柔性電纜接頭防爆袋的設(shè)計研究

引言

隨著國家對電網(wǎng)建設(shè)的大力投入,大電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜,各種箱柜的數(shù)量不斷增加,電纜接頭也隨之越來越多,以至于各種電力設(shè)備的日常運(yùn)行和管理愈來愈困難,尤其是電纜接頭發(fā)生故障的現(xiàn)象越來越嚴(yán)重,其巡檢監(jiān)察難度也不斷加大。

電纜接頭在發(fā)生故障爆炸的一剎那會產(chǎn)生強(qiáng)大的機(jī)械破壞力和超高溫的燃燒火焰,極易對周圍人員造成嚴(yán)重的傷害,而且也非常容易引燃同溝其他電纜,進(jìn)而造成大面積停電,或引發(fā)其他重大事故,后果極其嚴(yán)重。所以,十分有必要提高電纜接頭的防火防爆性能。

目前市場上常見的多為剛性電纜接頭保護(hù)裝置,主要有以下幾種:

(1)阻燃防火板保溫箱。它是把防火板設(shè)置在矩形盒體上,以此來防護(hù)電纜。有的在矩形盒內(nèi)裝上如生石灰等熱空氣介質(zhì)滅火設(shè)備,有的則在矩形盒內(nèi)灌入混合均勻的無機(jī)耐火堵料,用無機(jī)耐火泥塊將其封閉,而后再用鋼箍追平以起到定形的效果。

(2)玻璃鋼護(hù)殼。就是以玻璃鋼為主要材料做成安全保護(hù)器,以起到防護(hù)電纜的效果。它主要包括兩大類,一類是把聚氨酯AB防火組合橡膠灌注在以玻璃鋼材料做成的安全保護(hù)器內(nèi),另一類則是將玻璃棉充填于由玻璃鋼所制造的保護(hù)裝置內(nèi)。目前,因為價格相對低廉且易于大量生產(chǎn),玻璃鋼護(hù)殼的使用十分普遍。在國內(nèi)外,生產(chǎn)第一類玻璃鋼護(hù)殼的電纜接頭保護(hù)盒的廠家仍占據(jù)主要地位。

(3)防爆玻璃。其支架采用的是角鐵或方形不銹鋼,然后在支架中裝入防爆玻璃,并用防火板或鋁板將各電纜隔開,以制成電纜的保護(hù)裝置。

以上這些剛性防護(hù)裝置體積龐大,難以在狹窄的電纜溝中安裝:而且在電纜接頭發(fā)生爆炸時,剛性防護(hù)裝置無法阻止空氣進(jìn)入,很難避免電纜接頭火災(zāi)的發(fā)生:此外,剛性防護(hù)裝置也容易因承受不了電纜接頭爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力而破碎,并產(chǎn)生碎片傷及周圍其他電纜及檢修人員,因此亟需加以改進(jìn)。

為解決這些問題,本單位開發(fā)了柔性電纜接頭防爆袋,它通過在導(dǎo)線外表層緊密地包覆折疊緊縮后的柔性耐火物質(zhì)來產(chǎn)生緩沖空間,其占用電纜溝的容積有限:發(fā)生線纜接頭爆裂事件后,所產(chǎn)生的巨大能量可以很快打開袋體外部的空隙,將充滿氣體的空隙擴(kuò)大10倍以上,從而實現(xiàn)迅速泄壓的目的。另外,因為柔性防爆袋所用材料不但耐撕裂,而且強(qiáng)度也較高,所以在泄壓時其仍能維持完好,從而有效避免了爆裂后碎片濺射情況的發(fā)生,不會危及周邊的檢修人員和電纜設(shè)備:同時,由于柔性防爆袋是完全封閉的,因此外部空氣無法進(jìn)入防爆袋內(nèi),從而使得爆炸產(chǎn)生的燃燒現(xiàn)象得不到氧氣的補(bǔ)充,以至于不能繼續(xù)進(jìn)行,進(jìn)而可有效提高保護(hù)裝置的阻燃性,從而真正實現(xiàn)對電纜接頭既防爆又防火的效果,還可有效防止大量煙霧和有毒氣體的泄漏。

1設(shè)計原理

1.1電纜爆炸能量的計算

柔性防爆袋的設(shè)計關(guān)鍵首先是要準(zhǔn)確計算出電纜接頭爆炸所產(chǎn)生的能量大小,然后才能計算出柔性袋子所承受的應(yīng)力,進(jìn)而為防爆袋選用合適的材質(zhì)。本文以市面上常見的外徑為150mm的電纜為例進(jìn)行電纜爆炸能量的計算。

本電纜的極限電壓為15kV,極限電流為20000A:根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),本電纜發(fā)熱功率計算如下:P=15×1000×20000=3×108w,而發(fā)熱時間1=0.1s,那么電纜發(fā)熱量為:P1=3x108×0.1=3×107J。

1kgTNT炸藥爆炸放出的能量是4.2×106J,本電纜釋放能量為3×107J,相當(dāng)于3×107/4.2×106≈7.14kgTNT炸藥爆炸釋放出的能量。

1.2防爆裝置強(qiáng)度計算

電纜發(fā)熱強(qiáng)度相當(dāng)于7.14kgTNT炸藥,保險起見,計為8kgTNT炸藥,并按極端情況進(jìn)行計算,即全部爆炸能量都以沖擊波形式作用于柔性防爆袋。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),爆炸產(chǎn)生的沖擊波可按下式計算:

式中:Apf為爆炸沖擊波(數(shù)值為上式計算結(jié)果的絕對值,MPa):R=R/V3W,R為計算點到爆心距離的值(m):W為TNT炸藥量(kg)。

在本文中,W=8kg,R=0.075m:代入上式后得出:Apf=|12.55+773.4-2816|≈2030MPa。而本防爆袋膨脹后直徑設(shè)計為300mm,也就是說膨脹后直徑為原來的2倍,體積至少增加3倍,所以壓力降低到2030/3≈677MPa。

為了不占用電纜溝多余的容積,首先將防爆袋包覆折疊緊縮,再將它緊密包裹在電纜表面。防爆袋具體結(jié)構(gòu)見下文。此外,經(jīng)第三方權(quán)威單位檢測,本產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)如下:

(1)撕裂強(qiáng)度≥1600MPa:

(2)隔熱性能:在800℃環(huán)境下1h,導(dǎo)熱系數(shù)≤0.07w/(m·K):

(3)爆炸柔性舒張性能≤1m。

可見,防火袋撕裂強(qiáng)度遠(yuǎn)高于677MPa,故滿足安全要求。

2柔性防爆袋結(jié)構(gòu)簡介

如圖1所示,柔性防火袋主要由第一、二、三柔性防火面料層依次緊密疊加而共同構(gòu)成。如圖2所示,柔性防火袋的褶皺結(jié)構(gòu)包括束套(面料)本體、容置空間和褶皺,柔性防火袋的容置空間會在其最外層的褶皺受到外力作用時得到很大的增加。

現(xiàn)場安裝如圖3所示,防火面料的兩端被阻燃魔術(shù)貼緊密連接在一起,從而建立了具有內(nèi)部容置空間的束套本體,以此來包裹電纜接頭?？梢詫⒆枞寄g(shù)貼毛面設(shè)置成較細(xì)長的條帶狀,以使其與勾面能夠粘貼到毛面不同的地方。同時,在將阻燃魔術(shù)貼勾面粘貼向毛面時,也要考慮將其粘貼到可以使束套在自然本體上兩端收緊的地方,借此來隔離空氣的進(jìn)入,從而改善柔性防火防爆袋的耐火特性。

圖3 本產(chǎn)品現(xiàn)場安裝圖

本柔性電纜接頭防爆袋總共采用三層柔性防火抗壓材料,每兩層之間密封有粉狀滅火材料,電纜接頭在發(fā)生爆炸后所產(chǎn)生的電弧,溫度可高達(dá)數(shù)千攝氏度,會導(dǎo)致袋子內(nèi)層發(fā)生破裂,此時粉狀滅火材料會泄漏出來撲滅明火,防止發(fā)生火災(zāi)及火勢蔓延波及其他電纜,確保電纜安全。

柔性防爆袋安裝時設(shè)置成褶皺形狀,在電纜發(fā)生爆炸時利用柔性材料的膨脹功能來實現(xiàn)密閉泄壓,保證發(fā)生電纜接頭爆炸后袋體的完整性和密封性,能夠防止由電纜接頭爆炸產(chǎn)生高溫火焰引起的火災(zāi)蔓延現(xiàn)象,阻止其燃燒蔓延到電纜的其他部分及周邊其他電纜。

柔性防爆袋體積小,對安裝環(huán)境要求低且安裝簡單,當(dāng)發(fā)生線纜接頭爆裂事件后,所產(chǎn)生的巨大熱量可以很快打開袋體外部的空隙,將充滿氣體的空隙擴(kuò)大10倍以上,從而有效緩沖和吸收線纜的爆裂熱量,進(jìn)而實現(xiàn)迅速泄壓的目的。

同時,由于柔性防爆袋是被封閉的,外部空氣不能進(jìn)入防爆袋內(nèi),可以阻燃隔熱并避免有毒氣體泄漏。將相鄰的褶皺擠壓在一起形成固定形狀,外側(cè)安裝防水布,防水布外側(cè)安裝鋼絲網(wǎng)進(jìn)行固定,可以防止電纜溝積水,造成防爆袋損壞。

3部分應(yīng)用現(xiàn)場照片

本產(chǎn)品的現(xiàn)場安裝情況如圖4所示。由圖4不難看出,本產(chǎn)品通過在導(dǎo)線外表層緊密包覆折疊緊縮后的柔性耐火材料來產(chǎn)生緩沖空間,體積很小,因此不占用電纜溝中多余的容積,非常適用于現(xiàn)有電纜溝的防火防爆改造。

4優(yōu)勢總結(jié)及前景展望

綜上所述,本產(chǎn)品具有以下特點:

(1)將防爆防火功能合二為一。

基于市面上單純具備防爆功能的防爆盒,結(jié)合頻繁發(fā)生的電纜接頭著火事故,將防火及防爆功能合二為一的防爆防火袋可以防止因接頭爆炸影響周邊線路,避免因電纜燃燒所產(chǎn)生的濃煙及毒氣,最大限度地削減事故造成的損失。

(2)選用柔性材料,體積小、安裝便捷。

采用柔性防火防爆材料,對現(xiàn)場環(huán)境要求低,安裝便捷(圖3),占用空間小(圖4):同時可以避免剛性防爆材料爆炸后碎片濺射,尤其適用于現(xiàn)有電纜溝的防火防爆改造。

(a)

(b)

圖4 柔性防爆袋現(xiàn)場安裝圖

(3)接頭發(fā)生爆炸后袋體可保持完整性和密封性。

現(xiàn)有的防爆盒在發(fā)生爆炸后都不能保證其完整性,造成了大量煙霧和有毒氣體的泄漏,加上電纜溝狹窄,大量煙氣難以排出,搶修人員很難馬上進(jìn)行搶修工作。如果安裝柔性防爆袋的話,便可避免煙霧和有毒氣體外泄。

(4)改良了泄壓方式。

現(xiàn)有防爆盒的泄壓方式通常是在盒子的一側(cè)設(shè)計一個帶密封塞的泄壓孔,當(dāng)電纜接頭發(fā)生爆炸時,可將密封塞打開泄壓。但此泄壓方式會造成氣體的流通,可使得氧氣與火焰接觸,從而降低了阻燃性能。本產(chǎn)品改良了泄壓方式,杜絕了氧氣與袋體內(nèi)部的接觸。

本文所述新型電纜接頭柔性防爆袋可大大提高電纜線路的安全性、可靠性,特別是能對投運(yùn)已久的電纜線路進(jìn)行更安全的保護(hù)。因此,本產(chǎn)品具有極其重要的意義,市場前景十分廣闊。