相變控溫式高壓電纜中間接頭連接管的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種相變控溫式高壓電纜中間接頭連接管，涉及高壓電纜連接【技術(shù)領(lǐng)域】。本實用新型包括管體，所述管體分為內(nèi)管和外管，在內(nèi)管和外管之間填充有填充物，所述填充物包括復(fù)合相變材料。該連接管利用有機復(fù)合相變材料的相變控溫功能，降低電纜接頭的溫度，控制電纜接頭熱老化進(jìn)程，避免沖擊負(fù)荷等造成的電纜接頭過熱故障，延長電纜的使用壽命。
【專利說明】相變控溫式高壓電纜中間接頭連接管

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實用新型涉及高壓電纜【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著國家對電力行業(yè)投入的進(jìn)一步加大和城網(wǎng)改造工作的進(jìn)一步深入，電力電纜得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是，隨著電纜使用量的增加，電纜的中間接頭劇增，接頭處的故障和由此而引發(fā)的事故就越來越顯露出來。中間接頭是高壓電纜的薄弱環(huán)節(jié)，原因在于電纜中間頭的制作過程中，電纜末端絕緣被切斷，從而引起該處電場發(fā)生畸變?；兊膱鰪娫趯?dǎo)線連接管以及外護套上將產(chǎn)生相當(dāng)大的附加損耗，從而加速電纜中間接頭的熱老化過程，嚴(yán)重時引發(fā)電纜接頭熱故障。
[0003]電纜接頭熱故障可分為外部熱故障和內(nèi)部熱故障兩類。電纜接頭的外部熱故障主要指裸露接頭由于壓接不良等原因，在大電流作用下，接頭溫度升高，接觸電阻增大，惡性循環(huán)而造成重大故障隱患。電纜接頭內(nèi)部熱故障的特點是故障點密封在絕緣材料或金屬外殼中。內(nèi)部熱故障一般都表現(xiàn)為發(fā)熱時間長而且較穩(wěn)定，與故障點周圍導(dǎo)體或絕緣材料發(fā)生熱量傳遞，使局部溫度升高而引發(fā)熱擊穿。
[0004]另外，電介質(zhì)在高溫作用下，短時間內(nèi)就能發(fā)生明顯的損壞。即使溫度比短時允許溫度低，但作用時間很長時，絕緣性能也常會發(fā)生不可逆的變化，這就是電介質(zhì)的熱老化。電纜接頭熱老化使得絕緣材料的電氣和機械性能同時產(chǎn)生劣化，絕緣壽命減少。特別地，熱老化還使得材料的伸長率、拉伸強度等機械特性變差。例如，XLPE材料的拉伸率被認(rèn)為從初始的400%?600%降低到100%時壽命終止。
[0005]高壓電纜接頭熱老化的原因一方面由于其深埋地下，工作環(huán)境本身處于密封環(huán)境中，其散熱困難，造成電纜接頭溫度居高不下。但其主要原因還是在于高壓電纜接頭處本身產(chǎn)生的比較大的熱量所致，如電能損耗、局部放電引起較大的溫升。當(dāng)電纜在正常負(fù)荷運行時，接頭內(nèi)部的溫度可達(dá)100°c，當(dāng)電纜滿負(fù)荷時，電纜芯線溫度達(dá)到90°C，接頭溫度會達(dá)140°C左右，當(dāng)溫度再升高時，接頭處的氧化膜加厚，接觸電阻隨之加大，在一定通電時間的作用下，接頭的絕緣材料碳化為非絕緣物，導(dǎo)致故障發(fā)生。
[0006]電纜過熱故障可引起火災(zāi)導(dǎo)致大面積電纜燒損，造成被迫停機，短時間內(nèi)無法恢復(fù)生產(chǎn)，造成重大經(jīng)濟損失。通過對事故的分析，電纜接頭過熱是引起電纜火災(zāi)的直接原因，電纜接頭過熱是因為接頭壓接頭不緊、接頭氧化等導(dǎo)致接觸電阻過大，長期的高溫運行使絕緣下降并擊穿，最后導(dǎo)致電纜火災(zāi)的發(fā)生。因此有必要采取相應(yīng)措施控制高壓電纜熱老化進(jìn)程，防止電纜接頭過熱，延長高壓電纜及接頭使用壽命。溫度是電纜接頭安全運行的一個十分重要的參數(shù)，也是影響其熱老化最為重要的因素。實驗研究和實際運行經(jīng)驗都表明，降低電纜運行時的導(dǎo)體溫度可以延緩電纜接頭的熱老化速率。綜上，改善電纜接頭導(dǎo)體連接管的結(jié)構(gòu)、增強電纜接頭自冷卻能力，是防止電纜接頭過熱、延長電纜使用壽命的有效方法。
[0007]國標(biāo)GB14315《電力電纜導(dǎo)體用壓接型銅、鋁接線端子和連接管》對接頭連接管做了相關(guān)規(guī)定。常規(guī)連接管均按照該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，分為GT(J)S、GT(J)、GL(J)、GLM(J)四類八種。按國標(biāo)GB14315設(shè)計的常規(guī)連接管，考慮了壓接后連接管的機械強度、電氣性能以及壓接工藝等要求，通?？梢詽M足電纜接頭熱穩(wěn)定的要求。然而，由于現(xiàn)場操作人員技能水平參差不齊以及實際接頭制作千差萬別，致使常規(guī)設(shè)計的連接管及電纜接頭很難滿足相關(guān)電氣性能等要求。從而，加速電纜接頭熱老化，引起接頭過熱甚至故障等。
實用新型內(nèi)容
[0008]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種相變控溫式高壓電纜中間接頭連接管，該連接管利用復(fù)合相變材料的相變控溫功能，降低電纜接頭的溫度，控制電纜接頭熱老化進(jìn)程，避免沖擊負(fù)荷等造成的電纜接頭過熱故障，延長電纜的使用壽命。
[0009]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型所采取的技術(shù)方案是:一種相變控溫式高壓電纜中間接頭連接管，包括管體，所述管體分為內(nèi)管和外管，在內(nèi)管和外管之間填充有填充物，所述填充物包括復(fù)合相變材料。
[0010]進(jìn)一步的，所述復(fù)合相變材料為有機復(fù)合相變材料。
[0011]進(jìn)一步的，所述有機復(fù)合相變材料為金屬基導(dǎo)熱增強型復(fù)合相變儲能材料。
[0012]進(jìn)一步的，所述填充物全部為復(fù)合相變材料。
[0013]進(jìn)一步的，所述內(nèi)管和外管之間設(shè)有加強筋。
[0014]進(jìn)一步的，所述加強筋沿圓周方向均布有3條以上，內(nèi)管和外管的間隙互相連通。
[0015]進(jìn)一步的，所述加強筋、內(nèi)管和外管均為金屬材料。
[0016]進(jìn)一步的，所述加強筋為四條。
[0017]采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于:本實用新型是將復(fù)合相變材料填充在連接管內(nèi)，利用復(fù)合相變材料的相變控溫功能，降低電纜接頭的運行溫度，控制電纜接頭熱老化進(jìn)程，避免沖擊負(fù)荷等造成的電纜接頭過熱故障，延長電纜的使用壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2是圖1中A-A剖視圖；
[0020]圖3是本實用新型具體實施狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖
[0021]圖中:1、管體；2、夕卜管；3、加強筋；4、內(nèi)管；5、填充物；6、應(yīng)力控制管；7、連接管；
8、外半導(dǎo)電管；9、內(nèi)絕緣管；10外絕緣管。

【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0023]相變材料(簡稱PCM)是一類特殊的功能性材料，其能在等溫或近似等溫的情況下發(fā)生相變(多數(shù)為固液相變或氣液相變)，同時伴隨有較大能量(一般稱為相變潛熱)吸收或釋放，這個特點是該類材料具有廣泛應(yīng)用的原因和基礎(chǔ)。復(fù)合相變材料克服了傳統(tǒng)相變材料在使用過程中的許多問題，具有許多優(yōu)異的性能:(I)儲存熱能量大，溫度可調(diào)控。(2)可直接成型加工，對容器要求不高甚至無需容器盛裝直接作為骨架材料使用，大大減少了生產(chǎn)成本。(3)材料相變過程中體積變化較小,形狀穩(wěn)定,是一種環(huán)境友好型材料。(4)性能穩(wěn)定，無過冷現(xiàn)象和相分離現(xiàn)象，使用壽命長。因此有機復(fù)合相變材料日益受到研究者的重視，被視為最有發(fā)展前途的相變材料之一。
[0024]目前該材料的主要被應(yīng)用于如下領(lǐng)域:(I)用作控溫材料，用有機復(fù)合相變材料制成了自動控溫的外殼、蓋板、散熱板，大功率電子元件的吸熱池等產(chǎn)品。(2)儲熱節(jié)能家用電器。儲熱節(jié)能的電飯鍋、電燜鍋、電熨斗等產(chǎn)品。(3)大功率電子元件的熱調(diào)控。如用于電腦處理器、大功率輸出電子元件的吸熱池和界面?zhèn)鳠岵牧稀?4)空調(diào)系統(tǒng)的中間熱介質(zhì)。將有機相變材料用于空調(diào)設(shè)備系統(tǒng)的中間熱介質(zhì)，可以有效地降低壓縮系統(tǒng)的溫度和壓力，提高設(shè)備的熱效率。(5)用作調(diào)溫材料，如現(xiàn)在已經(jīng)流通于市場的自動調(diào)溫房屋建筑材料，自動調(diào)溫服裝、被褥等，自動調(diào)溫的泡沫塑料材料。此外，在化妝品、太陽能利用、調(diào)溫纖維等多個領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。
[0025]本實用新型包括管體1，所述管體I分為內(nèi)管4和外管2，在內(nèi)管4和外管2之間填充有填充物5，所述填充物5包括復(fù)合相變材料；所述復(fù)合相變材料優(yōu)選為有機復(fù)合相變材料；所述有機復(fù)合相變材料優(yōu)選為金屬基導(dǎo)熱增強型復(fù)合相變儲能材料；所述復(fù)合相變材料優(yōu)選為復(fù)合定型相變材料，定型相變優(yōu)選為固-固相變。
[0026]所述填充物5可全部為復(fù)合相變材料。
[0027]所述內(nèi)管4和外管2之間設(shè)有加強筋3 ;所述加強筋3沿圓周方向均布有3條以上，優(yōu)選為4條，對管體I起支撐加強的作用，內(nèi)管4和外管2的間隙互相連通，填充物5填入內(nèi)管4和外管2的間隙，并使之密實。
[0028]所述加強筋3、內(nèi)管4和外管2均為同種金屬材料。
[0029]本實用新型基于有機復(fù)合相變材料，對電纜連接管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計了一種具有自冷卻功能的相變控溫連接管。該實用新型旨在革新電纜連接管的結(jié)構(gòu)，利用有機復(fù)合相變材料的相變控溫功能，降低電纜接頭的運行溫度，控制電纜接頭熱老化進(jìn)程，避免沖擊負(fù)荷等造成的電纜接頭過熱故障，延長電纜的使用壽命。
[0030]以下是對本實用新型的詳細(xì)描述:
[0031]一、本實用新型能夠解決的技術(shù)問題為:
[0032]( I)控制電纜接頭熱老化進(jìn)程
[0033]電介質(zhì)在高溫作用下，短時間內(nèi)就能發(fā)生明顯的損壞。即使溫度比短時允許溫度低，但作用時間很長時，絕緣性能也常會發(fā)生不可逆的變化，這就是電介質(zhì)的熱老化。熱老化使得電纜接頭絕緣材料的電氣和機械性能同時產(chǎn)生劣化，絕緣壽命減少，但是最顯著的表現(xiàn)還是材料的伸長率、拉伸強度等機械特性的變化。例如，XLPE材料的拉伸率被認(rèn)為從初始的400%?600%降低到100%時壽命終止。
[0034]高壓電纜接頭熱老化的原因一方面由于其深埋地下，工作環(huán)境本身處于密封環(huán)境中，其散熱困難，造成電纜接頭溫度居高不下。但其主要原因還是在與高壓電纜接頭處本身產(chǎn)生的比較大的熱量所致，如電能損耗、局部放電引起較大的溫升。當(dāng)電纜在正常負(fù)荷運行時，接頭內(nèi)部的溫度可達(dá)100°c，當(dāng)電纜滿負(fù)荷時，電纜芯線溫度達(dá)到90°C，接頭溫度會達(dá)140°C左右，當(dāng)溫度再升高時，接頭處的氧化膜加厚，接觸電阻隨之加大，在一定通電時間的作用下，接頭的絕緣材料碳化為非絕緣物，導(dǎo)致故障發(fā)生。
[0035]該連接管通過采用有機復(fù)合相變材料，吸收長期運行時電纜導(dǎo)體的熱量，可精確控制電纜導(dǎo)體溫度于最大長期工作溫度以內(nèi)，其誤差不超過IV。該相變控溫連接管通過降低最大長期工作溫度至合理的范圍(一般不超過90°C )，從而實現(xiàn)了對電纜接頭熱老化進(jìn)程的控制。
[0036](2)防止電纜接頭過熱故障
[0037]電纜接頭熱故障可分為外部熱故障和內(nèi)部熱故障兩類。電纜接頭的外部熱故障主要指裸露接頭由于壓接不良等原因，在大電流作用下，接頭溫度升高，接觸電阻增大，惡性循環(huán)而造成重大故障隱患。電纜接頭內(nèi)部熱故障的特點是故障點密封在絕緣材料或金屬外殼中。內(nèi)部熱故障一般都表現(xiàn)為發(fā)熱時間長而且較穩(wěn)定，與故障點周圍導(dǎo)體或絕緣材料發(fā)生熱量傳遞，使局部溫度升高而引發(fā)熱擊穿。
[0038]電纜過熱故障可引起火災(zāi)導(dǎo)致大面積電纜燒損，造成被迫停機，短時間內(nèi)無法恢復(fù)生產(chǎn)，造成重大經(jīng)濟損失。通過理論研究和對事故的分析，電纜接頭過熱是引起電纜火災(zāi)的直接原因，電纜接頭過熱是因為接頭壓接頭不緊、接頭氧化等導(dǎo)致接觸電阻過大，長期的高溫運行使絕緣下降并擊穿，最后導(dǎo)致電纜火災(zāi)的發(fā)生。
[0039]該連接管通過革新其結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅可以有效防止電纜接頭外部熱故障，對其內(nèi)部熱故障也有很好的抑制能力，對由壓接不良導(dǎo)致的接觸電阻過大、接頭局部過熱由很好的魯棒性。通過主動吸收運行導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量，避免其傳導(dǎo)至接頭絕緣層引發(fā)絕緣失效，從而有效防止接頭過熱引發(fā)的電纜故障。
[0040](3)延長電纜接頭的使用壽命
[0041]電纜絕緣的使用壽命(單位為年)和長期運行溫度的關(guān)系可用下式表示，即
[0042]
98
Α=20χ2? X
[0043]式中t —絕緣運行溫度(°C )，不超過130°C。
[0044]當(dāng)t=98 V時，使用壽命A=20年
[0045]當(dāng)t=104°C時，使用壽命A=1年
[0046]當(dāng)t=92 °C時，使用壽命A=40年
[0047]即溫度每升高或降低6°C，絕緣老化壽命降低一半或者提高一倍。這種規(guī)律稱為“6度定則”。采用復(fù)合相變材料，因其超強的吸熱能力，可使電纜接頭運行溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前電纜的運行溫度，且該材料可控制溫度變化范圍小于1°C。從而，有效延長電纜接頭的使用壽命。實際運行經(jīng)驗表明，電纜接頭故障是電纜故障中最為常見的一種。因而，有效防止接頭故障是延長電纜使用壽命的可靠方法。該專利通過控制接頭熱老化進(jìn)程、防止接頭過熱故障，實現(xiàn)延長電纜接頭使用壽命的目標(biāo)。
[0048]二、本實用新型的內(nèi)容
[0049](I)基于有機復(fù)合相變材料的高壓電纜中間接頭連接管
[0050]該連接管的設(shè)計思路為:設(shè)計了一種新型電力電纜連接金具；將有機復(fù)合相變材料應(yīng)用于高壓交聯(lián)聚乙烯電纜的中間接頭，通過改造連接管的結(jié)構(gòu)，大幅度增強XLPE電纜接頭的散熱能力，從而控制電纜接頭的熱老化進(jìn)程，并有效防止接頭過熱引起的電纜故障；進(jìn)而，大幅度延長電纜及其接頭的使用壽命。
[0051]⑵連接管材料選擇
[0052]有機復(fù)合相變儲能材料是指由相變材料與載體物質(zhì)相結(jié)合形成的可保持固態(tài)形狀的相變材料。這類相變材料的主要成分有2種，工作介質(zhì)(相變材料)和載體物質(zhì)，其作用是保持相變材料的不流動性和可加工性復(fù)合相變材料克服了普通有機相變材料易泄露、導(dǎo)熱率低等缺點。該相變材料采用金屬基導(dǎo)熱增強型復(fù)合相變儲能材料，與常規(guī)相變儲能材料相比，其導(dǎo)熱系數(shù)可以提高10倍以上，相變溫度在-150?1000° C可調(diào)，儲能密度可達(dá)100?1000J/g以上。
[0053]連接管的金屬材料按照GB14315的相關(guān)規(guī)定設(shè)計。其中，鋁材不低于GB3190 二號(2L)工業(yè)純鋁的規(guī)定；銅材不低于GB5231 二號(2T)工業(yè)純銅的規(guī)定。
[0054](3)連接管結(jié)構(gòu)設(shè)計
[0055]銅、鋁電纜連接管用途有:連接管適用于配電裝置中各圓型、半圓扇型電線、電力電纜之間的連接。該連接管采用在管體之間填充金屬基復(fù)合相變有機材料，外部由連接管導(dǎo)體密封的中空圓導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。復(fù)合相變材料導(dǎo)熱金屬與連接管的材料一致，內(nèi)管和外管之間采用加強筋加強換熱，并起到結(jié)構(gòu)支撐的作用。連接管的結(jié)構(gòu)尺寸與GB14315《電力電纜導(dǎo)體用壓接型銅、鋁接線端子和連接管》相對應(yīng)，但考慮到內(nèi)部填充了復(fù)合相變材料，適當(dāng)增加中空圓導(dǎo)體徑向外半徑尺寸。
[0056]三、本實用新型的效果
[0057]基于復(fù)合相變填充材料的高壓電纜中間接頭連接管的應(yīng)用效果
[0058]I)屬于吸收型被動冷卻，與常規(guī)散熱型有很大的不同。即不單依靠溫差散熱，因此不受外界環(huán)境溫度變化的影響，使電纜設(shè)備始終穩(wěn)定在需要的溫度上。從而有效減小沖擊電流對絕緣的破壞，提高設(shè)備的耐熱沖擊性能。
[0059]2)與主動冷卻比較，不用電，沒有運動部件，無需電源和動力裝置，可用于振動、沖擊、加速度等惡劣的力學(xué)條件下工作，可靠性很高。
[0060]3)在一定條件下，相較于水冷和風(fēng)冷進(jìn)行散熱，可以方便地對電纜設(shè)備的導(dǎo)體進(jìn)行冷卻，不用水冷或風(fēng)冷，節(jié)水節(jié)電，具有較大的經(jīng)濟價值。
[0061]4)在低溫條件下(如_40°C )工作，它還儲存熱能，有效防止外界環(huán)境過冷導(dǎo)致的電纜結(jié)構(gòu)損壞，提高電纜設(shè)備的耐低溫性能。
[0062]5)能周期性工作，長久使用。
[0063]6)在低的平衡溫度條件下，它比熱沉法散熱器體積可縮小2.6倍左右；重量可減輕4.5倍左右。
[0064]7)工藝較復(fù)雜。
[0065]四、附圖及附圖的簡要說明
[0066]如圖1、圖2所示，為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，金屬基復(fù)合相變材料被同材質(zhì)的金屬所包裹，處于密封結(jié)構(gòu)之內(nèi)。管體的內(nèi)腔用于容納連接電纜的中間接頭，相變復(fù)合材料處于內(nèi)管和外管之間，為全密封空間，密實壓滿。為增加連接管的機械強度，可在內(nèi)管和外管之間添加數(shù)量不等的加強筋，在復(fù)合相變材料層中有四個加強筋起支撐作用。值得說明的是，實驗研究表明，輻向加強筋不僅可以增加機械強度，而且可以在相當(dāng)程度上，增強復(fù)合相變材料的熱傳導(dǎo)能力，從而加強連接管的散熱性能。
[0067]如圖3所示，為10?IlOkV高壓電纜中間接頭的典型結(jié)構(gòu)示意圖。連接管處于電纜接頭的核心部位，與兩端電纜導(dǎo)體直接相連。由于防水及絕緣屏蔽等要求，電纜接頭內(nèi)部為封閉空間，其內(nèi)部熱量耗散速率緩慢。本實用新型對連接管結(jié)構(gòu)進(jìn)行革新，直接從運行電纜導(dǎo)體取熱，冷卻效率高，節(jié)能環(huán)保，且不額外增加輔助設(shè)備。
[0068]所述復(fù)合相變材料可以采用已有技術(shù)，根據(jù)要求的相變溫度選擇相應(yīng)的復(fù)合相變材料。
【權(quán)利要求】
1.一種相變控溫式高壓電纜中間接頭連接管，包括管體(1)，其特征在于:所述管體(I)分為內(nèi)管(4)和外管(2),在內(nèi)管(4)和外管(2)之間填充有填充物(5),所述填充物(5)包括復(fù)合相變材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變控溫式高壓電纜中間接頭連接管，其特征在于:所述復(fù)合相變材料為有機復(fù)合相變材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相變控溫式高壓電纜中間接頭連接管，其特征在于:所述有機復(fù)合相變材料為金屬基導(dǎo)熱增強型復(fù)合相變儲能材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變控溫式高壓電纜中間接頭連接管，其特征在于:所述填充物(5)全部為復(fù)合相變材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的相變控溫式高壓電纜中間接頭連接管，其特征在于:所述內(nèi)管(4)和外管(2)之間設(shè)有加強筋(3)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的相變控溫式高壓電纜中間接頭連接管，其特征在于:所述加強筋(3)沿圓周方向設(shè)有3條以上，內(nèi)管(4)和外管(2)的間隙互相連通。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的相變控溫式高壓電纜中間接頭連接管，其特征在于:所述加強筋(3)、內(nèi)管(4)和外管(2)均為金屬材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的相變控溫式高壓電纜中間接頭連接管，其特征在于:所述加強筋(3)為四條。
【文檔編號】H02G15/18GK203983937SQ201420349266
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】郭剛, 郝春生, 郜志, 李雪松, 韓衛(wèi)星, 張金彪 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)河北省電力公司邯鄲供電分公司