一种新型柔性中压电缆快速插接头装置设计和制作探讨
随着我国城市电力事业的蓬勃发展，对供电可靠性提出更高的要求。目前，配电网大量采用配电电缆及环网柜，电缆头普遍采用冷缩或热缩方式进行安装，施工难度大，施工时间长，需要研发一种环网柜电缆快速插接头装置，以实现环网柜的快速安装，达到良好的经济效益和社会声誉。贵阳供电局、欧玛嘉宝（珠海）开关设备有限公司的研究人员付滨、杜雪、刘兵、袁禾、朱铁鹏，在2020年第2期《电气技术》杂志上撰文，从快速插接头装置的设计思路开始，全流程探讨如何实现快速插接头装置的设计、制造以及试验验证。
随着我国城市电力事业的蓬勃发展，对供电可靠性提出更高的要求。目前，配电电缆及环网柜在配电网中大量应用，配电电缆和电缆之间普遍采取热缩或者冷缩的方式进行连接。这种连接方式存在诸多不便，如：①施工不便利，对施工人员素质要求较高，若安装不良极易发生故障；②型号不统一，不同电缆之间需要不同型号的电缆附件进行安装；③作业时间较长，一次连接的时间需要停电数小时。
为解决这些问题，本文设计了一种新型的中压电缆快速连接装置。
1 总体思路
1.1 初步构想
一个新型快速插接装置的设计需要从结构、接地、防水、电场分布等方面进行综合考虑，以确保装置的安全可靠。综合目前已有的技术方案，本文拟采取快速插头加插座的结构。
快速接头包含了快速插头和快速中间接头两部分，如图1所示。快速中间接头的内部是导电紫铜管，实现电路导通；两端设计有高压均压环，用于均压端部电场强度，材质为铝；内部的绝缘材质选用优质硅橡胶，增强产品的绝缘性能；快速中间接头的最外部使用铸铝壳体，既能实现对橡胶绝缘体的机械保护，又能使产品全屏蔽接地，实现了中间接头全绝缘可触摸的特点，安全可靠。
图1 快速中间接头的结构
1.2 快速插头的安装连接方式
快速插头的安装连接方式如图2所示。
图2 快速插头的安装连接方式
快速中间接头的两端设计有安装孔，用于和快速插头暗转固定。快速插头由触头、表带触指、压紧锥、定位压板、橡胶适配器、尾管法兰等组成。整个装置通过紧固螺栓进行连接。
1.3 接地
为了实现快速插头和快速中间接头的可触摸性能，铝制的外壳必须接地，使用可伸缩弹簧接地线套接在快速中间接头上，直接接入主接地排或者周围的接地体上。
1.4 防水
通过材料和结构两方面来确保防水等级。一方面通过橡胶固体压缩实现绝缘配合，确保良好的密封性能；另一方面外部使用热缩管进行防护，避免机械应力损伤快速插头和快速中间接头的外壳。
2 电场分析设计
2.1 中间接头详细结构
中间接头详细结构如图3所示。
图3 中间接头详细结构
根据环网柜中最大截面的使用要求，采用匹配国内标准的、型号YJV22-8.7/15-1×400的交联聚乙烯电缆规格，以满足产品的通用一致性。
导电铜管，经过机械加工之后表面镀银，依照实际温升要求，导电铜管规格选择外径55mm，壁厚5mm，截面积约为785mm2，施加693A（≥1.1Ir下），热平衡以后温升＜75K，满足使用要求。
半导电层（内屏蔽层），材质为半导电橡胶，这部分控制局放，由于导电铜管需要机械加工，表面难免会有毛刺尖角，可能会出现局放超标，影响产品的长时间可靠运行；要求材质表面没有任何划痕、表面光滑、无飞边毛刺，厚度必须不得小于2mm。
绝缘橡胶件（硅橡胶），硅橡胶属于整个结构中最为关键的部分，该部分弱化电场强度，在其生产硫化过程中不能出现气泡，依照10kV电压标准要求，设计厚度不得小于8mm。
金属接地体、中间接头与快速插头的安装端面均布置在整个中间接头的外部，除了有较强的机械强度外，还是良好的导电体，实现机械保护的同时具备外壳屏蔽接地，满足外表面零电位可触摸要求，两者之间通过丝牙螺纹紧固。安装端面的外端设计有3个M8的螺纹孔用于和插拔式电缆接头紧固配合。
2.2 插拔式电缆接头详细结构
插拔式电缆接头，如图4所示。
图4 插拔式电缆接头详细结构
图4中电缆接头的触头和弹簧触指（表带触指），是导通电缆导体和中间接头的导电铜管。铜编织线，用于实现电缆铜屏蔽层、铠装层的接地。电缆接头定位圈，材质为紫铜T2，防止电缆接头上的应力锥错位滑动。
整个插拔接头绝缘应力锥，主要材质同样为绝缘硅橡胶，外部形状尺寸配合中间接头的绝缘层，应力锥的下端设计有变导电体，有效搭接电缆的外屏蔽层，半导电体的外部设计有匀称的R圆角，为了有效释放应力场强。
插拔式电缆接头的外部固定尾管法兰，保证插拔式电缆接头本体和中间接头有效配合并接地，实现插拔式电缆接头的外表面零电位可触摸要求。
2.3 电场分析
利用电场强度分析软件ElecNet对产品结构的合理性进行验证，了解设计中绝缘薄弱环节。设置条件如下：所有的接地体和接地体以外远离高压侧的所有物质电场强度设置为0，所有有高压的导体和与导体接触的半导电层电场强度全部设置为最高场强，橡胶层的介电常数设置为2.8，设置工频电压为42kV，通过电脑分析计算得出电场分布图，如图5所示。
图5 电场分布图
经过分析得知，整个装配体电场强度最高处为7.34kV/mm，远远低于橡胶层绝缘击穿强度17kV/mm，设计合理，绝缘性能可靠。
2.4 热稳定计算（略）
选用YJV-8.7/15-1×400的电力电缆，参照GB/T 18889—2002《额定电压6kV（Um=7.2kV）到35kV（Um=40.5kV）电力电缆附件试验方法》第11.2条、第12.2条规定，进行了设计验证计算。通过计算可知，产品完全可以满足动热稳定试验20kA/4s。
3 生产工艺过程设计
快速中间接头的导电铜管、金属接地体、中间接头与快速插头的安装端面全部属于机械加工，依照图纸的公差要求，应用车、铣、钻等机械加工工艺完成，机械加工完成后根据相关标准要求进行表面处理，如电镀、酸洗氧化处理等。
内屏蔽层为使用半导电橡胶模压硫化成型，前期完成产品外形尺寸设计、模具设计、模具加工等。将模具固定在压力机上，将导电铜管放入内屏蔽层模具型腔指定位置后，通过高温硫化成型，再进行高温烘箱热处理。
制作完成后还需要清除表面毛刺，进行X光射线探伤以确认内部无任何气泡，再进行表面电阻测量。
4 产品检验
4.1 型式试验要求
电缆附件产品型式试验，属于非常严格的环节，依照产品结构性能以及相关标准，具体项目要求见表1。
表1 型式试验要求
5 结论
本文从解决目前中压配电电缆连接不便、时间长、规格型号繁多的问题入手，设计一种中压电缆快速插接头装置解决现有装置的不足；从装置的结构、材料、工艺各个环节进行了设计和模拟验证。从验证结果来看达到了最初的设计初衷，为下一步的实际生产和现场使用提供了理论支持。