CN108631256A - 一种高压电缆接头防爆装置泄能孔的开口方式设计方法 - Google Patents

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杨鑫
梁振
刘真
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Abstract

本发明提出了一种高压电缆接头防爆装置泄能孔的开口方式设计方法，在泄能孔开口部位加装密封部件以及弹簧压紧装置，不但具有防水、防潮性能，还能保证当电缆接头发生爆炸时开口部位能够可靠打开。根据高压电缆接头防爆保护装置现场运行实际运行保护需要，以高压电缆接头发生电弧击穿放电故障、甚至爆炸事故时，防爆保护装置能够正常泄流为前提，确定弹簧材料、个数、分布位置和弹性系数，并提出了对泄能孔加入弹簧压紧装置后，高压电缆接头防爆装置的壁厚设计方法。本发明提出一种高压电缆接头防爆装置泄能孔的开口方式设计方案能够有效当电缆接头发生爆炸时开口部位能够可靠打开，同时保证高压电缆接头在日常使用时达到防水密封效果。

Description

一种高压电缆接头防爆装置泄能孔的开口方式设计方法
技术领域
电力系统与设备---高压电缆接头防爆设计
背景技术
电力电缆中间接头是绝缘薄弱环节，易发生绝缘击穿，引发电力电缆中间接头爆炸事故。爆炸事故极易引发电缆火灾，造成人员和设备的损伤。为了降低电缆接头爆炸引起的二次事故，必须采用高压电力电缆中间接头防爆装置。
当保护装置为密封环境时，由于电弧放电产生的大量能量无法释放，对保护装置的结构稳定性提出了巨大考验，因此，需要对高压电缆接头防爆装置设计的关键在于设置合适的能量释放方式以及时释放电弧瞬间产生的能量。通常，高压电力电缆接头防爆装置均采用了泄能孔以有效吸附爆炸产生的巨大冲击力、降低爆炸释放的大量热量温度、同时起到减震作用等要求。然而，目前针对泄能孔的设计大都凭借生产厂家的经验设计，缺少理论支撑和计算方法，在实际应用中存在较大的偏差，无法达到最优化设计，也无法起到良好的防潮密封作用。为解决这一问题，本发明提出一种新型高压电缆接头防爆装置泄能孔的开口方式设计方法，保证电缆接头爆炸时开口部位能够可靠打开，同时在电缆正常运行时具有防水、防潮性能。并提出了以弹簧拉伸泄能方式下，防爆装置的壁厚设计方法。
发明内容
根据现有高压电缆接头防爆装置泄能孔的开口方式设计存在的缺陷，本发明提出一种新的高压电缆接头防爆装置泄能孔的开口方式设计方案，这种泄能孔开口部位整体由限高螺栓、压紧弹簧装置、上盖板和开口法兰等几个部分共同构成，弹簧压紧装置和限高螺栓分别均匀分布在出气口四周，起到固定上盖板和出气口的作用。这种高压电缆接头防爆装置泄能孔的开口方式在压紧状态下的主视图如图1所示，产生最大位移状态下的主视图如图2所示。为清晰显示密封螺栓和压紧弹簧装置的具体位置，泄能孔的俯视图如图3所示，弹簧压缩保护装置整体侧视图如图4所示。该装置的工作原理为：正常使用状态下，压紧弹簧装置处于压缩状态，能够有效压紧上盖板，保证出气口的防水性和密封性。在高压电缆接头发生电弧击穿放电故障、甚至爆炸事故时，产生的巨大冲击力由出气口冲至上盖板处，使上盖板发生位移，弹簧发生形变，爆炸产生的巨大冲击力和电弧瞬间产生的能量得到释放。
(1)弹簧材料选择
弹簧材料对弹簧性能通常具有决定性的作用。弹簧材料的分类可以分为金属材料和非金属材料两大类，其中压缩弹簧通常采用金属材料。目前，弹簧常用的金属材料都是油淬火回火钢丝，硅锰弹簧钢丝居多，采用GB5218标准，交货状态分为冷拉(L)、退火(T)、正火(Zh)、高温回火(Gh)和银亮(Zy)等5种。不同的材料工艺、不同的国家标准、不同的钢种对应的化学成分均不相同，不同企业对弹簧钢的标准执行也相当严格。另外，压缩弹簧钢丝必须控制好化学成分、力学性能、脱碳、表面质量等指标，严格控制原材料用钢的非金属夹杂物等，保证理论剪切应力与实际的一致。所以应当优先考虑行业推行的标准规定，经过综合考虑，最终确定弹簧的材料、截面形状和尺寸。
(2)弹簧弹性系数确定方法
由于弹簧在发生弹性形变时，弹力的大小F跟弹簧伸长(或压缩)的长度x成正比，因此可以根据选定的弹簧的弹性系数，计算对应的弹簧拉力。在正常情况下弹簧处于压紧状态，能够对上压板起到较好的拉紧作用，有效密封泄能孔。在高压电缆接头发生电弧击穿放电故障、甚至爆炸事故时，由于密封空间内电弧释放的能量无法得到释放，泄能孔内部气压随时间迅速上升，当内部气压对泄能孔弹簧的作用力大于弹簧自身的压缩力时，密封盖被弹开，泄能孔开始泄能。
据此原理，弹簧弹性系数确定方法如下：
1)对泄能过程中保护装置内部气压变化过程进行仿真计算，得到装置内部气压值随时间变化的关系曲线；
2)得出泄能开始的时间点，根据保护装置内部气压变化过程的关系曲线确定此时对应的压强临界值；
3)通过公式F＝PS(P为高压电流接头发生电弧放电情况下防爆保护装置内部的绝对气压，S为弹簧上密封盖的受力面积)和公式F＝kx确定弹簧弹性系数，其中F的计算结果即为在压紧状态下弹簧对盖板的压力，其大小等同于对应的四根弹簧拉力。
(3)选择弹簧压紧泄能方式时，对应的防爆装置的壁厚设计方法
1)对泄能过程中保护装置内部气压变化过程进行仿真计算，得到装置内部气压值随时间变化的关系曲线；
2)根据保护装置内部气压变化过程的关系曲线得出泄能开始的时间点，对泄能开始时保护装置处于完全密封条件下的应力分布进行仿真，分析得出泄能开始时的保护装置最大应力点，即破坏程度最大的部位；
3)选取不同的壁厚，对泄能开始时不同壁厚对应的装置最大应力点处的应力进行仿真分析，采用matlab软件对仿真结果进行最小二乘法拟合，得到壁厚与保护装置上最大应力的函数关系；
4)综合考虑生产成本以及实际运行需要，最终确定壁厚。
附图说明
图1为本发明所提出的弹簧压缩装置压紧情况主视图
图2为本发明所提出的弹簧压缩装置最大位移情况主视图
图3为本发明所提出的弹簧压缩装置俯视图
图4为本发明所提出的弹簧压缩保护装置整体侧视图
图5为保护装置内部气压变化过程
图6为泄能开始时时不同厚度情况下结构最大处应力变化情况
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
(1)根据压缩弹簧的使用性能选择弹簧材料。在常用的油淬火回火钢丝，硅锰弹簧钢丝等弹簧材料中，通过对不同型号弹簧的抗拉强度，表面质量和疲劳性能等指标进行严格分析，最终选取高疲劳级油淬火回火钢丝弹簧。为了保证在正常状态下弹簧对上盖板的拉力能够使泄能孔得到充分的防水密封效果，同时在爆炸发生后能够有效控制上盖板的最大位移，弹簧数量取4根，且分别均匀分布在泄能孔四周，弹簧拉伸状态保持一致。
(2)通过对泄能过程中保护装置内部气压变化过程进行仿真，保护装置内部气压变化过程如图5所示，得出泄能开始的时间点和此时对应的压强临界值。以仿真结果为依据，通过压力公式和胡克定律计算压紧时弹簧装置对盖板的压力，最终确定弹簧弹性系数。本项目设计采用的弹簧原长度约为4cm，弹性系数大约在1.753×105N/m。泄能开始的时间为40ms，此时保护装置内部绝对气压升高约为0.6×106Pa，弹簧伸长1.72cm，四根弹簧其对应的弹簧拉力F为1.206×104N，即在压紧时，弹簧对盖板的压力为1.206×104N，该值大于弹簧自身的压缩力，密封盖被弹开。
(3)依据(2)中得出的泄能过程中保护装置内部气压变化过程和泄能开始的时间点，结合泄能开始时保护装置处于完全密封条件下的应力分布仿真结果，确定在40ms时刻保护装置最大应力点。选取1-12mm厚度的保护装置外壳计算在40ms时刻保护装置最大应力点变化情况，如图6所示，对计算结果采用matlab软件进行最小二乘法拟合，得到壁厚与保护装置上最大应力点处应力的函数关系，求导代入可得，在d＝7、8和9时，其曲线斜率变化较小，表明应力值已经趋向于稳定值，即高压电缆接头防爆保护装置所承受的最大应力位置应力变化趋于平缓，即当继续增加壁厚时，破坏程度不再发生明显变化。由于壁厚在8mm时，保护装置外壳所获受应力较小，约为4.7×107N/m2，因此，考虑生产成本以及实际运行需要，保护装置壁厚建议8mm以上。

Claims (1)

1.把高压电缆接头防爆装置泄能孔的开口部位由传统的装置设计方案转换为加入弹簧压紧装置和密封部件的开口方式设计方法，并提出了对泄能孔加入弹簧压紧装置后，高压电缆接头防爆装置的壁厚设计方法。
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