矿山电缆研究的新成果
近几年来，兖州矿业（集团）有限责任公司与有关单位共同开展了科技攻关，在橡套电缆和交联电缆的设计、制作和测试、维护等方面取得了一些新成果，对国内同行具有一定的参考价值。
1 橡套电缆的研究
1）煤矿高压橡套电缆导体屏蔽层设计
导体屏蔽层在电缆中主要起到改善电场结构的作用，防止因导体表面尖端突起引起放电，降低局部放电量，保证电缆的使用寿命和可靠性。最近，兖州矿业（集团）有限责任公司对煤矿用高压橡套电缆导体屏蔽层的设计进行了研究和总结。在GB12972-91和MT818-1999标准中都有电压等级3.6/6kV的矿用橡套电缆，并且都对该电压等级的橡套电缆提出了导体屏蔽的要求，该屏蔽层必须采用挤包方式进行。根据这一要求，6/10kV的矿用橡套电缆也须有导体屏蔽层才能保证电缆的安全运行。
橡胶电缆的导体屏蔽层要采用半导电的橡胶材料加工。导体屏蔽层采用绕包方式和挤包方式进行生产，挤包方式生产的屏蔽层比绕包方式生产的更加光滑没有突起，便于均匀电场效果的提高。导体屏蔽层厚度的选取源于两个方面的要求：一个是要保证挤包后的导体屏蔽层表面光滑，由于矿用橡套电缆一般采用细铜丝绞线的方式，因此就不可能进行紧压，导线的绞合表面存在着一定程度的绞线纹络，这些凹凸不平对于低压电缆的电气性能没有太大的影响，但是对于高压电缆恰好造成了电场强度不均匀，只能依靠挤包或绕包导体屏蔽层来消除其影响，但是过于薄的导体屏蔽层厚度在工艺上是难以实现的；另外，从经济的角度来看，虽然导体屏蔽层的加厚在工艺上是比较容易实现的，但是电缆的绝缘厚度每增加1mm就会使得电缆的成缆外径增加4.3mm，随之必然带来护层材料使用量剧增，也就带来了电缆制造成本的大幅度提高。在GB12972-91和MT818-1999标准中都提出“半导电层的计算厚度控制在0.7mm左右，实际厚度不考核”。综合上述两方面因素，采用这两个标准与一致的导体屏蔽层厚度是适宜的。参照这一要求，对6/10kV矿用橡套电缆也提出了导体屏蔽层计算厚度控制在0.7mm，实际生产厚度也按照0.7mm进行控制，但是不作为一个硬性的质量指标进行控制的技术要求。
2）煤矿高压橡套电缆绝缘层和绝缘屏蔽层设计
兖州矿业（集团）有限责任公司对煤矿用高压橡套电缆绝缘层和绝缘屏蔽层的设计进行了研究和总结。①绝缘层。国产橡胶电缆绝缘材料广泛采用天然橡胶和三元乙丙橡胶作为主体材料。6/10kV电缆一般用在主干线上，一旦电缆出现故障就会带来大面积停电甚至伤亡事故，直接影响煤矿安全生产，因此对电缆的可靠性比一般低电压等级电缆要高。三元乙丙橡胶的耐热及耐老化性能和绝缘性能都比天然橡胶要好许多，因而必须选用三元乙丙橡胶作为绝缘层主体材料。每根电缆动力线芯耐受电压程度与绝缘材料本身击穿场强和绝缘层厚度有直接的关系，绝缘层越厚电缆耐受电压等级越高。所以，在确定绝缘层厚度时还须了解绝缘层内每一点的电场强度。在实际生产过程中，各种生产工艺参数和环境的变化都会引起绝缘层厚度的不均匀。绝缘层厚度偏差过大会导致绝缘层较薄的地方成为缺陷点，不能保证电缆的长期稳定运行。因此，对绝缘层厚度规定如下：绝缘层厚度平均值不应低于标称值，最薄点厚度不应小于标称值90%-0.1mm。
②绝缘屏蔽层。为了保证在电缆发生故障时能迅速发现并切断电源，煤矿使用的橡套电缆一般都要求有绝缘屏蔽层。在MT818-1999标准中，对于1.9/3.3kV以上的矿用橡套电缆已经采用了金属编织屏蔽，因此对6/10kV矿用橡套电缆更应采用金属屏蔽层。鉴于煤矿橡套电缆在柔软性方面的特殊要求，矿用橡套电缆的金属屏蔽一般都采用半导电布带+金属/纤维编织层的方式进行屏蔽。同时，由于煤矿采用的是中性点不接地系统，因此金属屏蔽层可起到接地线芯的作用。半导电布带的采用，一方面可提高屏蔽效果，另一方面也可在防止编织金属丝刺破绝缘层方面起到一些保护作用。根据目前的设备状况，生产绝缘层的是90+120连续硫化线，一次只能挤出导体屏蔽层和绝缘层，因此也使得绝缘屏蔽层不能采用挤包方式生产。
3）煤矿高压橡套电缆导体屏蔽层和绝缘层生产工艺
兖州矿业（集团）有限责任公司对煤矿用高压橡套电缆导体屏蔽层和绝缘层的生产工艺进行了研究和总结。
根据目前国内现有橡套电缆生产设备的实际，在绝缘层和屏蔽层的生产方式上选择导体屏蔽层和绝缘层同时挤出，挤出的绝缘层绕包半导电布带后编织金属/纤维编织层作为金属屏蔽层。挤出工艺上，导体屏蔽层和绝缘层的双层挤出采用90/12+120/12连续硫化线生产。挤出导体屏蔽采用90橡胶挤出机，螺杆长径比12：1，挤出机机身分为5个区进行温度控制，通过人工控制蒸汽和冷却水流量调节每一区的温度，电机功率50kW直流调速；挤出绝缘采用120橡胶挤出机，螺杆长径比12：1，挤出机机身分为5个区进行温度控制，通过人工控制蒸汽和冷却水流量调节每一区的温度，电机功率75kW直流调速；生产线牵引采用10kW直流电机，轮式牵引。两台主机与牵引电机通过PLC控制同步，能基本实现提速时设备速度的一致性和稳定性，保证电缆生产过程中的绝缘厚度和绝缘外径稳定性，便于产品质量控制。
该生产线连续硫化管长度70m，硫化管设计压力1.96MPa，最大生产速度30m/min。实际挤出时，90挤出机从加料口到机头温度分别控制在40～90℃，120挤出机从加料口到机头温度分别控制在50～95℃。对于三元乙丙橡胶的基础，挤出机机头温度过低会造成电缆绝缘的表面不光滑，影响电缆的产品质量；温度过高会造成橡胶在机头先期硫化，硫化后的橡胶粘贴在挤出机模具上，刮伤绝缘表面，造成不合格品的大量出现。模具选择上，一般模芯直径大于胶线外径0.3～0.8mm，便于铜绞线从模芯通过。模芯选择过小，一旦导体通不过模芯，铜丝卡在模芯上，便会全线设备停车；模芯选择过大会造成导体线芯在模芯内位置不稳而带来绝缘层厚度不均匀，使电缆质量不合格。由于橡胶有压缩性，模套的选择一般比挤出外径小0.5～1.0mm左右。硫化管内的压力在1.0～1.2MPa，对应蒸汽温度175～190℃，开车速度控制在6～8m/min。
4）煤矿高压橡套电缆绝缘屏蔽层生产工艺
煤矿井下的生产作业方式和环境决定了煤矿用高压橡套电缆的结构特点和生产工艺。最近，兖州矿业（集团）有限责任公司对煤矿用高压橡套电缆绝缘屏蔽层的生产工艺进行了研究和总结，保证电缆的使用寿命和可靠性。为了检查绝缘层加工过程中的缺陷，在绝缘层挤出以后要对电缆芯线进行工频火花试验。但是，对于高压矿用橡套电缆而言，在火花试验的时候由于绝缘层的每一点承受电压试验的时间很短（相关标准要求每一点不能低于0.2s），并不能够检查出所有的缺陷点。因此，对于矿用橡套电缆一般采用浸水耐压试验的方法来检查每一根线芯的绝缘质量。浸水耐压试验所采用的方式是将动力线芯放入室温的水中4个小时以后，对每一跟线芯按照工频耐压试验的电压登记进行交流耐压试验5分钟，试验合格者方能够投入到下一道工序进行绕包半导电布带。试验不合格的产品则要再次经受火花试验，找出故障点进行修补，然后再进行浸水试验直到通过时为止。
合格的绝缘线芯在进行编织金属屏蔽层之前必须绕包半导电布带，一方面提高屏蔽的效果，另一方面保护绝缘层不被金属丝刺破导致电缆的损坏。绕包半导电布带一般在专门的包布机或者带有绕包头的成缆机上进行。绕包头带着线芯旋转的同时牵引轮带动线芯前进，从而将半导电布带绕包在电缆的绝缘线芯上。通过控制绕包头的转动速度和牵引轮的速度就可以控制绕包层在绝缘上的绕包重叠率。一般情况下不允许出现空白的间隙没有覆盖上的状况。金属屏蔽层的编织在专用的金属编织机上进行。6/10kV煤矿高压橡套电缆的单根线芯一般在20mm以上，因此需要采用锭数相对较多的24锭金属编织机，其中的12锭编织金属铜丝，12锭编织尼龙丝或者涤纶丝，相同的方向采用相同的材料。每锭金属丝采用的是10根直径25mm的铜丝进行合股编织，根据计算完全可以满足最低编织覆盖率的要求。
5）橡套电缆电动缠绕自动计量装置
兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿井下使用的橡套电缆数量比较多，而且使用地点更换较为频繁，特别是为采掘工作面服务的辅助运输、通风、排水等场所使用的橡套电缆更换更为频繁。由于现场环境的影响，每次使用以后都需要进行检查与修复，人工缠绕费时费力，回收、发放时计量不准，不利于规范化管理。为此，他们通过对现场的观察研究，制作了橡套电缆电动缠绕自动计量装置，并且取得了良好的使用效果。
这个矿每个月发放和回收橡套电缆7000m。由于人工发放计量不准确，发放多于现场实际用量时会造成电缆在井下闲置的浪费；发放少于现场实际用量时则需要在井下加接电缆，不但加大了现场工人的工作量，而且增添了电缆的故障点。人工回收时按照电缆的缠绕圈数来计算长度，如果回收量少于发放量是不容易被发现的，计量不准会造成电缆损失。新研制的橡套电缆电动缠绕自动计量装置由底座、电机传动部分、缠绕滚筒、计量装置和电控部分组成。底座是由报废的矿车底盘改制的，用于支撑电动机、减速箱和缠绕滚筒，同时用于行走。电机传动部分由电动机和蜗轮蜗杆减速箱组成。缠绕滚筒由废旧的电缆辊、钢板等下脚料焊接而成，用于缠绕电缆时作支撑架。计量装置用于计量缠绕电缆的数量。电控部分用于该设备的就地或者远程控制。原先盘绕1000m的50mm2电缆需要4个人手工操作2h，现在只要1个人操作按钮50min就能够完成，不仅减轻了劳动强度，还节约了人力和工时。由于可以实现远程控制，人员不用直接接触电缆，减少了电缆上附着煤尘的污染，有利于操作人员的身体健康。使用该装置盘绕的电缆比较紧凑，减少了占用的库存空间，便于库房的精细化管理。
2、交联电缆的研究
1）交联电缆接头制作技术研究
为了保证电缆接头的安装质量，减少电缆接头故障，兖州矿业（集团）有限责任公司对交联电缆接头的制作技术开展了研究，并根据现场经验总结出了进行电缆接头制作时的注意事项。
①导体的连接。导体连接要求低电阻和足够的机械强度，连接处不能出现尖角。中低压电缆导体的连接常采取压接。压接应注重：选择合适的导电率和机械强度的导体连接管；压接管内径与被连接线芯外径的配合间隙取0.8～1.4mm；压接前，导体外表面与连接管内表面涂以导电胶，并用钢丝刷破坏氧化膜；连接管、线芯导体上的尖角与毛边等，用锉刀或砂纸打磨光滑。
②内半导体屏蔽处理。凡电缆本体具有内屏蔽的，在制作接头时必须恢复压接管导体部分的接头内屏蔽层。电缆的内半导体屏蔽均要留出一部分，以便使连接管上的连接头内屏蔽能够相互连通，确保内半导体的连续性，从而使接头接管处的场强均匀分布。
③外半导体屏蔽处理。外半导体屏蔽是电缆和接头绝缘外部起均匀电场作用的半导电材料，同内半导体屏蔽一样，在电缆及接头中起到十分重要的作用。外半导体端口必须整洁、均匀，还要求与绝缘平滑过渡，并在接头增绕半导体带与电缆本体外半导体屏蔽搭接连通。 ∮
④电缆反应力锥的处理。外形、尺寸准确无误的反应力锥，整个锥面上电位分布是相等的。制作交联电缆反应力锥时一般采用专用切削工具，也可用微火稍许加热后用快刀切削，基本成型后再用2mm后玻璃修刮，最后用砂纸由粗至细打磨，直至光滑为止。
⑤金属屏蔽及接地处理。金属屏蔽在电缆及接头中的作用主要是传导电缆故障短路电流，以及屏蔽电磁场对临近通讯设备的电磁干扰。运行中的金属屏蔽在良好接地状态下处于零电位，电缆发生故障后能在极短时间内传导短路电流。接地线应可靠焊接，两端盒电缆本体上的金属屏蔽及铠装带牢固焊接，终端头的接地应可靠。
⑥接头的密封和机械保护。这是确保接头安全可靠运行的保障，应防止接头内渗入水分和潮气，在接头位置采取搭砌接头保护槽或装设水泥保护盒等措施。
2）交联电缆接头故障原因分析
由于电缆接头的运行方式和条件各异、施工人员的技术水平高低不同和电缆附件质量参差不齐等原因，致使交联电缆接头发生故障的原因也各不相同。为此，兖州矿业（集团）有限责任公司开展了交联电缆接头故障原因的分析研究。
⑴制作电缆接头工艺不佳。
①连接金具接触面处理不佳。由于生产或保管条件影响，致使接线端子或连接管内壁存在杂质、毛刺和氧化层。这是不为人们重视的缺陷，但对导体连接质量影响相当严重。特别是铝的表面极易生产一层坚硬而又绝缘的氧化铝薄膜，使铝导体连接要比铜导体连接的工艺技术严格性高得多。
②导体损伤。交联绝缘层强度较大，剥切困难。施工人员环切时用电工刀左划右切，有时干脆用钢锯环切深痕，往往掌握不好而使导线损伤。
③芯线不到位。导体连接时绝缘剥切长度要求压接金具孔深加5mm，但因产品孔深不标准，容易造成剥切长度不够或因压接时串位使导线端部形成空隙，仅靠金具壁厚导通，致使接触电阻增大、发热量增加。
⑵压力不够。
现今有关资料在制作接头工艺及标准图中只提到电缆连接时每端的压坑数量，而没有详述压接面积和压接深度，施工人员按照要求压够了压坑数量，但效果如何无法确定。造成导体连接压力不够的主要原因如下：
①压接机具压力不足。压接机具生产厂较多，但没有统一标准，有的机械压钳压坑窄小而且压接到位后上下压模不吻合，还有的执行国外标准，与国产导线标称截面不适应。
②连接金具空隙大。多数交联电缆接头使用的连接金具还是油纸电缆按扇型导线生产的端子和压接管。从理论上讲圆型和扇型线芯的有效截面是一样的，但从运行实际表明两者压接效果相差甚大。由于交联电缆导体是紧绞的圆型线芯，与常用的金具内径有较大空隙，压接后达不到足够的压缩力。接触电阻与施加压力成反比，因此导致电阻增大。⑶连接金具截面不足是交联电缆接头发热的一个很重要的原因。
3）交联聚乙烯电力电缆耐压试验方法研究
年来的运行和研究表明，交联聚乙烯电力电缆的绝缘在运行中易产生树枝化放电，造成绝缘老化破坏，严重地影响了交联聚乙烯电力电缆的使用寿命。因此，充分认识交联聚乙烯电力电缆的绝缘特性，及时有效地发现和预防绝缘中存在的某些缺陷，对保障设备乃至系统的安全运行具有十分重要的意义。预防性试验是判断电缆能否投入运行的重要措施。最近，兖州矿业（集团）有限责任公司对交联聚乙烯电力电缆的耐压试验方法进行了深入的研究。
交联聚乙烯电力电缆的耐压试验方法有直流耐压试验、工频、谐振耐压和0.1Hz超低频耐压几种。
此项研究认为：
①一般情况下，交联聚乙烯电力电缆受潮或存在水树枝早期恶化缺陷时不容易用短时间的试验来判别，采用直流耐压试验和测量直流泄漏电流方法时，由于表面泄漏电流往往极大于绝缘介质极化电流和电导电流，因此时常掩盖了电缆实际绝缘状态真相而不能及时发现绝缘缺陷。这些现象在交联聚乙烯电力电缆直流耐压试验时经常发生，如直流耐压试验合格的电缆线路正常送电后不久就发生击穿故障。因此不再推荐直流耐压试验。
②工频电压试验能够全面、真实地发现交联聚乙烯电力电缆缺陷和运行故障隐患，可应用于交联聚乙烯电力电缆交接试验和预防性试验，特别是110kV及以上电压等级的交联聚乙烯绝缘电力电缆交接试验和预防性试验。但是，工频电压发生器的体积较大、重量重，不适宜运行单位的现场预防性试验。
③振荡波电压试验能够在较低的电压下有效地发现交联聚乙烯绝缘电力电缆制造质量缺陷和施工质量缺陷，推荐作为交联聚乙烯绝缘电力电缆交接试验方法。
④0.1Hz超低频电压试验能够在较低的电压下有效地发现交联聚乙烯绝缘电力电缆受潮或存在水树枝运行缺陷，可以作为配电系统交联聚乙烯绝缘电力电缆预防性试验方法。
3、 电缆故障的研究
1）电缆故障点测定方法的研究
电缆在生产和生活中的应用已经越来越多。无论是高压电缆还是低压电缆，在施工安装和运行的过程中经常会因短路、过负荷运行、绝缘老化或者外力作用等原因造成故障。对于直流短路或者断线故障，用万用电表可以直接测量判断；对于非直流短路和接地故障，用兆欧表摇测芯线之间的绝缘电阻或者芯线的对地绝缘电阻，根据其电阻值可以判定故障类型。但是电缆故障类型确定以后，查找故障点并不是一件容易的事情。为此，兖州矿业（集团）有限责任公司对电缆故障点的测定方法进行了深入的研究。
①测声法。所用设备为直流耐压试验机。根据电缆放电的声音进行查找，对于高压电缆芯线对绝缘层闪烁放电较为有效。
②电桥法。先用双臂电桥测出电缆芯线的直流电阻值，再准确测量电缆的实际长度，按照电缆长度与电阻的正比例关系来计算出故障点。对于电缆芯线间直接短路或者短路点接触电阻小于1Ω的故障，判断误差一般不大于3m；对于电缆芯线故障点接触电阻大于1Ω的故障，可采用加高电压烧穿的方法使电阻降至1Ω以下，再按照此方法测量。
③电容电流测定法。电缆在运行中，芯线之间和芯线对地都存在着电容。该电容是均匀分布的，电容量与电缆的长度呈线性比例关系。电容电流测定法就是根据这一原理进行测定的，对于电缆芯线断线故障的测定非常准确。
④零电位法。也就是电位比较法它适应于长度比较短的电缆芯线对地故障简便精确，不需要精密仪器和复杂计算。此项研究指出：电缆故障检测的方法要根据电缆故障的类型来确定；对于高压电缆来说，一般辐射的路径比较容易确定，但是由于高压电缆需要填砂加砖深埋，其故障点的查找相对低压电缆难度较大；低压电缆虽然辐射长度比较短，但是辐射的随意性比较大，路径不是十分清楚。因此，在电缆故障点的实际查找上，还应该根据具体情况来选择合适的方法。
2）防爆千伏级电缆故障点探测显示仪
由山东科技大学和兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿共同研制的TM-902防爆千伏级电缆故障点探测显示仪，能精确地测试出电缆接地、断相、开路等故障，极大地降低了煤矿井下工作面的电缆事故，填补了国内的一项空白。
根据煤炭行业有关部门的统计，矿井电缆事故占整个电气事故的50%以上。采掘工作面的1kV及以下橡套电缆，由于经常随着设备一起移动，故障率要比大巷中的铠装电缆高得多。目前，我国煤矿采掘工作面低压电缆发生故障时，一般都要将电缆拉至地面进行处理，而为找到电缆故障点往往要花费许多时间。有时还要采用截断电缆或高压击穿的方法（由于电压过高而导致故障点以外还能正常工作电缆段的绝缘），浪费了大量的人力和物力。
新研制的防爆千伏级电缆故障点探测显示仪的工作原理如下：当数据处理系统接到发射脉冲的命令后，立即启动超高速数据采集单元，记录暂态信号；同时启动脉冲产生与发射单元，向被测电缆芯线发射脉冲，故障点反射脉冲波形被高速数据采集单元记录下来；数据处理单元对已采集的数据按预定程序进行处理，将波形等信息送到液晶显示器上显示；移动液晶屏幕上的光标到适当的位置，便可测量出故障点的距离。该仪器能对接收到的信号进行处理，作出放大电路增益是否合适、故障点击穿与否等判断，并可自动计算出故障点的距离，使用相当方便，没有经验的测试人员也能较快地（半小时内）用它确定电缆的故障距离。
地面和井下的使用结果表明：该仪器基本上能适应现场查找各种型号电缆故障的需要，为缩短对生产的影响时间提供了保证，可以作为煤矿井下综采工作面查找电缆故障的一种电工工具。
3）煤矿综采面电缆修复有新法
由于综采工作面所处的特殊环境，电缆故障时常发生，一旦采取的修复方法不正确或措施不得力将严重影响井下生产。为此，兖州矿业（集团）公司东滩煤矿制定出合理的综采工作面电缆修复方法，保障了生产的正常进行。因长期使用而引起的绝缘老化及机械损伤而引起的绝缘击穿、断相，都会造成综采电缆损坏，其种类有开路、短路、断路、绝缘值波动、接地等。低阻接地、低阻短路及断相故障可用KL-901数字型电缆故障测距仪查找。高阻接地和高阻短路故障可用KL-901数字型电缆故障测距仪并配合T-301A型电缆测试高压信号发生器用脉冲电流法查找。查出故障点后，先根据电缆报废标准判断整根或局部报废，再进行故障点逐个硫化热补。
先将接地和断相故障处的电缆外皮剥开，并用汽油或CCI4将半导电粉擦洗干净，根据芯线铜丝的断丝多少判断是直接缠芯线绝缘带、用铜线扎绕或截断后用同面积的芯线和铜管对接。把故障处两端的电缆外皮用刀削成锥形，用木锉打成毛面，先用汽油或CCI4冲洗干净，然后用生胶带包缠，包缠处的电缆直径比原电缆外皮稍粗一些。在需热补处涂抹一些滑石粉，然后放到电缆热补器中硫化热补，当温度升到150℃时需上升一下模具，使上下模具接触吻合，热补器温度上升到160~180℃时可断开电源，当温度自然冷却到80~50℃时方可取下电缆（不可用其它方法迅速冷却，以免损坏热补器），然后用刀修补一下热补处的毛边。对接电缆时，每根芯线包缠和热补方法与断相的方法相同。几年来，东滩煤矿用上述方法硫化热补综采工作面各类电缆约5万m，没有发生过因热补质量而影响生产的事故。
