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上海上楼服务_电缆可分离连接器现场交接试验的技术改进方案

中压电缆所用的可分离连接器被广泛应用于10~35kV中压配电系统,其质量的管控非常重要。本文着重探讨此类产品安装后的交接试验技术,主要涉及产品的安装技术要点、交接试验技术要求等;同时推荐一种实用的交接试验用工装解决方案,使安装在电缆上的产品能接受有效的电气测试,便于电气使用性能的缺陷能够在安装后被排查出来,规避由于安装问题所导致的试验失败。

中压电缆用可分离连接器,一般用来把电缆连接到气体绝缘组合电器设备(gas insulated switchgear, GIS)开关柜、环网柜、电缆分接箱、变压器等全封闭电器设备上,故也可称其为设备终端,俗称电缆插拔头。

按其外形及应用接口类型可将其分为两大类,即外锥式(outside cone)及内锥式(inside cone)。其中,外锥式可被分为肘型可分离连接器、直型可分离连接器、T型可分离连接器(包括与其配套的扩延式可分离连接器)等3大类。

外锥式可分离连接器的接口尺寸标准可被分为欧式(满足欧洲标准EN50180或EN50181)、美式(满足美国标准IEEE 386)两大类。而内锥式可分离连接器的接口尺寸标准,均需满足欧洲标准EN 50180或EN 50181。

在配电系统的各种全封闭组合电器中,中压电缆可分离连接器的应用十分广泛,其本体质量及安装质量对配电电缆系统的稳定运行至关重要。然而,当很多用户进行现场交接试验时,仍然存在一些技术细节上的缺失,使产品质量问题无法得到有效排查,从而引发事故,或者由于操作瑕疵而把合格产品误判为不合格。目前为止对这一关键问题的理论探讨基本属于空白。

本文着重探讨安装有外锥式可分离连接器、配电用橡塑电缆的现场交接试验方法及注意事项,并且进行了详细的理论推导及建模分析。以在国内更具代表性的欧式可分离连接器为例进行了相关讨论。涉及美式可分离连接器的交接试验,可参考本文介绍的方法。

1  关于橡塑电缆的交接试验

1.1  橡塑电缆交接试验的技术要求

对于中压配电电缆的交接试验技术要求,可以依照的国内、国际标准较多。本文涉及4类标准,即IEC标准、中国国家标准、电力行业标准、国家电网公司企业标准。

电缆可分离连接器所适用的电缆,通常是橡塑电缆(即挤包绝缘电力电缆)。不同标准对橡塑电缆主绝缘交接试验的要求见表1。表1中所列举的电缆电压等级,系在中国电力系统中常见的8.7/ 10kV以及26/35kV。其他不常用的电压等级,如6/10kV、12/20kV、18/30kV、21/35kV等,并未逐一列出。

从表1可以看出:

1)对于8.7/10kV的电缆系统,单相交流测试电压最高可达21.8kV,0.1Hz超低频试验电压高达26.1kV,其直流测试电压水平更可高达34.8kV。
2)对于26/35kV的电缆系统,交流测试电压最高达52kV。

如果选用较高的测试电压,在交接试验时就需要注意一些细节问题。
 
电缆可分离连接器现场交接试验的技术改进方案
表1  各标准对橡塑电缆主绝缘交接试验的要求
 
1.2  电缆可分离连接器交接试验的现有技术情况

对涉及电缆可分离连接器的中压配电电缆的交接试验而言,用户目前普遍采用的试验安装方式有以下3种。

1)在电缆端头仅安装电缆适配器,不安装插拔头主体(靴套)。本方式无法检测插拔头主体。
2)安装插拔头主体,但不将主体可靠连接在电缆上。本方式更容易出现试验失败的情况。
3)把电缆插拔头连接到设备接口上,处于正常电气工作状态。本方式不能单独对电缆系统进行测试。

2  可分离连接器交接试验涉及的问题

2.1  一起可分离连接器交接试验故障的描述

公司于2016年5月接到某客户反馈:湖北武汉某10kV环网柜配套的630A欧式插拔式前接头,未通过现场交接试验,要求公司派员协助解决。其配套电缆型号为YJV22-8.7/10kV 3×120。公司售后服务工程师及时赶到现场,发现现场已做好3组插拔头,其中先进行交接试验的1组出现了问题,其余2组尚未进行试验。用户决定先行处理本次试验故障,查找到故障原因后再继续试验。

公司售后服务工程师从以下6个方面进行了调查。

1)试验失败产品的外观检查

当检查出现试验故障的产品时,发现插拔头主体(靴套)内腔与电缆适配器的安装配合处均出现过明显放电现象,如图1所示,内腔润滑脂留有较多黑色放电痕迹。从电缆上拆除适配器后,在适配器与电缆绝缘的界面未发现明显放电痕迹,如图2所示。


图1  插拔头主体

2)试验方法的调查

现场线路布置如图3所示。用户现场负责交接试验的工程师介绍:从电缆线路另一端的冷缩终端处施加测试电压,分相测试,单相测试时其他两相的电缆导体均作接地处理。测试电压为交流21.8kV(等于2.5U0)。确认其试验电压符合国家电网公司企业标准Q/GDW 11316—2014中规定的交流耐压要求(见表1)。


图2  电缆适配器


图3  交接试验电缆现场线路布置图

3)可分离连接器的装配状态

GB 50150—2016的第三章规定:“进行绝缘试验时,除制造厂装配的成套设备外,宜将连接在一起的各种设备分离,单独试验。”这就要求在交接试验时,电缆可分离连接器最好能与设备接口处于分离状态。经询问现场交接试验工程师,得知测试时冷缩终端以及插拔头被分别安装在电缆两端(如图3所示),且均与其他设备处于电气脱离的状态,符合标准要求。

4)产品规格的匹配

现场测量电缆绝缘的直径,3根缆芯绝缘直径分别为23.5mm、23.5mm和23.6mm。测量电缆适配器的内径,均为20.5mm。电缆绝缘直径尺寸与适配器规格相符合[15]。

5)电缆剥切尺寸及剥切工艺检查

现场检查所有剥切尺寸,并检查电缆表面处理的效果,基本合格,即表面光滑,无刀痕。

6)出厂试验记录

按照现场找到的可分离连接器合格证,将其编号发给公司质检工程师调阅出厂试验记录,证实出厂试验记录完备,各试验项目指标合格。

2.2  故障分析

综合前面所进行的6方面的调查,公司技术人员认为装配问题应该是本次试验故障的主要原因:①试验前,插拔头未被装配在设备的环氧套管接口上;②插拔头的主体与电缆之间并未作有效固定;③其主体(靴套)会滑脱移位(如图4所示),使产品处于不可靠的电气状态,从而导致试验失败。故障机理分析详见第3章。


图4  主体移位

2.3  现场解决方案

公司售后服务工程师与现场交接试验工程师沟通协商后,决定施行以下措施:

1)现场未通过交接试验的产品,由公司予以调换。
2)由公司提供试验用套管,确保插拔头主体(靴套)能够稳妥地与电缆固定在一起接受测试(如图5所示),插拔头所有组件均被完整安装,以确保产品处于可靠的电气状态。


图5  正常安装

经过上述措施,现场所有插拔头均顺利通过测试。用户问题得到了及时解决。

3  可分离连接器交接试验故障的理论分析

对于此次现场试验故障,需要进行深入的理论分析。追根溯源,可以对以后的工作提供扎实的理论依据。对于故障机理,可以通过电场仿真软件进行模拟并分析比对。

3.1  故障机理的理论推导

正常安装的可分离连接器由双头螺栓和环氧堵塞固定在电缆导体的接线端子上,如图5所示。

而图4所示的可分离连接器主体未被可靠连接在电缆上,主体内侧的高压屏蔽电极未与接线端子可靠连接。若在电缆另一端施加试验电压UT,则接线端子的电势为UT,主体的外表面因接地而电势为零。此时,主体内侧高压屏蔽电极的电势应当介于试验电压UT与零电位之间(即处于悬浮电位),而主体内侧的高压屏蔽电极与接线端子之间存在的电势差,会使得二者之间的空气产生持续放电,进而导致试验失败。

可建立数学模型,并运用Ansys电场分析手段来验证以上的理论推导。

3.2  仿真模型的建立

以10kV电缆配套的630A T型可分离连接器为例,分3种情况建立计算机辅助设计(computer aided design, CAD)模型,以供电场仿真软件分析。

1)仅安装电缆适配器及其电势、电场云图,如图6所示。


图6  仅安装电缆适配器及其电势、电场云图

2)安装插拔头主体,但未将主体可靠连接在电缆上,插拔头主体可以自由滑动,因而极易产生移位,如图7所示。这里的模型将移位设定为33mm,导体接线端子与插拔头内部的高压屏蔽电极处于脱离状态。


图7  插拔头主体出现移位及其电势、电场云图

3)将插拔头可靠安装在设备接口上(或者试验工装上),如图8所示。

3.3  仿真过程及仿真结果

运用Ansys软件的电场分析模块,对各CAD模型进行系统化的模拟分析。

仿真条件:仿真电压为21.75kV;交联聚乙烯绝缘层介电系数为2.2;三元乙丙橡胶绝缘层介电系数为2.5;空气介电系数为1.0。


图8  插拔头正常安装及其电势、电场云图

1)仅安装电缆适配器(不安装插拔头主体)。

如图6所示,从Ansys软件的仿真结果来看:在21.75kV的仿真电压下,电缆适配器外部空气的最高场强出现在适配器应力锥的端点处,为2.9kV/mm,略低于空气的起始放电场强3.0kV/mm。这说明在系统没有明显故障的前提下,单独在电缆上安装适配器是可以通过交接试验的。

2)安装插拔头主体,但未将主体可靠连接在电缆上。

如图7所示,从Ansys软件的仿真结果来看:在21.75kV的仿真电压下,电缆适配器外部空气的最高场强出现在适配器应力锥的端点处,为2.3kV/mm;另外一个较高场强点在主体外屏蔽层的下端,为2.4kV/mm,低于空气的起始放电场强3.0kV/mm。

空气最高场强出现在插拔件主体内部,接线端子下部的空气场强高达4.1kV/mm。而电缆适配器顶端与电缆绝缘结合点的空气场强也高达3.1kV/mm;这两处的空气场强均高于空气的起始放电场强。

仿真结果说明:当插拔件主体出现明显的滑脱移位现象时进行交接试验,其内腔极易出现空气放电现象,并造成耐压试验失败。

3)将插拔头可靠安装在设备接口上(或者试验工装上),处于正常的工作状态。

如图8所示,从Ansys软件的仿真结果来看:在21.75kV的仿真电压下,插拔头内部的空气场强极低。接线端子表面的最高场强不超过0.3kV/mm,电缆适配器顶端与电缆绝缘的结合点的空气场强不超过0.01kV/mm,电缆适配器顶端与插拔头主体内腔的结合点空气场强不超过0.01kV/mm。这说明,对于正常安装的合格产品,在进行交接试验时,不会在插拔头内部空气中产生放电。

4  推荐的交接试验方式

综上所述,可以对不同的交接试验方式进行比较,确定一种可靠的方式。

4.1  交接试验方式对比

对于涉及可分离连接器的交接试验通常有如下4种操作方式。

1)仅安装电缆适配器(不安装插拔头主体)。此种操作,相当于把电缆适配器作为一个临时的户外终端,仅能对相关电缆的绝缘性能进行检测,而无法对插拔头主体进行电气检测。
2)安装插拔头主体,但未将主体可靠连接在电缆上。此种操作,即前文第2节中的试验故障案例,容易出现主体滑脱移位、耐压无法通过的情况。
3)将电缆插拔头连接到设备接口上,处于正常的电气工作状态。这样进行交接试验,相当于把电缆和设备作为一个系统来进行测试,可以对电缆插拔头进行有效的电气测试。但是如若出现试验故障,则需要进行故障定位,具体区分是电缆故障还是设备的故障,这无形中会增加许多工作量。
4)引入合适的试验工装。在电缆与设备完全脱离的情况下,如果引入合适的试验工装,就可以保证电缆插拔头主体(靴套)能够稳妥地与电缆固定在一起接受测试。插拔头所有组件均被完整安装,以确保产品处于可靠的电气状态。

上述4种可分离连接器交接试验操作方式的优势和劣势对比见表2。 


表2  可分离连接器交接试验操作方式对比
 
从表2可以看出,引入合适的试验工装是较为合理的解决方案,值得推广。

4.2  可分离连接器的试验工装

合适的试验工装可以从市场上已经定型、较为成熟的产品中选取。以10kV 630A的T型可分离连接器为例,可以推荐的试验工装有以下两种。

1)单边套管

单边套管是一种用来临时封堵可分离连接器的电气元件,可用在箱变、分支箱及环网柜中,其主要作用是为供电设备检修提供辅助挂装的方便。其典型外形如图9所示。其典型内部结构如图10所示。可以看出,其结构尺寸满足EN50180或EN50181的相关要求。

2)双通套管(对接套管)配绝缘封帽

双通套管又称对接套管。具有双边对称的标准接口,一般用于两只可分离连接器进行对接的场合,在电缆分接箱中较为常见。如果用于交接试验,就需要与绝缘封帽配套使用。双通套管的典型外形和内部结构分别如图11和图12所示。


图9  单边套管

绝缘封帽系橡胶制品常被装配在电器设备的空置带电套管上,起绝缘防护的作用。其典型外形和内部结构分别如图13和图14所示。


图10  单边套管典型内部结构图


图11  双通套管的典型外形图


图12  双通套管的典型内部结构图


图13  绝缘封帽的典型外形图

在进行交接试验时,双通套管一端接可分离连接器,另一端则接绝缘封帽,如图15所示。可以适用的交接试验用工装或者辅助装置并不局限于以上所推荐的两种。在电缆与设备接口处于电气脱离状态下,只要能使可分离连接器可靠稳妥地连接在电缆上,并使其电气绝缘结构承受正常的试验电压,任何合适的装置都可以被接受。


图14  绝缘封帽的典型内部结构图


图15  双通套管与绝缘封帽的配合

由于试验工装在电缆可分离连接器的试验中较为常用,所以可分离连接器生产厂家的技术人员对试验工装的应用比较熟悉。而一些用户却并没有认识到试验工装的重要性,同时也并不熟悉相关试验工装的应用技术,故在交接试验中很多都没有采用试验工装。

总结
不论是用户、生产厂家或者安装人员,均需重视涉及可分离连接器中压配电电缆系统的交接试验细节。选择合适的试验方式,对于有效检测可分离连接器及其配套电缆的电气性能十分重要,也可提高测试效率,规避由于安装问题所导致的试验故障。试验工装可由电缆附件生产厂家提供,为用户提供更加周全可靠的技术服务。用户也可以主动要求生产厂家提供交接试验的解决方案,帮助其提升服务意识。

涉及可分离连接器中压配电电缆系统的交接试验,若未采用合适的试验方式,则很容易出现各种问题。典型的问题就是前文第2节所描述的情况,即可分离连接器的主体由于未作固定而从电缆端头滑脱移位,使主体内腔空气的电场产生畸变,引起内部放电,进而造成耐压试验的失败。

为有效检测可分离连接器及其配套电缆的电气性能,并提高测试效率,规避由于安装问题所导致的试验故障,在交接试验中建议推广使用合适的试验工装。

同时也建议涉及相关电缆可分离连接器交接试验技术要求的标准编委会,在以后的标准修订工作中可以考虑增加对试验工装的应用要求等条文内容,以便对电缆可分离连接器的交接试验进行更细致、更规范化的指导。