高 凱，陳龍嘯，楊黎明，朱智恩

（南京南瑞集團公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇南京211106）

海底電纜軟接頭導(dǎo)體快速焊接方法

高 凱，陳龍嘯，楊黎明，朱智恩

（南京南瑞集團公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇南京211106）

介紹了一種海底電纜軟接頭導(dǎo)體快速焊接方法，其焊接速度快、電阻較小、操作簡便，可應(yīng)用于各種電壓級別、不同截面的電力電纜導(dǎo)體焊接，并通過接頭電阻、最大拉斷力測量和溫度仿真手段驗證其可靠性。

海底電纜；導(dǎo)體快速焊接；軟接頭；電阻；強度；溫度

0 引 言

目前交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的中間接頭一般采用硅橡膠或三元乙丙橡膠材料的預(yù)制式接頭［1］，而海底電纜的工廠接頭以及擠出式修補接頭采用擠出式模壓接頭（Extrusion Molded Joint，簡稱EMJ）［2］。預(yù)制式中間接頭導(dǎo)體連接一般采用壓接或栓接方式，歐美如ABB等企業(yè)采用栓接，國內(nèi)一般采用壓接，而EMJ接頭一般采用焊接方式，焊接方式主要有整體銀釬焊［3］、分層銀釬焊［4］、分層氬弧焊［5］等。

導(dǎo)體的整體銀釬焊操作簡便，但由于焊接過程中長時間對導(dǎo)體加熱，溫度可達600～1 000℃，對焊接位置附近屏蔽與絕緣性能有較大影響，且焊接處導(dǎo)體完全退火，強度下降明顯；而分層銀釬焊和分層氬弧焊需分層焊接，焊接接頭長度較大，焊接時間較長，操作過程較為繁瑣，對焊接工人要求高，而且由于焊接點較多，可能會出現(xiàn)局部焊接不牢的現(xiàn)象。此外由于需先將導(dǎo)體分層處理，焊接時再恢復(fù)原樣，導(dǎo)致導(dǎo)體表面不平，需多層打磨，致使表面不夠光滑圓整。本文受國家電網(wǎng)公司科技項目“高載流量柔性直流電纜絕緣料及電纜系統(tǒng)核心技術(shù)研究”（2014320001510110）資助，提出了一種導(dǎo)體快速焊接技術(shù)，并通過接頭電阻、最大拉斷力測量和溫度仿真手段驗證其可靠性。

1 導(dǎo)體快速焊接

1.1 快速焊接方法

金屬焊接主要有熔化焊、壓力焊、釬焊等三大類。熔化焊包括電弧焊、氣焊、氬弧焊、電子束焊、激光焊等；壓力焊包括電阻焊、摩擦焊、超聲波焊、冷壓焊、爆炸焊等；釬焊包括硬釬焊和軟釬焊兩大類。

電工銅焊接存在難熔合、易氧化、易產(chǎn)生氣孔和裂紋等問題。由于銅導(dǎo)熱性好，焊接時母材難以局部熔化。銅高溫時易氧化，氧化生成的氧化亞銅和銅形成低熔點共晶物，導(dǎo)致焊接接頭機械性能降低。銅液可溶解大量氫氣，隨著溫度的降低，溶解度下降，銅焊縫的凝固速度較快，氫來不及逸出便要形成擴散氣孔。高溫時銅與氧親和力較大而形成Cu2O，在1 200℃以上可溶于液態(tài)銅中，低于1 200℃便要游離出來，與氫發(fā)生如下反應(yīng)：

所形成的水蒸氣不溶于液態(tài)銅，若來不及逸出也會形成氣孔，這就是反應(yīng)氣孔。銅的線膨脹系數(shù)較大，液態(tài)銅冷卻過程中產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，而且焊接過程中產(chǎn)生低熔點共晶物、氣孔以及其他雜質(zhì)導(dǎo)致接頭易出現(xiàn)裂紋［6］。因此，銅導(dǎo)體焊接宜采用熱量集中的焊接方式，為避免銅氧化，建議使用氣體保護。

通過綜合分析發(fā)現(xiàn)，鎢極氬弧焊具有能量集中，局部可達3000℃，變形與應(yīng)力較小，電弧穩(wěn)定，惰性氣體對熔池保護效果好，焊縫質(zhì)量高等特點，因此最終采用鎢極氬弧焊［7］。

1.2 材料與設(shè)備

1.2.1 焊接材料

鎢極氬弧焊的焊接材料主要是鎢極、Ar氣、焊絲。鎢極具有電流容量大、損耗小，引弧和穩(wěn)弧性好等特點，常用的鎢極有純鎢極、釷鎢極、鈰鎢極等三種，其中鈰鎢極WCe20最好。氬氣為無色、無味的惰性氣體，與金屬反應(yīng)，也不溶于金屬，Ar比空氣重25%，使用時氣流不易漂浮散，純度應(yīng)≥99.99%。焊絲應(yīng)選用與銅的化學(xué)成分或力學(xué)性能相當(dāng)?shù)牟牧?，為確保焊接接頭電阻較小，選擇銀銅合金焊條。

1.2.2 鎢極氬弧焊設(shè)備

手工鎢極氬弧焊設(shè)備包括焊機、焊槍、供氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。焊機需包含引燃電弧高頻振蕩器和保證重復(fù)引燃電弧，并穩(wěn)弧的脈沖穩(wěn)弧器。由于焊接電流較大，選擇水冷式焊槍［9］。

1.3 操作步驟

將緊壓圓形銅導(dǎo)體的A、B端部，見圖1，分別沿豎直中心線向兩側(cè)切割或打磨，A和B端部的端面均呈錐形，且沿豎直中心面對稱，各端面的錐角為60°～90°之間。如有導(dǎo)體阻水，應(yīng)先除去導(dǎo)體阻水材料，用鋼絲刷刷去銅表面的氧化膜，然后用無水乙醇分別清洗A、B端部的端面，并在焊接處附近通冷卻水對導(dǎo)體降溫，在A、B端部采用氬弧銀焊豎焊，選擇銀銅合金焊條，氬弧焊機，焊接電流為100～200 A，氬氣純度為99.99%，焊接接頭長度為2～5 cm，接頭僅需一次焊接即可完成。根據(jù)焊接導(dǎo)體截面不同，該焊接方法僅需約1 h，較常規(guī)分層焊接所需一天時間，大大縮短。冷卻至室溫后，用角磨機打磨焊接接頭，使外徑與原始導(dǎo)體一致，表面光潔［10］。

圖1 導(dǎo)體焊接預(yù)處理示意圖

2 試驗驗證

以最高工作溫度90℃、±200 kV 1×1 000mm2柔性直流海底電纜結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)［11］，絕緣線芯結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，柔直海纜工廠接頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 ±200 kV 1×1 000 mm2柔直海纜電纜絕緣線芯結(jié)構(gòu)尺寸表

圖2 柔直海纜電纜軟接頭結(jié)構(gòu)示意圖

由于海底電纜導(dǎo)體均為緊壓圓形導(dǎo)體，因此我們分別選取6根1.5 m的1 000 mm2緊壓圓形銅導(dǎo)體和0.5 m的500 mm2緊壓圓形銅導(dǎo)體，并分別將其中的三根用往復(fù)鋸截為等長的兩截，按照焊接工藝焊接。

2.1 導(dǎo)體直流電阻

將3根未焊接的1 000 mm2緊壓圓形銅導(dǎo)體和3根焊接的1 000mm2導(dǎo)體試樣置于20℃恒溫試驗室內(nèi)24 h，使之達到溫度平衡后，用數(shù)字電橋分別測量1 m焊接導(dǎo)體和原始導(dǎo)體的直流電阻。

2.2 導(dǎo)體焊接接頭拉斷力

室溫下，用萬能試驗機分別測量各3根500 mm2的原始導(dǎo)體和焊接導(dǎo)體的最大拉斷力，如圖3，并計算其抗拉強度，測量前所有導(dǎo)體兩端都要進行處理。

圖3 焊接導(dǎo)體最大拉斷力試驗

2.3 導(dǎo)體焊接溫度仿真

根據(jù)IEC 60287中載流量計算公式，計算出電纜的額定載流量I為：

式中：Δθ為導(dǎo)體與外界環(huán)境的溫度差；R為最高運行溫度下導(dǎo)體單位長度直流電阻值；T1為絕緣熱阻；T2為PE內(nèi)護套的熱阻；T3為外被層熱阻；T4為外部熱阻。

用Comsol仿真軟件對導(dǎo)體焊接溫度進行仿真。步驟如下：添加二維軸對稱模型，分別定義銅導(dǎo)體和柔直電纜絕緣料兩種材料屬性，導(dǎo)體一端施加額定電流，另一端接地，定義環(huán)境溫度為20℃，傳熱系數(shù)為3.4W/m2·K，對模型進行剖分，并計算得到電纜中溫度分布情況云圖。

3 結(jié)果與討論

3.1 焊接導(dǎo)體直流電阻

在20℃下，分別測量3根電纜原始導(dǎo)體和快速焊焊接導(dǎo)體1 m的直流電阻，結(jié)果如表2所示。焊接導(dǎo)體與原始導(dǎo)體的直流電阻比，如圖4所示。

表2 電纜導(dǎo)體直流電阻

從表2可以看出，焊接導(dǎo)體直流電阻測量數(shù)據(jù)平均為17.98μΩ/m，較原始導(dǎo)體直流電阻平均值17.36μΩ/m稍大，而且焊接導(dǎo)體直流電阻測量數(shù)據(jù)較為接近，數(shù)據(jù)波動較小，焊接導(dǎo)體直流電阻穩(wěn)定性較高。

從圖4可以看出，海纜軟接頭導(dǎo)體快速焊接接頭的直流電阻比電纜原始導(dǎo)體增加約4%，電阻增加較小。

圖4 焊接導(dǎo)體與原始導(dǎo)體直流電阻比較

3.2 焊接接頭最大拉斷力

在室溫下，用萬能試驗機分別測量導(dǎo)體截面為500 mm2的原始導(dǎo)體和焊接導(dǎo)體各3根的拉斷力，并計算其抗拉強度。

表3為導(dǎo)體焊接接頭最大拉斷力。從表3可以看出，焊接導(dǎo)體平均最大拉斷力為112.7 kN，較原始導(dǎo)體平均拉斷力115.8 kN下降3.1 kN，即下降2.7%，降低幅度較小。

表3 導(dǎo)體焊接接頭最大拉斷力

3.3 海纜軟接頭溫度仿真

經(jīng)測量，導(dǎo)體焊接接頭長度為3 cm，根據(jù)表2數(shù)據(jù)可以得出，焊接接頭電阻約為原始導(dǎo)體電阻的2倍。因此仿真時定義接頭電阻率為原始導(dǎo)體的2倍。

圖5a是軟接頭溫度分布，深色部分為導(dǎo)體，導(dǎo)體中間兩個矩形為焊接接頭，導(dǎo)體右邊為絕緣部分，絕緣厚度為15 mm，仿真電流為額定載流量，1 424 A。在該條件下，導(dǎo)體最高溫度為90.3℃，絕緣的最高溫度也為90.3℃，絕緣最外層溫度為78.6℃。圖5b為軟接頭焊接導(dǎo)體軸向溫度分布，導(dǎo)體中間的接頭處溫度最高，為90.28℃，而導(dǎo)體接頭兩邊的本體最高溫度為90℃?？梢娫摵附臃椒ê附拥慕宇^在額定載流量條件下，最高溫度僅提高0.3℃。

CIGRE TB496規(guī)定，預(yù)鑒定試驗中長期電壓試驗要求試驗回路中導(dǎo)體溫度應(yīng)不低于Tc，max（電纜設(shè)計的導(dǎo)體最高運行溫度）［11］。GB/T 22078—2008要求預(yù)鑒定試驗中的熱循環(huán)電壓試驗在導(dǎo)體溫度為90～95℃條件下進行［12］。因此，該種焊接方法的軟接頭導(dǎo)致的溫度升高僅為0.3℃，對絕緣的影響幾乎可以忽略，對電纜長期穩(wěn)定運行影響也不大。

4 結(jié) 論

（1）本文提出的導(dǎo)體等徑焊接方法，接頭一次焊接即可完成，焊接速度快，接頭長度僅為2～5 cm，接頭結(jié)構(gòu)緊湊、可操作性高，可用于各種電壓級別、不同截面的交直流電力電纜的導(dǎo)體焊接，特別適用于海底電纜軟接頭和擠出型修補接頭的導(dǎo)體焊接。

（2）導(dǎo)體快速焊接接頭的電阻增加較小，最大拉斷力降低幅度較低，并且由此引起的溫升較小，其對絕緣溫度的影響幾乎可以忽略，滿足要求。

圖5 軟接頭溫度分布

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A Conductor W elding M ethod Applied to Soft Joint of Submarine Cable

GAO Kai，CHEN Long-xiao，YANG Li-ming，ZHU Zhi-en
（NARIGroup Corporation（State Grid Electric Power Research Institute），Nanjing 211106，China）

This paper introduces a conductorweldingmethod applied to soft jointof submarine cable，which also can applies to conductor welding of all kinds of voltage and section cables.Thismethod is rapid，efficient，and easy and simple to handle，while thewelded jointhas low resistance.Thisweldingmethod was tested bymeasuring resistance，strength，and simulating temperature of joints applied thismethod by the Comsol.

submarine cable；rapid conductor weldingmethod；soft joint；resistance；strength；temperature

TM722；TM247

：A

：1672-6901（2016）06-0014-04

2016-05-19

高 凱（1985-），男，碩士研究生.

作者地址：江蘇南京市江寧區(qū)誠信大道19號［211106］.