新型高压防水阻燃防爆接头的研究

魏宽民， 王 龙， 何 剑， 杨宝杰

（1.国网北京市电力公司电力建设工程咨询分公司，北京 100078；2.特变电工昭和（山东）电缆附件有限公司，泰安 271219）

0 引言

近年来，随着我国电网建设的快速发展，110 kV及以上高电压电力电缆的需求迅速增长，随之电缆接头的需求数量也在不断地增加［1-3］，而电缆接头的性能受到人为因素、施工和运行环境等因素的影响，国内外每年都会发生多起燃烧爆炸事故，所产生的破坏力不仅会造成本线路的停电停运，还对周边运行的电缆线路、电力设施及人员造成严重伤害，引发更严重的二次事故［4-7］。

目前，市场上的电缆接头，产品壳体采用玻璃钢材质，内部灌有AB 防水胶，AB 防水胶与外壳黏合成一体，该类产品具有良好的防水性能，但当产生燃烧爆炸事故时，由于内部没有泄压空间，燃烧爆炸瞬间释放的压力会将产品炸碎，分散的碎片和火焰会对周边运行的电缆线路、电力设施及人员造成严重伤害，因此，须研究可以及时释放压力，并能将碎片、火焰限定于产品内部从而保护周边物品的防爆接头。

随着国家电网质量安全管理体系的逐步健全，国家电网对电力系统安全要求逐步提高。 为推动电网建设高质量发展，本工作从电缆输电线路建设角度出发，在常规接头的基础上，开发了一种兼顾防水和阻燃防爆性能的电缆接头。

1 防水阻燃防爆接头研究现状

目前已研发使用的防爆接头，其外壳基本上使用较多的材料均为以下几种：①阻燃塑料（防火板）；②聚酰胺纤维；③玻璃钢；④铁板；⑤烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（SMC）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）阻燃塑料；⑥玻璃钢和SMC、ABS 阻燃塑料。 外壳内灌入AB 防水胶，起到良好的防水作用，但由于内部没有泄压空间，当产品发生击穿时瞬时聚集的能量无法释放，产品将被炸的粉碎，对周围的电缆线路、电力设施及人员造成严重伤害。 常规玻璃钢壳结构电缆接头产品见图1。

图1 玻璃钢壳结构产品

2 防水阻燃防爆接头的设计

2.1 结构设计

2.1.1 产品性能要求

（1） 防水性能要求。 按国家标准GB／T 18890.1—2015［8］附录G 的要求，先将产品置于水下1 m 处，经过20 次浸水冷热循环试验，随后进行标准规定的电气试验，最后拆解已通过电气试验的接头，内部应无水分进入或被腐蚀的迹象。

（2）阻燃防爆要求。 当高压防水阻燃防爆接头内部发生故障燃烧爆炸时，火焰可以立刻熄灭、不蔓延；

在高压防水阻燃防爆接头内部进行引弧试验（试验电流有效值50 kA，引弧时间1 s），产品应除泄压装置动作外，其它部分无破损。 参考国家标准GB 7674—2008［9］；

高压防水阻燃防爆接头内部150 g 三硝基甲苯（TNT）炸药爆炸后，高压防水阻燃防爆接头应除泄压装置动作外，其它部分无破损。 参考标准GA 871—2010［10］。

2.1.2 产品结构设计

（1）防水性能。 为保证防爆性能，需要设计保护壳与接头之间无防水胶，但这将大大降低产品的防水性能，所以必须加强壳体的防水性能。 电缆／接地线表面光滑难以密封，一直是业界的一大难题，95%以上进水情况都来自于电缆端部和接地线端部的电缆／接地线连接口处，因此，本设计壳体与电缆、接地线接触部位均配有防水密封金具，防水密封金具内灌入阻燃防水胶，同时将壳体其它部件之间采用密封圈螺栓紧固方法密封，全面保证产品具有良好的防水效果；

（2）阻燃防爆性能。 为保证防爆性能，设计保护壳与接头之间无填充防水胶，保证有充足的泄压空间，并且需要设计多个泄压口，且泄压口配导向管装置，朝向最安全的部位，从而避免损伤周围的设施及人员。

（3）阻燃防水混合物。 自行研制的阻燃防水混合物，其氧指数不小于35%，当产品内部击穿产生火焰时，能够使火焰瞬间熄灭。

高压防水阻燃防爆接头结构示意图见图2。 接地线端部密封金具，内部灌有阻燃防水混合物，不仅具有阻燃性，同时具有良好的防水性，保证容易进水的接地线端部不会进水；电缆端部密封金具，内部灌有阻燃防水混合物，仅具有阻燃性，同时具有良好的防水性，保证容易进水的电缆端部不会进水；泄压口，当产品内部出现故障时，将破坏产生的能量释放出去，从而保证产品无损坏、碎片。

图2 高压防水阻燃防爆接头结构示意图

2.2 理论计算

当高压防水阻燃防爆接头内部发生故障时，产品内部的气压会急剧上升，产生的故障电弧会灼烧产品外壳，由于故障电弧的能量和温度很高，产品外壳有可能被烧穿。

高压防水阻燃防爆接头内部故障产生外壳烧穿的时间按下式计算：

式（1）中，t为烧穿时间，ms；C为材料耐受系数，取350；S为泄压口或外壳厚度，mm；泄压口厚度取0.5，壳体厚度取10；I为故障电流，kA，取50。 将数、参数代入公式（1）中，得到泄压口和壳体烧穿的时间分别为7.5，1499 ms。

由计算结果可以看出，泄压口烧穿开始泄压时，高压防水阻燃防爆接头的外壳是不会被烧穿的。

3 防水阻燃防爆接头试验

3.1 试验方法

3.1.1 浸水冷热循环试验

将试样浸入水中，水面距产品外壳最高点至少1 m。 进行总共20 次加热和冷却循环。 每次循环时，水温度控制在70 ～75 ℃，保持5 h，然后冷却至10～30 ℃。 20 次冷热循环结束后继续进行电气试验，电气试验结束后进行产品拆解，观察高压防水阻燃防爆接头是否有水分或被腐蚀迹象。

3.1.2 引弧试验

试验回路由两段2 m 的YJLW031×2500 电缆和一个新型高压防水阻燃防爆接头组成。 引弧试验电气接线图见图3。

图3 引弧试验电气接线图

试验回路A、C 相与试验品连接，试品内部用直径大约为φ0.5 mm 的引弧丝将电缆线芯与金属外壳连接起来。 引弧线连接示意图见图4。

图4 试验内部引弧线连接示意图

引弧试验施加电流有效值为50 kA，峰值电流为128 kA，引弧击穿电压为12 kV，引弧时间为1 s。试验结果见表1。

表1 引弧试验实测值

3.1.3 TNT 试验

试验回路由两段2 m 的YJLW031×2500 电缆和一个新型高压防水阻燃防爆接头组成。 将150 g TNT 炸药置于产品内部中心位置，将雷管与导爆索连接，保证雷管与导爆索的充分接触，试验样品组装完成后通过雷管引爆炸药。

为了测量爆破过程防爆壳体内壁的动态应变（应力）变化情况，试验拟采用应变花（0°、45°两个方向）测试防爆壳体外壁面的动态应变。

为了测量爆破过程对周围冲击压力大小，将冲击波传感器及噪声传感器安装在距离爆心2，4，10 m的传感器支架上。 通过监测炸药瞬间爆炸后状态、记录爆炸能量对外界的破坏效应以及监测防爆壳体壁面关键点位的应力（应变）变化情况，探索产品的抗爆性能。

3.2 结果与讨论

（1）经过20 次浸水冷热循环试验后，通过20 kV 1 min 的耐压试验和95 kV 的冲击试验，拆解产品后发现内部无水分，产品通过浸水冷热循环试验。

（2）引弧试验前后试品状况见图5。

由图5 可知：引弧试验后除了适当的压力释放装置动作外没有外部效应；试验后壳体无损坏、无碎片；引弧产生的火焰立即熄灭。

（3）TNT 试验时的噪声和应变曲线见图6，试验前后样品状况见图7。

图6 TNT 试验时的噪声和应变曲线

图7 TNT 试验前后样品状况照片

由图7 中可以看出：在TNT（150 g）炸药爆炸条件下，新型高压防水阻燃防爆接头产品泄压口打开，壳体无任何变形、破损，无火焰产生；

炸药爆炸作用下所产生的压力很小，距爆破中心2 m及4 m 处的测得的冲击波压力未达到仪器的触发阈值（10 kPa），距爆心10 m 处测得的噪声为166 dB。

4 结 论

本工作通过对新型防水阻燃防爆接头的研制和试验，得到以下结论：

（1）将样品置于水下1 m 处，经过20 次浸水冷热循环试验后，通过电气试验，并且拆解后产品内部无水分，证明产品具有良好的防水性。

（2）样品引弧试验（50 kA×1 s）后，除了压力释放装置动作外没有外部效应，壳体无损坏、无碎片，引弧产生的火焰立即熄灭，证明产品具有良好的阻燃防爆性。

（3）在TNT（150 g）炸药爆炸后，产品泄压口打开，壳体无任何变形、破损，无火焰产生，进一步的证明高压防水阻燃防爆接头具有良好的阻燃防爆性能。

该产品的研发可提高电缆中间接头的安全性。