柯德剛， 李華春， 王體才， 趙 洋， 杜成龍，張竟成， 秦 浩， 孫 峰， 宋健瑛

（1.上海永錦電氣技術(shù)股份有限公司，上海 201619； 2.國網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031）

0 引言

我國110 kV 電力電纜輸電系統(tǒng)運營長度逐年增加。 2020 年國家電網(wǎng)110 kV 及以上主網(wǎng)電纜運行長度已經(jīng)達到32835 km，近年年均增長9%；南方電網(wǎng)110 kV 及以上主網(wǎng)電纜運行長度已經(jīng)達到6625 km，近五年年均增長10%；110 kV 主網(wǎng)電纜的發(fā)展為城市發(fā)展提供了必備的條件，但是電纜系統(tǒng)在運行過程中，可能發(fā)生局部故障，造成斷電。 由于電纜敷設(shè)在地下，找出故障點及恢復故障都是比較困難的工作。

現(xiàn)在大型城市及部分中型城市的110 kV 電纜一般敷設(shè)在地下隧道，因隧道空間有限及電纜排列整齊美觀方面的要求，大多數(shù)都沒有預留故障恢復用電纜。 一旦發(fā)生故障，即采取加一段電纜和兩個中間接頭的方法進行恢復。

在某些特殊情況下，如電纜隧道出現(xiàn)塌方或火災而導致電纜系統(tǒng)故障，一般采取一段較長的搶修備用電纜替代被塌方或火災破壞的電纜。

為盡快恢復發(fā)生了故障的電纜系統(tǒng)，北京供電公司2017 年開發(fā)了國內(nèi)首套電纜接頭快速恢復成套裝備［1］（含快速中間接頭，其基本結(jié)構(gòu)與組合式中間接頭相同）。 武漢大學聯(lián)合佛山供電局、中南電力設(shè)計院、宜昌供電公司設(shè)計了一種氣體絕緣變電站（GIS）內(nèi)錐插拔式快速中間接頭［2］，其基本結(jié)構(gòu)與GIS 試驗倉相同，兩套GIS 終端對接。 上海供電公司和普睿司曼介紹了一種將整體預制式中間接頭預先套裝在一段電纜上面作為快速搶修備用接頭［3］，這些快速接頭的基本絕緣方式均采用半導電與絕緣橡膠組合應(yīng)力錐過盈套裝在電纜外屏蔽斷口控制電場。 組合橡膠應(yīng)力錐與電纜絕緣貼合界面的間隙必須嚴格控制，界面的間隙及界面的粗糙度與界面的耐壓強度直接相關(guān)［4］。

本工作先后設(shè)計了幾種非組合橡膠應(yīng)力錐過盈套安裝在電纜絕緣上面，用以控制電場的快速搶修接頭。 這些產(chǎn)品適用于幾種不同的搶修條件，可縮短搶修時間，盡快恢復電力供應(yīng)，可降低停電對相關(guān)居民生活、社會服務(wù)及生產(chǎn)經(jīng)營的影響，減少停電造成的直接損失和間接經(jīng)濟損失。

1 產(chǎn)品簡介

根據(jù)北京電網(wǎng)的要求設(shè)計了第二代A 型快速搶修接頭［5］。 北京電網(wǎng)的供電可靠率要求高，故障恢復時間要求短，搶修時間要求控制在3 h 以內(nèi)，恢復后穩(wěn)定運行時間至少維持7 d。 （在臨時運行的7 d內(nèi)，塌方或過火的電纜隧道可以被妥善修復，滿足長期運行條件的正式電纜及電纜接頭也能被妥善敷設(shè)安裝到位）。

1.1 第二代A 型快速搶修接頭設(shè)計方案

1.1.1 安裝時間

目前，國家電網(wǎng)及南方電網(wǎng)使用的電纜中間接頭中，95 %以上為橡膠整體預制式。 這種整體預制式電纜接頭的安裝時間都比較長，早期一般規(guī)定安裝時間為48 h，近年來，由于電力建設(shè)增長較快，電纜附件安裝工作往往安排在電建項目的收尾階段，多方要求壓縮電纜附件的安裝時間，但是為保證產(chǎn)品運行質(zhì)量，110 kV 中間接頭的安裝時間仍須安排兩個工作日，平均安裝時間約26 h。 其中，僅電纜校直（加熱、冷卻）這一道工序的時間就需要12 ～14 h［6］。 另外，為提高界面擊穿場強，需要大量時間對電纜進行打磨。 本工作設(shè)計的技術(shù)方案不考慮對電纜進行加熱校直處理，且盡量減少打磨拋光的精細程度。

1.1.2 絕緣結(jié)構(gòu)及材料選擇

本工作選擇金屬應(yīng)力錐結(jié)合絕緣油來替代橡膠預制件，不對電纜絕緣表面進行精細打磨。 絕緣油（硅油和聚異丁烯）作為主要絕緣介質(zhì)廣泛用于戶外終端的套管內(nèi)［7］，但用于中間接頭尚未見相關(guān)文獻報道。

1.2 第二代A 型快速搶修接頭結(jié)構(gòu)特點

A 型快速搶修接頭的基本結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 A 型快速搶修接頭結(jié)構(gòu)示意圖

A 型快速搶修接頭基本結(jié)構(gòu)特點：產(chǎn)品由兩段金屬外殼筒體、兩個金屬應(yīng)力錐、一個金屬屏蔽管、一個中部絕緣隔板等部件組合。 電纜導體連接方式為可插拔連接，接頭內(nèi)部灌注絕緣油。

金屬外殼：起密封、保護作用，外殼的尺寸可相對固定，通過調(diào)整金屬應(yīng)力錐及金屬屏蔽管的尺寸來適應(yīng)不同電纜截面。

金屬應(yīng)力錐、金屬屏蔽管：起控制接頭內(nèi)的電場分布作用。

絕緣油：灌注時間短，快速實現(xiàn)絕緣作用。

可插拔連接方式：為保證產(chǎn)品的可重復利用，采用彈簧觸指［8］，實現(xiàn)導體可插拔連接方式；所用彈簧觸指的通流容量額定值為2220 A，與電纜載流量相當（空氣中平行敷設(shè)的110 kV-800 mm2銅芯電纜的載流量為2150 A）。

環(huán)氧絕緣件：具有高絕緣強度。 其中部是用來連接電纜導體的金屬屏蔽管，外部將接頭盒的外殼在中間部位做了電氣上的隔離，使得接頭盒可直接作為絕緣接頭使用。 當需要直通接頭時，可將環(huán)氧兩邊的法蘭進行聯(lián)通。

1.3 第二代B 型快速搶修接頭基本結(jié)構(gòu)特點

B 型快速搶修中間接頭基本結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 B 型快速搶修接頭結(jié)構(gòu)示意圖

B 型快速搶修接頭基本結(jié)構(gòu)特點：產(chǎn)品由金屬外殼、簡化半導電硅橡膠應(yīng)力錐、尼龍隔板等部件組合。 電纜導體連接方式為螺栓連接、接頭內(nèi)部灌注絕緣油。

螺栓連接方式：采用螺栓連接，實現(xiàn)導體可拆卸連接方式。

無中間環(huán)氧絕緣件：僅作為直通接頭使用。 體積小，可適用于狹窄的電纜隧道。

1.4 試驗條件

仿真模型及仿真條件：110 kV 專用金屬應(yīng)力錐結(jié)構(gòu)，配合800 mm2的XLPE 電力電纜，仿真電壓為64 kV 及160 kV。

仿真電壓為64 kV 時，最高場強集中在電纜外半導電屏蔽層斷口處，為5.6 kV·mm-1，金屬屏蔽罩上的最高場強為2.02 kV·mm-1，金屬應(yīng)力錐內(nèi)表面最大場強為2.0 kV·mm-1；仿真電壓為160 kV 時，仿真結(jié)果如圖3～圖6 所示。

圖3 接頭整體電位分布仿真圖

圖4 屏蔽電極與隔板處電位分布仿真圖

圖5 金屬應(yīng)力錐與屏蔽斷口處電位分布仿真圖

圖6 電纜與油界面合成場強曲線

由圖可知，產(chǎn)品內(nèi)部的電位分布合理；圖6 顯示電纜與絕緣油界面的EFX（電場強度x方向分量的曲線），EFY（電場強度y方向分量的曲線） 及EFSUM（和值場強）均分布合理，滿足實際技術(shù)要求。

2 電氣測試、試用情況及產(chǎn)品鑒定

2.1 電氣測試

產(chǎn)品進行電氣測試。 先通過了相關(guān)驗證試驗：2.5U0耐受60 min、1.5U0無局部放電；后通過2.5U0360 h 工頻耐壓試驗。

根據(jù)部分用戶提出將快速接頭作為永久使用產(chǎn)品的需求，按照GB／T 11033 標準規(guī)定的型式試驗項目進行試驗，并通過了全系列試驗。

2.2 產(chǎn)品試用情況

2019 年7 月產(chǎn)品在北京供電公司地下高壓電纜隧道進行了實地演練，通過電纜隧道現(xiàn)場實地演練，驗證了第二代快速搶修接頭的搶修時間比第一代快速接頭縮短了50%，效果良好。

2.3 產(chǎn)品鑒定

2019 年7 月，中國機械聯(lián)合會組織全國電纜系統(tǒng)專家對快速接頭給出鑒定意見：該產(chǎn)品采用金屬應(yīng)力錐和絕緣油配合，結(jié)構(gòu)簡單、安裝便利，可實現(xiàn)故障線路的快速恢復，并可作為備品備件重復使用。

2.4 產(chǎn)品應(yīng)用評估

2020 年10 月，中國電科院對研發(fā)的A 型及B型快速搶修接頭給出評估意見：采用絕緣油替代了傳統(tǒng)快速組裝接頭的交聯(lián)聚乙烯絕緣，提供了更高的絕緣穩(wěn)定性，降低了局部放電的強度，可將故障搶修時間控制在2 h 內(nèi)，有效提升電纜線路故障應(yīng)急處置效率，實現(xiàn)快速供電恢復，降低電纜線路故障帶來的經(jīng)濟損失和負面的社會影響。

3 快速搶修接頭產(chǎn)品改進

改進研發(fā)了C 型快速搶修接頭，其應(yīng)用面廣泛，產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 C 型搶修接頭基本結(jié)構(gòu)示意圖

C 型快速接頭基本結(jié)構(gòu)特點：產(chǎn)品與A 型搶修接頭的結(jié)構(gòu)基本相同，電纜導體連接方式為可插拔連接、接頭內(nèi)部灌注絕緣油或絕緣硅橡膠。 金屬外殼、金屬應(yīng)力錐、金屬屏蔽管、結(jié)構(gòu)也與A 型快速搶修接頭相同（增加了數(shù)量）。

C 型快速搶修接頭不同于A 型快速搶修接頭及B 型快速搶修接頭的特點是：增加了一段金屬外殼，可以適用于電纜故障后連接余量不夠的情況，（這種條件下使用A 型或B 型快速搶修接頭都要增加一段電纜、要安裝兩套接頭）。 另外一個特點是：如果搶修時間緊迫，灌絕緣油可實現(xiàn)快速恢復通電。如果時間允許，可選擇灌RTV，等RTV 固化后通電運行，采用這種安裝方式接頭可以長期使用，不用再次更換。 該安裝方式適用于多種不同電纜敷設(shè)通道，應(yīng)用場所廣泛。

4 結(jié)束語

為提高故障電纜輸電線路的搶修速度，在最短時間內(nèi)恢復主網(wǎng)電纜系統(tǒng)的供電能力，本工作研發(fā)了主網(wǎng)電纜故障快速恢復油浸式接頭（A 型及B 型快速搶修接頭）。 該產(chǎn)品利用了液體絕緣原理，使得安裝步驟大為簡化，可把產(chǎn)品搶修時間縮減到2 h以內(nèi)，使主網(wǎng)電纜系統(tǒng)在故障后能夠及時恢復供電。

其后又設(shè)計了應(yīng)用范圍廣泛的延長型可選擇永久使用的C 型快速接頭。

該系列快速搶修接頭產(chǎn)品可以應(yīng)用于多種電纜敷設(shè)環(huán)境，已經(jīng)被列為北京供電公司大型城市高壓電纜網(wǎng)火災感知和處置關(guān)鍵技術(shù)。 各大中城市的主網(wǎng)供電電纜系統(tǒng)發(fā)生故障時均可選擇采用。