【關(guān)鍵詞】電纜接頭；故障原因；預(yù)防措施；配電工程；電力安全

引言

電纜接頭作為配電系統(tǒng)里的關(guān)鍵連接組件，在電力輸送過(guò)程中有著不可替代的作用。伴隨配電網(wǎng)負(fù)荷持續(xù)增長(zhǎng)與環(huán)境條件漸趨復(fù)雜，電纜接頭故障難題漸次凸顯，若情況嚴(yán)重，甚至可能引起大面積停電。電纜接頭故障的產(chǎn)生，直接沖擊電力供應(yīng)的安全性，也讓電力設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行面臨困境。探究電纜接頭故障的根源及有效預(yù)防對(duì)策，對(duì)提升電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性具有關(guān)鍵實(shí)際意義。

一、配電工程中電纜接頭的結(jié)構(gòu)與工作原理

在配電工程中，電纜接頭發(fā)揮著連接電纜、輸送電流和提供機(jī)械保護(hù)的核心功能。其結(jié)構(gòu)一般由外護(hù)層、絕緣層和導(dǎo)電層組成。外護(hù)層的主要作用是抵御外部物理與化學(xué)因素的侵害，保證接頭不受外界機(jī)械壓力及腐蝕干擾；絕緣層保障了電氣的隔離狀態(tài)，防止短路與漏電現(xiàn)象；導(dǎo)電層充當(dāng)電流的通行路徑，承擔(dān)實(shí)現(xiàn)電氣連接和保障電流穩(wěn)定傳輸?shù)氖姑＝宇^的工作原理是通過(guò)導(dǎo)電層傳導(dǎo)電流，絕緣層實(shí)現(xiàn)電氣隔離，外護(hù)層抵御外界環(huán)境的影響[1]。電纜接頭的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電纜接頭結(jié)構(gòu)由應(yīng)力錨、絕緣界面、硅橡膠、壓接管以及主絕緣層等部分構(gòu)成，這些組成部分共同協(xié)作，保障電纜接頭在正常運(yùn)行期間的穩(wěn)定及安全。隨著電纜接頭服役的時(shí)間變長(zhǎng)，尤其是在負(fù)荷高、溫度波動(dòng)幅度大的情況下，接頭性能可能會(huì)因過(guò)熱、材料老化、機(jī)械損傷而下降，最終對(duì)配電系統(tǒng)穩(wěn)定性及安全性造成影響。

二、電纜接頭故障原因分析

（一）電纜接頭設(shè)計(jì)不合理

電纜接頭設(shè)計(jì)不合理是導(dǎo)致發(fā)生接頭故障的主要原因之一。設(shè)計(jì)過(guò)程中若未充分考慮實(shí)際使用條件，可能會(huì)導(dǎo)致接頭無(wú)法適應(yīng)電力負(fù)荷的波動(dòng)，從而增加故障發(fā)生的概率[2]。常用材料如銅和鋁合金的導(dǎo)電性能十分出色，然而在高溫情況或過(guò)載電流環(huán)境里，若設(shè)計(jì)時(shí)未充分考量接頭熱容量，接頭或因過(guò)熱而引發(fā)絕緣層燒毀以及接觸不良現(xiàn)象。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)往往要求接頭工作溫度不超過(guò)90℃，若長(zhǎng)期處在高溫環(huán)境，接頭的使用壽命會(huì)大大縮短，甚至引起電氣系統(tǒng)故障。

另一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題是未考慮到溫度波動(dòng)對(duì)接頭的影響。處于不同工作環(huán)境中，電纜接頭會(huì)有膨脹或收縮表現(xiàn)，尤其是當(dāng)面臨極端溫度情況時(shí)。倘若接頭設(shè)計(jì)欠妥，接頭的電氣連接也許會(huì)變得不穩(wěn)定，甚至讓絕緣層發(fā)生破裂。尤其當(dāng)溫差突破20℃的界限時(shí)，接頭處會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力聚集，可能會(huì)引起材料損傷，嚴(yán)重時(shí)極有可能導(dǎo)致接頭斷裂與電流中斷。

（二）施工質(zhì)量問(wèn)題

施工質(zhì)量對(duì)電纜接頭的使用壽命和故障發(fā)生率有直接影響。在實(shí)施電纜接頭制作期間，要嚴(yán)格依照剝皮長(zhǎng)度、銅線清潔度及壓接力度的標(biāo)準(zhǔn)要求來(lái)做，導(dǎo)線剝皮長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)是電纜外徑的1.5倍。如果剝皮的長(zhǎng)度不足，會(huì)使接觸面積出現(xiàn)減小，引起接觸電阻上升，從而導(dǎo)致局部出現(xiàn)高溫情況。銅線表面需要進(jìn)行清潔，去除油污跟氧化表層，以確保良好的導(dǎo)電性能。若未將銅線表面清潔干凈，電流通過(guò)時(shí)也許會(huì)接觸不良，加劇接頭過(guò)熱的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

精準(zhǔn)把控壓接力度同樣關(guān)鍵。壓接力一般規(guī)定在10～20 kN的范圍：若力度過(guò)小，會(huì)引發(fā)接觸不良；過(guò)大則可能損傷導(dǎo)電層及絕緣材料，導(dǎo)致電氣性能變差。施工環(huán)境對(duì)接頭質(zhì)量的重要影響同樣存在，在潮濕或是有腐蝕性氣體的環(huán)境中，接頭材料極易受潮或被腐蝕，造成絕緣層失效或接頭松動(dòng)，增加電力事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

（三）運(yùn)行過(guò)程中外界因素的影響

運(yùn)行環(huán)境里的溫度波動(dòng)、電流波動(dòng)以及外力作用等因素，會(huì)對(duì)電纜接頭的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。依據(jù)電纜行業(yè)既定標(biāo)準(zhǔn)，電纜接頭常規(guī)工作溫度一般是-40℃～90℃。在極端溫度條件下，接頭也許無(wú)法維持性能穩(wěn)定，處于低溫的情境，接頭以及電纜的材料會(huì)收縮，引發(fā)電氣連接欠佳；而處于高溫情境中，材料膨脹有概率引起接頭接觸不良及絕緣失效。若溫差變化超過(guò)了20℃，接頭處的應(yīng)力會(huì)增添材料損傷的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，嚴(yán)重的時(shí)候可能造成接頭斷裂或是電氣傳輸中止。為規(guī)避這一風(fēng)險(xiǎn)，接頭設(shè)計(jì)應(yīng)采用適應(yīng)性較強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)較小的材料，諸如鋁合金之類的復(fù)合材料，以減小溫差引起的物理性狀變化。

電流的波動(dòng)同樣是電纜接頭運(yùn)行里的關(guān)鍵要素，若電流超出額定值1.25倍，接頭溫度迅速往上攀升，致使接頭出現(xiàn)過(guò)熱，增加故障出現(xiàn)概率。符合電力系統(tǒng)的負(fù)荷規(guī)格，配電線路往往出現(xiàn)超過(guò)額定電流的現(xiàn)象，電纜接頭需具備承受短時(shí)間過(guò)載電流的能力，設(shè)計(jì)時(shí)需預(yù)留一定的電流冗余量。諸如電纜的拉伸、扭曲或振動(dòng)的外力作用，也有可能對(duì)接頭造成損傷，導(dǎo)致接頭呈現(xiàn)變形、松動(dòng)狀態(tài)，從而造成電氣連接不穩(wěn)固，加大電力故障出現(xiàn)概率。

（四）電纜老化和自然磨損

電纜接頭的使用年限直接關(guān)乎其故障發(fā)生率。伴隨電纜的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，受電流負(fù)荷、溫度變化及外界環(huán)境的影響，電纜接頭的絕緣層逐漸老化。電纜老化一般表現(xiàn)為絕緣層硬化、材質(zhì)脆化、導(dǎo)電層受腐蝕等現(xiàn)象。尤其是在高負(fù)荷持續(xù)作業(yè)或負(fù)荷頻繁變化的環(huán)境里，電纜老化加速明顯。隨著時(shí)間的推移，電纜的絕緣性能逐漸下降。一般情況下，電纜接頭可使用20年，超過(guò)這一年限后，其故障方式概率急劇上升[3]。

電纜接頭老化的主要表現(xiàn)為絕緣層發(fā)生開(kāi)裂、局部放電增多及導(dǎo)電層腐蝕。以聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）材料舉例說(shuō)明，若使用時(shí)長(zhǎng)超過(guò)20年，其絕緣強(qiáng)度大概會(huì)降低50%以上，而交聯(lián)聚乙烯（CrossLinked Polyethylene，XLPE）材料的絕緣層也會(huì)因電流負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而慢慢損壞，尤其是在較為潮濕的環(huán)境里，老化現(xiàn)象會(huì)愈發(fā)明顯。接頭里的局部放電現(xiàn)象會(huì)愈演愈烈，這不光影響接頭的電氣性能，還可能推動(dòng)材料損壞的加劇，增加電力系統(tǒng)遭遇故障的可能。

三、電纜接頭故障的預(yù)防措施

（一）提高電纜接頭設(shè)計(jì)水平

電纜接頭設(shè)計(jì)需依照工作環(huán)境、電氣負(fù)荷條件進(jìn)行優(yōu)化，常用的銅、鋁合金等導(dǎo)電材料傳導(dǎo)電流表現(xiàn)突出。但在高溫與過(guò)載電流的環(huán)境中，也許會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱，導(dǎo)致接頭性能有所下降。銅呈現(xiàn)出58×106 S/m的電導(dǎo)率數(shù)值，鋁合金測(cè)得電導(dǎo)率為37×106 S/m，開(kāi)展設(shè)計(jì)時(shí)需顧及該差異，需保證所選材料熱容量夠大?？梢圆捎肵LPE作為絕緣材料，其有較高的熱穩(wěn)定性以及電氣絕緣性能，較多應(yīng)用于高電壓系統(tǒng)內(nèi)，其熱變形時(shí)的溫度為130℃，可有效阻滯接頭的老化速率。

接頭設(shè)計(jì)要顧及溫差的變化，尤其在氣候條件極端的區(qū)域，電纜接頭需可承受-40℃～+90℃的溫度波動(dòng)。只要溫差超過(guò)20℃，接頭處的熱應(yīng)力可高達(dá)10～15 MPa，可能會(huì)引起接頭膨脹或收縮，危及電氣連接的穩(wěn)定性。電流沖擊對(duì)電纜接頭存在影響，電流沖擊一般可達(dá)到額定電流的1.5～2倍數(shù)值。設(shè)計(jì)方面需預(yù)留1.25倍的電流富余量，用以應(yīng)對(duì)短時(shí)間出現(xiàn)的過(guò)載情形。表1展示了常用材料在電纜接頭設(shè)計(jì)中的導(dǎo)電性、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等性能參數(shù)。

該表格呈現(xiàn)了電纜接頭常用材料在導(dǎo)電性、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)及最高工作溫度方面的性能比較，有助于設(shè)計(jì)電纜接頭時(shí)選定恰當(dāng)材料。

（二）加強(qiáng)施工和安裝質(zhì)量控制

施工實(shí)施階段中，保障電纜接頭安裝質(zhì)量是要害，工藝上的細(xì)微疏漏，都可能引起接頭故障現(xiàn)象，電纜接頭處導(dǎo)線剝皮長(zhǎng)度常要求是電纜外徑的1.5倍，剝皮后銅線要達(dá)到無(wú)油污、氧化層的清潔水平[4]。尤其在高負(fù)荷的實(shí)際環(huán)境下，導(dǎo)線接觸不良有概率造成接頭局部出現(xiàn)過(guò)熱，按照行業(yè)既定標(biāo)準(zhǔn)，接頭壓接完畢，接觸電阻不宜超過(guò)0.1 Ω，若電流流過(guò)接頭時(shí)接觸電阻值過(guò)高，接頭溫度會(huì)急劇攀升，大概會(huì)引起電氣方面故障。

在進(jìn)行接頭壓接操作時(shí)，精準(zhǔn)把控壓接力度極為關(guān)鍵。過(guò)大的壓接力會(huì)碾碎導(dǎo)電層，破壞絕緣材料；而壓接力過(guò)低則會(huì)引發(fā)接頭松動(dòng)，引起接觸電阻上升，推薦采用符合標(biāo)準(zhǔn)的壓接工具，并根據(jù)電纜接頭的規(guī)格和材質(zhì)選取恰當(dāng)?shù)膲航訅毫?。此外，環(huán)境的溫濕度也會(huì)影響接頭質(zhì)量，特別是在潮濕或含有腐蝕性氣體的環(huán)境中。若未采取合理的防水、防腐措施，接頭的絕緣層和導(dǎo)電部分易受損害，從而縮短電纜接頭的使用壽命。

（三）改善運(yùn)行環(huán)境

電纜接頭的可靠性與運(yùn)行環(huán)境密切相關(guān)，尤其溫度和濕度對(duì)接頭的影響不容忽視。在高溫負(fù)荷條件下，電纜接頭的溫升現(xiàn)象尤為明顯。電纜接頭溫度不應(yīng)超過(guò)90℃，若溫度高于這個(gè)限值，接頭的絕緣材料（如XLPE）可能會(huì)開(kāi)始老化，破壞其電氣性能。為提升接頭的散熱能力，接頭外護(hù)層宜選用高導(dǎo)熱性的材料，如鋁合金，也可采用具有較高導(dǎo)熱性能的高分子復(fù)合材料。這些材料可顯著降低接頭的溫升幅度，避免過(guò)熱現(xiàn)象的產(chǎn)生。

就運(yùn)行于高濕度或腐蝕性環(huán)境里的電纜接頭而言，應(yīng)采取防水防腐辦法，在這種環(huán)境下，電纜接頭外護(hù)層的材料要具有良好的抗紫外線及抗化學(xué)腐蝕特性。常見(jiàn)的防腐材料有耐紫外線的聚乙烯和耐高溫、對(duì)化學(xué)腐蝕有耐受性的聚氨酯涂層，這些材料能明顯延長(zhǎng)接頭的使用壽命[5]。接頭密封應(yīng)選用高質(zhì)量的密封膏及防水膜，將接頭處全面封閉，杜絕潮氣滲入，防止接頭受潮引發(fā)絕緣效果喪失。

（四）定期維護(hù)和監(jiān)測(cè)

有規(guī)律的維護(hù)與監(jiān)測(cè)，是保障電纜接頭可靠性的必要手段。采用紅外成像監(jiān)測(cè)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)接頭的過(guò)熱現(xiàn)象，預(yù)防因接頭溫度過(guò)高引發(fā)的火災(zāi)與設(shè)備毀壞。紅外成像儀通過(guò)掃描接頭的溫度分布，可精準(zhǔn)識(shí)別接頭的熱點(diǎn)，之后采取可行措施防止故障發(fā)生。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景里，電纜接頭表面溫度一般控制在50℃～60℃為宜，若超出該溫度，要立即檢查接頭內(nèi)部電氣連接情況[6]。

另一個(gè)有效的監(jiān)測(cè)手段是局部放電檢測(cè)。局部放電測(cè)試可檢查接頭絕緣層的完整性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)接頭絕緣層的微裂紋或腐蝕現(xiàn)象，防止由局部放電引起的電氣故障。依照行業(yè)要求，電纜接頭局部放電值不得超過(guò)10 pC，若數(shù)值超過(guò)這一值，說(shuō)明接頭可能存在潛在故障[7]。

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能監(jiān)控系統(tǒng)已逐步應(yīng)用于電纜接頭監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)通過(guò)溫度、濕度和電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接頭狀態(tài)，當(dāng)接頭的溫度、電流或濕度等參數(shù)超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即報(bào)警，并自動(dòng)調(diào)節(jié)電力負(fù)荷分配模式，防止因單點(diǎn)故障引發(fā)大規(guī)模電力中斷。對(duì)于使用時(shí)間較長(zhǎng)的電纜接頭，應(yīng)定期進(jìn)行檢查和更換，以保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[8]。

結(jié)語(yǔ)

電纜接頭故障對(duì)配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性具有深遠(yuǎn)影響。通過(guò)深入分析接頭設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量、外部環(huán)境因素及電纜老化等多方面原因，可以有效識(shí)別并預(yù)防潛在故障。通過(guò)優(yōu)化電纜接頭設(shè)計(jì)、加強(qiáng)質(zhì)量管控、改善運(yùn)行環(huán)境及定期維護(hù)監(jiān)測(cè)，可以有效減少電纜接頭故障發(fā)生的概率。隨著智能監(jiān)控技術(shù)的運(yùn)用與新材料的開(kāi)發(fā)，電纜接頭故障的預(yù)防力度將進(jìn)一步加大，為電力系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行筑牢更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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