的影响。

3.4.2 包覆应用

液体胶涂层厚度根据线芯直径进行涂刷，且不少于3层。上层涂刷完毕后进行低幅度升温固化，待完全固化后，利用砂纸将涂层表面打磨粗糙并进行下一层液体胶的涂刷。重复上述流程，直至涂层厚度达到使用要求。

为使抗电弧胶带达到最佳的从形性、气密、水密效果，缠绕包覆电缆接头时，将其宽度拉伸为其原始宽度的75%，使其紧密包覆于接头处。对大直径线芯，宜将胶带拉伸至最大拉伸率进行包覆，这种方式不会影响其物理性能。胶带以沿线芯方向倾斜55°连续半重叠方式进行缠绕包覆。包覆层数根据线芯直径大小选择，且不少于2层，上下层之间反方向进行缠绕包覆，包覆长度超出电缆接头两端环切线2倍胶带宽度。缠绕包覆完成后，挤压整个包覆节段，使胶带层与液体胶紧密贴合，充分粘结，并用玻璃纤维带进行接头固定处理。

4 结论

该文通过分析电缆接头发热原理及复合阻燃材料的实施应用，得出以下结论：1）电缆接头电阻与发热温度变化两者互相影响，减少发热引起的温度变化能有效降低电阻增加幅度，同时也不会造成温度的骤增。2）压接力及压接方式对铜管压接电阻的产生起决定性作用，多次连续压接可增大压接面接触面积，有利于降低压接电阻的产生。3）复合阻燃材料层的滴注、包覆厚度需要根据线芯直径进行选择，控制其气密性、层间黏合性能有效增加复合阻燃材料层的使用性能。