风能动力电缆的压接及压接质量的简易验证方法

殷鹏鹏， 梁 斌， 解向前， 宋祖新， 徐鹏飞， 包德贵

（中天科技装备电缆有限公司，南通 226010）

0 引 言

近年来，国家对风电技术大力支持，国内风电装机容量迎来大幅增长，2019 年中国新增吊装容量高达28.9 GW，与2018 年相比，增长37%。 其中，陆上风电新增26.2 GW，与2018 年比增长36%，海上风电新增2.7 GW，与2018 年比增长57%。 相比于陆上风电，海上风电面临着更为严苛的海洋环境，主要包括温度、湿度、盐雾、太阳辐射、台风和雷电等。高温、高湿、高盐雾对机组电器设备有很大的破坏作用，会造成设备和材料的腐蚀、老化，还会直接影响设备导电、绝缘等电气性能［1］。 尤其是风能动力电缆的连接部位，最容易受环境影响，造成导体和连接金具在电流传输过程中陷入温度升高和表面氧化的恶性循环，引发严重的风机安全问题。 当前动力电缆与设备连接或动力电缆之间相互连接主要采用压接金具的方式，压接的质量主要取决于压接工具的选择和压接参数的设定。 压接部位的防护则是将暴露的金具和导体与外部环境进行隔离，减少对环境的影响。

1 电缆压接原理

压接连接技术是在常温下，用压接工具或设备对两个特定的金属表面施加一定的压力，使金属结合部产生恰当的塑性变形而产生可靠的电气连接，具有很好的机械强度、优良的电气性能和耐环境性［2］。 以下通过CATIA 建模的方式分析压接过程中导体和端子的变化。 第一步在1 根单丝周围环绕6 根单丝建立导体结构模型，并选择铜材质，结构模型见图1。 第二步对模型进行网格化处理，从上下左右4 个方向同时施加作用力，应力模型见图2。对比图1 和图2 可知，导体压接之前表面圆整光滑，导体之间存在一定间隙。 压接过程中，导体表面发生塑性变形，导体之间的间隙逐渐缩小，但压缩过度也会造成应力集中。 目前，对金属连接管和端子的压接方案以六方压接为主，参照正六方压接建立端子压接应力模型，见图3。 从图3 可知，压接过程中端子所受应力主要集中在六边形的6 个角。

2 风能动力电缆压接及防护

图1 导体结构模型

图2 导体应力模型

图3 端子压接应力模型

风能动力电缆主要采用分段式连接的方法敷设在风电机组的塔筒内，相邻两段电缆的端部一般通过压接金属连接管的方式进行连接，金属连接管见图4。 一般通过压接金属端子的方式将动力电缆与设备端进行连接，金属端子见图5。

图4 金属连接管

图5 金属端子

目前，用于风能动力电缆的压接设备主要有两种：一种为电动液压钳，见图6；另一种为铆压机，见图7。 电动液压钳的优点是质量相对较轻便于携带，模具更换简单易于操作，适用于风电机组现场施工；缺点是电池电量限制了压接次数，充满电的情况下只能压接60～100 次，而单个金属端子需压接2 ～3 次，单个金属连接管需压接4～6 次，电量不足时会导致压接力不够，且一个模具只能用于压接一种规格的电缆，需根据实际情况配备大量模具，模具的形状、宽度、对边高度、表面粗糙度均会对压接质量产生影响。 铆压机的优点是无须更换模具，可自主调节压接高度，适用于批量压接作业；缺点是质量较大、移动困难，适合固定位置作业。

图6 电动液压钳

图7 铆压机

风能动力电缆压接操作步骤：①按设计长度切断电缆；②剥除电缆护套和绝缘，剥除长度比端子内孔长度多2～3 mm；③将裸露的导体穿入端子内孔；④使用工具从端子顶部依次压接，压接次数根据模具宽度和端子内孔长度合理设定。 注意事项：①电缆切断面保持平整；②剥线不损伤导体，导体不松股；③导体端部完全到达端子内孔顶部；④压痕均匀分布在压接区域，压接部位无毛刺或飞边。

为防止环境因素造成压接部位金属氧化，需采取一定的防护措施。 目前常用的方式是多层防护，金具表面第一层紧密缠绕防水胶带直至电缆表面，第二层紧密缠绕绝缘胶带直至电缆表面，见图8，第三层使用热缩管收缩，见图9。 胶带和热缩管的耐温等级要高于电缆的护套材料，热缩管类型选用带胶双壁管，可以起到密封作用。

3 风能动力电缆压接质量验证

在压接连接设计中，压接部位的抗拉强度基本接近但又不超过导线的抗拉强度。 如果过分压接，在导线的横截面中产生过量的收缩，连接处会变得脆弱，并会产生过高的电阻。 如果压接不足，就容易产生端子受力脱落，抗拉强度不够［3］。 因此产生压接质量问题的主要原因有两种：压接不足和过分压接。 这两种情况可能造成的失效模式及失效原因见表1［4］。

图8 防水绝缘胶带防护

图9 热缩管防护

表1 压接连接失效模式及失效原因

电缆与金属端子在压接后可能出现的3 种状态，分别见图10、图11、图12。 从端子表面状态来看，图10 压接不足，图11 压接良好，图12 过分压接，并且产生了飞边。

图10 压接不足

压接质量的验证可参照GB／T 9327—2008《额定电压35 kV（Um＝40.5 kV）及以下电力电缆导体用压接式和机械式连接金具 试验方法和要求》的规定进行拉力试验、温升试验、1 000 次热循环试验［5］。 但机械性能和电气性能试验属于破坏性试验，且耗时长、成本高，仅可作为型式试验，不适合用于日常的质量检测，因此，需要一种简单实用的检测方式用于日常的压接质量的验证。 经过研究发现，端子压接压痕深度与电缆的机械性能和电气性能之间存在一定关系［6］，见图13。

图11 压接良好

图12 过分压接

图13 压痕深度与机械性能和电气性能关系

由图13 可以看出：压痕深度在一定范围内，机械强度和电气性能达到最优，压痕深度等于端子外径减去六方压痕的对边高度。 六方压痕的对边高度可通过游标卡尺直接测量，将压痕高度作为压接质量日常检测的重要依据，并且压痕高度也是液压钳压接模具的对边距离和铆压机的主要设定参数。 本工作通过端子截面分析的方式推导出压痕高度与导体截面积的相互关系，在不具备机械性能和电气性能试验的情况下，计算出合理的压痕高度。

300 mm2铜端子压接后实物截面图见图14，为方便计算，假设压接形状为正六边形，绘制如图15所示数学模型，S1为端子内部面积， h 为正六边形内部高度，b 为压接后端子的壁厚，H 为压痕高度。根据正六边形规则可以得到下列公式：

图14 端子压接截面图

图15 端子压数学模型

若压接后，导体的设计截面积为S2， 则端子截面填充率计算公式为

根据GB／T 3956—2008《电缆的导体》要求，在满足20 ℃时导体最大电阻的情况下，电缆导体的设计截面积一般小于标称截面积，导体结构设计见表2。

表2 导体结构设计

将式（1）、式（3）合并，可得到如下公式：

目前，行业内尚无标准对铜管端子截面填充率范围做出规定。 根据试验测试，导体的填充率大于90% 时，铜端子压接后的抗拉强度符合GB／T 9327—2008 要求。 GB／T 14315—2008《电力电缆导体用压接型铜、铝接线端子和连接管》对铜接线端子尺寸做出了规定，如表3 所示［7］。

表3 铜接线端子（DT 型）尺寸

假设填充率α ≥90%为合格，端子压缩系数θ为0.9，根据表2、表3 数据和公式（6）可计算出不同规格导体压接DT 型铜接线端子时对应的压痕高度，其结果见表4。

表4 压痕高度

由表4 可知：不同厂家的风能动力电缆结构设计和端子结构设计存在偏差，此计算方式和压痕高度数据可为六方压接理论数值提供一定参考。

4 结束语

风能动力电缆是风机电力传输的主要载体，风机并网发电后因压接不良造成动力电缆短期内氧化发黑的现象时有发生。 拉力试验和热循环试验由于试验条件限制无法用于风机组装现场压接质量验证，通过压痕高度验证压接质量的方法只需要一把游标卡尺即可，其操作方便、简单易学。 结合拉力试验、热循环试验等型式试验结果，可以将压痕高度数值设置得更为精确。 进行压接质量的验证并做好压接部位表面防护可延长动力电缆使用寿命，对风机整体的安全运行意义重大。 本工作通过对一种风能动力电缆的压接与防护技术进行研究，并提出了一种相对便捷、精准的压接质量验证方法，为同行业相关技术领域提供一定的参考依据。