殷鵬鵬， 梁 斌， 解向前， 宋祖新， 徐鵬飛， 包德貴

（中天科技裝備電纜有限公司，南通 226010）

0 引 言

近年來，國家對(duì)風(fēng)電技術(shù)大力支持，國內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)容量迎來大幅增長，2019 年中國新增吊裝容量高達(dá)28.9 GW，與2018 年相比，增長37%。 其中，陸上風(fēng)電新增26.2 GW，與2018 年比增長36%，海上風(fēng)電新增2.7 GW，與2018 年比增長57%。 相比于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電面臨著更為嚴(yán)苛的海洋環(huán)境，主要包括溫度、濕度、鹽霧、太陽輻射、臺(tái)風(fēng)和雷電等。高溫、高濕、高鹽霧對(duì)機(jī)組電器設(shè)備有很大的破壞作用，會(huì)造成設(shè)備和材料的腐蝕、老化，還會(huì)直接影響設(shè)備導(dǎo)電、絕緣等電氣性能［1］。 尤其是風(fēng)能動(dòng)力電纜的連接部位，最容易受環(huán)境影響，造成導(dǎo)體和連接金具在電流傳輸過程中陷入溫度升高和表面氧化的惡性循環(huán)，引發(fā)嚴(yán)重的風(fēng)機(jī)安全問題。 當(dāng)前動(dòng)力電纜與設(shè)備連接或動(dòng)力電纜之間相互連接主要采用壓接金具的方式，壓接的質(zhì)量主要取決于壓接工具的選擇和壓接參數(shù)的設(shè)定。 壓接部位的防護(hù)則是將暴露的金具和導(dǎo)體與外部環(huán)境進(jìn)行隔離，減少對(duì)環(huán)境的影響。

1 電纜壓接原理

壓接連接技術(shù)是在常溫下，用壓接工具或設(shè)備對(duì)兩個(gè)特定的金屬表面施加一定的壓力，使金屬結(jié)合部產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)乃苄宰冃味a(chǎn)生可靠的電氣連接，具有很好的機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)良的電氣性能和耐環(huán)境性［2］。 以下通過CATIA 建模的方式分析壓接過程中導(dǎo)體和端子的變化。 第一步在1 根單絲周圍環(huán)繞6 根單絲建立導(dǎo)體結(jié)構(gòu)模型，并選擇銅材質(zhì)，結(jié)構(gòu)模型見圖1。 第二步對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理，從上下左右4 個(gè)方向同時(shí)施加作用力，應(yīng)力模型見圖2。對(duì)比圖1 和圖2 可知，導(dǎo)體壓接之前表面圓整光滑，導(dǎo)體之間存在一定間隙。 壓接過程中，導(dǎo)體表面發(fā)生塑性變形，導(dǎo)體之間的間隙逐漸縮小，但壓縮過度也會(huì)造成應(yīng)力集中。 目前，對(duì)金屬連接管和端子的壓接方案以六方壓接為主，參照正六方壓接建立端子壓接應(yīng)力模型，見圖3。 從圖3 可知，壓接過程中端子所受應(yīng)力主要集中在六邊形的6 個(gè)角。

2 風(fēng)能動(dòng)力電纜壓接及防護(hù)

圖1 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)模型

圖2 導(dǎo)體應(yīng)力模型

圖3 端子壓接應(yīng)力模型

風(fēng)能動(dòng)力電纜主要采用分段式連接的方法敷設(shè)在風(fēng)電機(jī)組的塔筒內(nèi)，相鄰兩段電纜的端部一般通過壓接金屬連接管的方式進(jìn)行連接，金屬連接管見圖4。 一般通過壓接金屬端子的方式將動(dòng)力電纜與設(shè)備端進(jìn)行連接，金屬端子見圖5。

圖4 金屬連接管

圖5 金屬端子

目前，用于風(fēng)能動(dòng)力電纜的壓接設(shè)備主要有兩種：一種為電動(dòng)液壓鉗，見圖6；另一種為鉚壓機(jī)，見圖7。 電動(dòng)液壓鉗的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量相對(duì)較輕便于攜帶，模具更換簡單易于操作，適用于風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)施工；缺點(diǎn)是電池電量限制了壓接次數(shù)，充滿電的情況下只能壓接60～100 次，而單個(gè)金屬端子需壓接2 ～3 次，單個(gè)金屬連接管需壓接4～6 次，電量不足時(shí)會(huì)導(dǎo)致壓接力不夠，且一個(gè)模具只能用于壓接一種規(guī)格的電纜，需根據(jù)實(shí)際情況配備大量模具，模具的形狀、寬度、對(duì)邊高度、表面粗糙度均會(huì)對(duì)壓接質(zhì)量產(chǎn)生影響。 鉚壓機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是無須更換模具，可自主調(diào)節(jié)壓接高度，適用于批量壓接作業(yè)；缺點(diǎn)是質(zhì)量較大、移動(dòng)困難，適合固定位置作業(yè)。

圖6 電動(dòng)液壓鉗

圖7 鉚壓機(jī)

風(fēng)能動(dòng)力電纜壓接操作步驟：①按設(shè)計(jì)長度切斷電纜；②剝除電纜護(hù)套和絕緣，剝除長度比端子內(nèi)孔長度多2～3 mm；③將裸露的導(dǎo)體穿入端子內(nèi)孔；④使用工具從端子頂部依次壓接，壓接次數(shù)根據(jù)模具寬度和端子內(nèi)孔長度合理設(shè)定。 注意事項(xiàng)：①電纜切斷面保持平整；②剝線不損傷導(dǎo)體，導(dǎo)體不松股；③導(dǎo)體端部完全到達(dá)端子內(nèi)孔頂部；④壓痕均勻分布在壓接區(qū)域，壓接部位無毛刺或飛邊。

為防止環(huán)境因素造成壓接部位金屬氧化，需采取一定的防護(hù)措施。 目前常用的方式是多層防護(hù)，金具表面第一層緊密纏繞防水膠帶直至電纜表面，第二層緊密纏繞絕緣膠帶直至電纜表面，見圖8，第三層使用熱縮管收縮，見圖9。 膠帶和熱縮管的耐溫等級(jí)要高于電纜的護(hù)套材料，熱縮管類型選用帶膠雙壁管，可以起到密封作用。

3 風(fēng)能動(dòng)力電纜壓接質(zhì)量驗(yàn)證

在壓接連接設(shè)計(jì)中，壓接部位的抗拉強(qiáng)度基本接近但又不超過導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度。 如果過分壓接，在導(dǎo)線的橫截面中產(chǎn)生過量的收縮，連接處會(huì)變得脆弱，并會(huì)產(chǎn)生過高的電阻。 如果壓接不足，就容易產(chǎn)生端子受力脫落，抗拉強(qiáng)度不夠［3］。 因此產(chǎn)生壓接質(zhì)量問題的主要原因有兩種：壓接不足和過分壓接。 這兩種情況可能造成的失效模式及失效原因見表1［4］。

圖8 防水絕緣膠帶防護(hù)

圖9 熱縮管防護(hù)

表1 壓接連接失效模式及失效原因

電纜與金屬端子在壓接后可能出現(xiàn)的3 種狀態(tài)，分別見圖10、圖11、圖12。 從端子表面狀態(tài)來看，圖10 壓接不足，圖11 壓接良好，圖12 過分壓接，并且產(chǎn)生了飛邊。

圖10 壓接不足

壓接質(zhì)量的驗(yàn)證可參照GB／T 9327—2008《額定電壓35 kV（Um＝40.5 kV）及以下電力電纜導(dǎo)體用壓接式和機(jī)械式連接金具 試驗(yàn)方法和要求》的規(guī)定進(jìn)行拉力試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、1 000 次熱循環(huán)試驗(yàn)［5］。 但機(jī)械性能和電氣性能試驗(yàn)屬于破壞性試驗(yàn)，且耗時(shí)長、成本高，僅可作為型式試驗(yàn)，不適合用于日常的質(zhì)量檢測(cè)，因此，需要一種簡單實(shí)用的檢測(cè)方式用于日常的壓接質(zhì)量的驗(yàn)證。 經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，端子壓接壓痕深度與電纜的機(jī)械性能和電氣性能之間存在一定關(guān)系［6］，見圖13。

圖11 壓接良好

圖12 過分壓接

圖13 壓痕深度與機(jī)械性能和電氣性能關(guān)系

由圖13 可以看出：壓痕深度在一定范圍內(nèi)，機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能達(dá)到最優(yōu)，壓痕深度等于端子外徑減去六方壓痕的對(duì)邊高度。 六方壓痕的對(duì)邊高度可通過游標(biāo)卡尺直接測(cè)量，將壓痕高度作為壓接質(zhì)量日常檢測(cè)的重要依據(jù)，并且壓痕高度也是液壓鉗壓接模具的對(duì)邊距離和鉚壓機(jī)的主要設(shè)定參數(shù)。 本工作通過端子截面分析的方式推導(dǎo)出壓痕高度與導(dǎo)體截面積的相互關(guān)系，在不具備機(jī)械性能和電氣性能試驗(yàn)的情況下，計(jì)算出合理的壓痕高度。

300 mm2銅端子壓接后實(shí)物截面圖見圖14，為方便計(jì)算，假設(shè)壓接形狀為正六邊形，繪制如圖15所示數(shù)學(xué)模型，S1為端子內(nèi)部面積， h 為正六邊形內(nèi)部高度，b 為壓接后端子的壁厚，H 為壓痕高度。根據(jù)正六邊形規(guī)則可以得到下列公式：

圖14 端子壓接截面圖

圖15 端子壓數(shù)學(xué)模型

若壓接后，導(dǎo)體的設(shè)計(jì)截面積為S2， 則端子截面填充率計(jì)算公式為

根據(jù)GB／T 3956—2008《電纜的導(dǎo)體》要求，在滿足20 ℃時(shí)導(dǎo)體最大電阻的情況下，電纜導(dǎo)體的設(shè)計(jì)截面積一般小于標(biāo)稱截面積，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見表2。

表2 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將式（1）、式（3）合并，可得到如下公式：

目前，行業(yè)內(nèi)尚無標(biāo)準(zhǔn)對(duì)銅管端子截面填充率范圍做出規(guī)定。 根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，導(dǎo)體的填充率大于90% 時(shí)，銅端子壓接后的抗拉強(qiáng)度符合GB／T 9327—2008 要求。 GB／T 14315—2008《電力電纜導(dǎo)體用壓接型銅、鋁接線端子和連接管》對(duì)銅接線端子尺寸做出了規(guī)定，如表3 所示［7］。

表3 銅接線端子（DT 型）尺寸

假設(shè)填充率α ≥90%為合格，端子壓縮系數(shù)θ為0.9，根據(jù)表2、表3 數(shù)據(jù)和公式（6）可計(jì)算出不同規(guī)格導(dǎo)體壓接DT 型銅接線端子時(shí)對(duì)應(yīng)的壓痕高度，其結(jié)果見表4。

表4 壓痕高度

由表4 可知：不同廠家的風(fēng)能動(dòng)力電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和端子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在偏差，此計(jì)算方式和壓痕高度數(shù)據(jù)可為六方壓接理論數(shù)值提供一定參考。

4 結(jié)束語

風(fēng)能動(dòng)力電纜是風(fēng)機(jī)電力傳輸?shù)闹饕d體，風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電后因壓接不良造成動(dòng)力電纜短期內(nèi)氧化發(fā)黑的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。 拉力試驗(yàn)和熱循環(huán)試驗(yàn)由于試驗(yàn)條件限制無法用于風(fēng)機(jī)組裝現(xiàn)場(chǎng)壓接質(zhì)量驗(yàn)證，通過壓痕高度驗(yàn)證壓接質(zhì)量的方法只需要一把游標(biāo)卡尺即可，其操作方便、簡單易學(xué)。 結(jié)合拉力試驗(yàn)、熱循環(huán)試驗(yàn)等型式試驗(yàn)結(jié)果，可以將壓痕高度數(shù)值設(shè)置得更為精確。 進(jìn)行壓接質(zhì)量的驗(yàn)證并做好壓接部位表面防護(hù)可延長動(dòng)力電纜使用壽命，對(duì)風(fēng)機(jī)整體的安全運(yùn)行意義重大。 本工作通過對(duì)一種風(fēng)能動(dòng)力電纜的壓接與防護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，并提出了一種相對(duì)便捷、精準(zhǔn)的壓接質(zhì)量驗(yàn)證方法，為同行業(yè)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域提供一定的參考依據(jù)。