柔性电缆接头防爆袋的设计研究

引言

随着国家对电网建设的大力投入,大电网的结构日趋复杂,各种箱柜的数量不断增加,电缆接头也随之越来越多,以至于各种电力设备的日常运行和管理愈来愈困难,尤其是电缆接头发生故障的现象越来越严重,其巡检监察难度也不断加大。

电缆接头在发生故障爆炸的一刹那会产生强大的机械破坏力和超高温的燃烧火焰,极易对周围人员造成严重的伤害,而且也非常容易引燃同沟其他电缆,进而造成大面积停电,或引发其他重大事故,后果极其严重。所以,十分有必要提高电缆接头的防火防爆性能。

目前市场上常见的多为刚性电缆接头保护装置,主要有以下几种:

(1)阻燃防火板保温箱。它是把防火板设置在矩形盒体上,以此来防护电缆。有的在矩形盒内装上如生石灰等热空气介质灭火设备,有的则在矩形盒内灌入混合均匀的无机耐火堵料,用无机耐火泥块将其封闭,而后再用钢箍追平以起到定形的效果。

(2)玻璃钢护壳。就是以玻璃钢为主要材料做成安全保护器,以起到防护电缆的效果。它主要包括两大类,一类是把聚氨酯AB防火组合橡胶灌注在以玻璃钢材料做成的安全保护器内,另一类则是将玻璃棉充填于由玻璃钢所制造的保护装置内。目前,因为价格相对低廉且易于大量生产,玻璃钢护壳的使用十分普遍。在国内外,生产第一类玻璃钢护壳的电缆接头保护盒的厂家仍占据主要地位。

(3)防爆玻璃。其支架采用的是角铁或方形不锈钢,然后在支架中装入防爆玻璃,并用防火板或铝板将各电缆隔开,以制成电缆的保护装置。

以上这些刚性防护装置体积庞大,难以在狭窄的电缆沟中安装:而且在电缆接头发生爆炸时,刚性防护装置无法阻止空气进入,很难避免电缆接头火灾的发生:此外,刚性防护装置也容易因承受不了电缆接头爆炸产生的强大冲击力而破碎,并产生碎片伤及周围其他电缆及检修人员,因此亟需加以改进。

为解决这些问题,本单位开发了柔性电缆接头防爆袋,它通过在导线外表层紧密地包覆折叠紧缩后的柔性耐火物质来产生缓冲空间,其占用电缆沟的容积有限:发生线缆接头爆裂事件后,所产生的巨大能量可以很快打开袋体外部的空隙,将充满气体的空隙扩大10倍以上,从而实现迅速泄压的目的。另外,因为柔性防爆袋所用材料不但耐撕裂,而且强度也较高,所以在泄压时其仍能维持完好,从而有效避免了爆裂后碎片溅射情况的发生,不会危及周边的检修人员和电缆设备:同时,由于柔性防爆袋是完全封闭的,因此外部空气无法进入防爆袋内,从而使得爆炸产生的燃烧现象得不到氧气的补充,以至于不能继续进行,进而可有效提高保护装置的阻燃性,从而真正实现对电缆接头既防爆又防火的效果,还可有效防止大量烟雾和有毒气体的泄漏。

1设计原理

1.1电缆爆炸能量的计算

柔性防爆袋的设计关键首先是要准确计算出电缆接头爆炸所产生的能量大小,然后才能计算出柔性袋子所承受的应力,进而为防爆袋选用合适的材质。本文以市面上常见的外径为150mm的电缆为例进行电缆爆炸能量的计算。

本电缆的极限电压为15kV,极限电流为20000A:根据相关文献,本电缆发热功率计算如下:P=15×1000×20000=3×108w,而发热时间1=0.1s,那么电缆发热量为:P1=3x108×0.1=3×107J。

1kgTNT炸药爆炸放出的能量是4.2×106J,本电缆释放能量为3×107J,相当于3×107/4.2×106≈7.14kgTNT炸药爆炸释放出的能量。

1.2防爆装置强度计算

电缆发热强度相当于7.14kgTNT炸药,保险起见,计为8kgTNT炸药,并按极端情况进行计算,即全部爆炸能量都以冲击波形式作用于柔性防爆袋。根据相关文献,爆炸产生的冲击波可按下式计算:

式中:Apf为爆炸冲击波(数值为上式计算结果的绝对值,MPa):R=R/V3W,R为计算点到爆心距离的值(m):W为TNT炸药量(kg)。

在本文中,W=8kg,R=0.075m:代入上式后得出:Apf=|12.55+773.4-2816|≈2030MPa。而本防爆袋膨胀后直径设计为300mm,也就是说膨胀后直径为原来的2倍,体积至少增加3倍,所以压力降低到2030/3≈677MPa。

为了不占用电缆沟多余的容积,首先将防爆袋包覆折叠紧缩,再将它紧密包裹在电缆表面。防爆袋具体结构见下文。此外,经第三方权威单位检测,本产品的技术指标如下:

(1)撕裂强度≥1600MPa:

(2)隔热性能:在800℃环境下1h,导热系数≤0.07w/(m·K):

(3)爆炸柔性舒张性能≤1m。

可见,防火袋撕裂强度远高于677MPa,故满足安全要求。

2柔性防爆袋结构简介

如图1所示,柔性防火袋主要由第一、二、三柔性防火面料层依次紧密叠加而共同构成。如图2所示,柔性防火袋的褶皱结构包括束套(面料)本体、容置空间和褶皱,柔性防火袋的容置空间会在其最外层的褶皱受到外力作用时得到很大的增加。

现场安装如图3所示,防火面料的两端被阻燃魔术贴紧密连接在一起,从而建立了具有内部容置空间的束套本体,以此来包裹电缆接头。可以将阻燃魔术贴毛面设置成较细长的条带状,以使其与勾面能够粘贴到毛面不同的地方。同时,在将阻燃魔术贴勾面粘贴向毛面时,也要考虑将其粘贴到可以使束套在自然本体上两端收紧的地方,借此来隔离空气的进入,从而改善柔性防火防爆袋的耐火特性。

图3 本产品现场安装图

本柔性电缆接头防爆袋总共采用三层柔性防火抗压材料,每两层之间密封有粉状灭火材料,电缆接头在发生爆炸后所产生的电弧,温度可高达数千摄氏度,会导致袋子内层发生破裂,此时粉状灭火材料会泄漏出来扑灭明火,防止发生火灾及火势蔓延波及其他电缆,确保电缆安全。

柔性防爆袋安装时设置成褶皱形状,在电缆发生爆炸时利用柔性材料的膨胀功能来实现密闭泄压,保证发生电缆接头爆炸后袋体的完整性和密封性,能够防止由电缆接头爆炸产生高温火焰引起的火灾蔓延现象,阻止其燃烧蔓延到电缆的其他部分及周边其他电缆。

柔性防爆袋体积小,对安装环境要求低且安装简单,当发生线缆接头爆裂事件后,所产生的巨大热量可以很快打开袋体外部的空隙,将充满气体的空隙扩大10倍以上,从而有效缓冲和吸收线缆的爆裂热量,进而实现迅速泄压的目的。

同时,由于柔性防爆袋是被封闭的,外部空气不能进入防爆袋内,可以阻燃隔热并避免有毒气体泄漏。将相邻的褶皱挤压在一起形成固定形状,外侧安装防水布,防水布外侧安装钢丝网进行固定,可以防止电缆沟积水,造成防爆袋损坏。

3部分应用现场照片

本产品的现场安装情况如图4所示。由图4不难看出,本产品通过在导线外表层紧密包覆折叠紧缩后的柔性耐火材料来产生缓冲空间,体积很小,因此不占用电缆沟中多余的容积,非常适用于现有电缆沟的防火防爆改造。

4优势总结及前景展望

综上所述,本产品具有以下特点:

(1)将防爆防火功能合二为一。

基于市面上单纯具备防爆功能的防爆盒,结合频繁发生的电缆接头着火事故,将防火及防爆功能合二为一的防爆防火袋可以防止因接头爆炸影响周边线路,避免因电缆燃烧所产生的浓烟及毒气,最大限度地削减事故造成的损失。

(2)选用柔性材料,体积小、安装便捷。

采用柔性防火防爆材料,对现场环境要求低,安装便捷(图3),占用空间小(图4):同时可以避免刚性防爆材料爆炸后碎片溅射,尤其适用于现有电缆沟的防火防爆改造。

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图4 柔性防爆袋现场安装图

(3)接头发生爆炸后袋体可保持完整性和密封性。

现有的防爆盒在发生爆炸后都不能保证其完整性,造成了大量烟雾和有毒气体的泄漏,加上电缆沟狭窄,大量烟气难以排出,抢修人员很难马上进行抢修工作。如果安装柔性防爆袋的话,便可避免烟雾和有毒气体外泄。

(4)改良了泄压方式。

现有防爆盒的泄压方式通常是在盒子的一侧设计一个带密封塞的泄压孔,当电缆接头发生爆炸时,可将密封塞打开泄压。但此泄压方式会造成气体的流通,可使得氧气与火焰接触,从而降低了阻燃性能。本产品改良了泄压方式,杜绝了氧气与袋体内部的接触。

本文所述新型电缆接头柔性防爆袋可大大提高电缆线路的安全性、可靠性,特别是能对投运已久的电缆线路进行更安全的保护。因此,本产品具有极其重要的意义,市场前景十分广阔。