配网630A快速插拔式电缆连接器的研制

配网630A快速插拔式电缆连接器的研制

马大亮 ,宁文保 ,温锐兴 ,王大成 ,叶金桥

广东电网有限责任公司清远供电局  511500

摘  要：旁路电缆通流能力目前最大能达到200A，但对于配网应急技术而言，200A的通流是不能涵盖所有作业项目。本文借鉴电缆附件绝缘结构设计思路以及对电缆导体连接方式的研究设计一种额定电流达到630A的快速插拔式电缆连接器，满足主线路旁路电缆作业项目需求。

关键词：10kV；应力锥；快速插拔式连接器；表带触指；630A

引言

旁路电缆通流能力目前最大能达到200A，但对于配网应急技术而言，200A的通流是不能涵盖所有作业项目，尤其当主网线路额定电流在200A以上或负荷分流后线路电流仍然在200A以上的情况，目前我们提到的配网应急技术就无法完成项目。所以研发大通流能力的旁路电缆附件是配网应急技术推广的关键技术之一。

1   10kV电缆附件设计方法

1.1  10kV电力电缆终端的电场分布

10kV电力电缆在正常运行电压下，电缆本体内具有一定的电容，此电容在整个电缆长度和介质中都是均匀分布的，即电场也是均匀分布的，此电场只有径向分量，没有轴向分量。而在电缆端头部位，由于电缆端头屏蔽层、绝缘层切断、导体连接处的几何结构与截面的改变，以及增补绝缘、附加绝缘的介电系数和厚度与电缆本体绝缘材料的不同，导致其电场分布发生了较大变化。

图1  10kV电缆终端处的电场分布

10kV电缆终端处的电场分布如图1所示，其电场不再是均匀的径向电场，且电场具有轴向分量，轴向电场分量沿电缆长度的分布并不均匀，在电缆端面处，轴向电场分量最大，轴向应力最集中。另外因为绝缘带的沿面击穿场强比垂直击穿场强低的多，所以轴向分量的出现会大大降低电缆端头的电气强度。因此，电缆连接器的绝缘重点就是处理上述部位的电场，改善电场分布，提高电缆端头的击穿强度。

1.210kV电力电缆终端电场分布的改善措施

1.2.1   10kV电场改善方法

在10kV及以下电压等级的电力电缆中，改善电缆端头处电场分布的最有效办法是制作应力锥法。

应力锥是用来增加高压电缆绝缘屏蔽直径的锥形装置，以将终端接头内的电场控制在规定的范围内。应力锥通过将绝缘屏蔽层的切断点进行延伸，使零点位形成喇叭状，改善了绝缘屏蔽层的电场分布，降低了电晕产生的可能性，减少了绝缘的破坏，从而保证了电缆线路的安全运行。在电缆终端接头中，自护套边缘起绕包绝缘带（或者套橡胶件），是的护套边缘到增绕绝缘外边之间，形成一个过渡锥面的构成件即为应力锥[3]。

1.2.2   基于应力锥法的电缆终端电场计算

护套边缘处的电场强度E，当剥切长度L达到一定数值时，电场强度：

                       （1）

等效半径:

                       （2）

式（1）（2）中:U0为导体对地的电压；ε为电缆绝缘层材质的相对介电常数；εm为周围媒介质的相对介电常数；Re为等效半径；K为与周围媒介质和绝缘层表面有关的常数；R为绝缘层外半径（电缆本体绝缘半径）；rc为导体半径

从上公式（1）可知，为了减小护套边缘处的电场强度，可采用增绕绝缘以增大等效半径Re[3]。

有了应力锥后，在锥面绝缘厚度逐渐增加，绝缘表面的电场强度逐渐递减，于是疏散了电力线密度，提高了过渡界面的游离电压。

应力锥锥面形状，是按其表面轴向场强等于或小于允许最大轴向场强设计的。假定增绕绝缘的介质常数和电缆绝缘介电常数相等，经数学推导，应力锥面上的沿电缆轴向长度Lk可用下列简化公式[4] [5]：

                       （3）

式中：Lk为电缆轴向长度（应力锥长度）；Rn为应力锥半径;rc为导体半径。

等效半径与电缆本体绝缘半径、应力锥半关系为：

                          （4）

上述公式（3）表明，应力锥的锥面曲线是复对数曲线。它取决于电缆的运行电压、结构尺寸、电缆和应力锥绝缘层的厚度和材料性能。决定应力锥锥面的几个要素互相之间有以下关系：

1）轴向场强E越小，应力锥长度Lk越长。因此，设计时为减小接头尺寸，取E为最大允许轴向场强。

2）当Lk确定后，应力锥绝缘层半径越大，轴向场强越大，所以应力锥的“坡度”不能太陡。

由此总结：

根据公式（1）（2）（3）（4）可以计算出95kV时不同的应力锥长度Lk时，电缆轴向场强和应力锥半径Rn，

表1  不同应力锥长度下的电缆轴向场强和应力锥半径

由表1可以看出当应力锥长度大于500mm时，场强E为1.45 kV/mm，以10kV电缆附件为标准，当耐压情况下电缆场强E小于1.5 kV/mm时可以保证电缆、终端和中间接头安全可靠运行。由于上述为理论数值，由于现实环境条件和工艺条件的缺陷，一般在不使接头体积明显增大条件下设计留有一定预度

[6]。

2   导体连接通流能力设计

大通流能力的旁路电缆作业关键设备包括快速插拔式终端、中间接头、三通接头等，其通流的技术设计关键在于弹簧触头设计满足630A额定通流，本项目采用200A的旁路电缆作业设备的成熟设计方案，以增加弹簧触子数量满足通流需要。

旁路作业用电缆快速接头导体连接部位所采用的铍青铜表带触指的外形图和尺寸图如图2所示，表带触指的触片宽度mm，触片厚度mm，触片间距mm。                         

图2  弹簧触子示意图

与触片数有关燕尾槽底径可由下式计算：

                         （5）

触指的触片数直接影响了触指的通流能力，表带触指可按主回路额定电流大小设计的触片数

                         （6）

式中——额定电流（A）；——表带触片许用电流密度，=15～20A/mm2。

根据式（5）可确定表带触指的触片数n=34则根据式（6）可得表带触指的额定电流A，此值大于旁路作业用电缆快速接头技术条件规定的额定电流630A，符合设计要求。

旁路作业用电缆快速接头导体连接部位所采用的铍青铜表带触指优化设计参数见表6。

表2铍青铜表带触指优化设计参数

3 整体结构设计

3.1  10kV连接器绝缘部件设计

设计原则：

根据第1部分结论，10kV旁路快速插拔式电缆连接器绝缘部件采用以下设计。

1）电缆终端电场采用应力锥法处理。

2）应力锥长度大于50mm。

3) 采用三元乙丙橡胶做为绝缘材料。

4）采用半导电内屏蔽层、绝缘层和半导电外屏蔽层三层设计。连接器结构图如图3、图4：

图3  10kV630A旁路快速插拔式终端结构图

图4  10kV630A旁路快速插拔式中间接头结构图

3.2 外形结构设计

根据设计原则，设计方案选择了10kV200A旁路快速插拔式电缆连接器外形的设计作为蓝本，采用直线插入式连接设计，电气接触采用弹簧触子，做到在保证电气性能满足的条件下减小连接器体积，同时具备快速插拔、自锁的功能，实物外形如图5、图6。

图5  10kV630A旁路快速插拔式终端外形图

图6  10kV630A旁路快速插拔式终端外形图

4  试验

由10kV旁路柔性电力电缆、10kV630A旁路快速插拔式电缆连接器构成的组合试品。电气性能依据GB/T12706.4标准完成型式试验。部分结果列入表3中。

表3  10kV630A旁路快速插果拔式电缆连接器型式试验结

表3结果证实：10kV630A旁路快速插拔式电缆连接器电气性能符合标准要求，能够满足现场长期安全运行的需要。

5  结论

本文介绍了一种10kV630A快速插拔式电缆连接器的设计方法。

5.1确定采用应力锥法改善10kV电力电缆终端电场分布；

5.2通过计算及经验值确定应力锥长度设计大于50mm，可以保证10kV630A电缆快速插拔式电缆连接器安全可靠运行；

5.3采用表带触指作为终端与中间接头连接导体之间的弹性通流介质，通过计算34片特殊设计的表带触指能够满足630A额定电流需求；

5.4根据本设计生产的样机根据GB/T12706.4标准通过了型式试验。