（1.北京电力科学研究院，北京100075 2.北京潞电电气设备有限公司，北京101106 3. 库柏电气（上海）有限公司，上海201201）
摘 要
关键词：美式肘型头；带负荷插拔可分离连接器；带负荷插拔技术；
探讨了适用于200A美式肘型头（又名“200A带负荷插拔可分离连接器”）产品的型式试验项目，介绍了根据实际项目的需要在国内和美国进行的型式试验项目的过程和结果。在试验项目和试验参数的基础上，谈了美式肘型头在国内具体项目上的应用。
0 引言
美式电缆附件进入中国市场，已有二十余年。在国内，选配15kV美式肘型头用于高压成套设备或者高压线路，也已较为广泛。但在中国，还未颁布该产品的行业标准和国家标准。为了在美式肘型头的设计环节能正确选型、在成套制造环节能正确安装和和施工、在使用环节能正确操作和维护，有必要更进一步探讨该产品的技术标准和技术参数，使其上升到美式肘型头产品的型式试验项目和内容上，以使各类工程技术人员对该产品深入理解，形成客观、正确认识，进而在设计选型、安装使用等方面用好该产品。
1适用的几个标准及探讨
在美国，美式肘型头适用的ANSI标准名称为IEEE Std 386TM-2006
在国内，GB/T 12706.4-2008《额定电压1kV（Um=1.2kV）到35kV（Um=40.5kV）挤包绝缘电力电缆及附件第4部分：额定电压6kV（Um=7.2kV）到35kV（Um=40.5kV）电力电缆附件试验要求》标准[3]，规定了额定电压3.6/6(7.2) kV到26/35(40.5) kV且符合GB/T 12706.2-2008或GB/T 12706.3-2008要求的挤包绝缘电力电缆用附件的型式试验和试验要求。在该标准的表9中针对“带负荷插拔可分离连接器的试验程序和要求”，其所有项目和要求处于“正在考虑”状态。
可见，在国内，针对200A美式肘型头（带负荷插拔可分离连接器）的型式试验，没有可以直接适用的标准，下文根据特定研发项目的实际需要，讨论针对200A带负荷插拔可分离连接器的型式试验项目。GB/T 12706系列标准和IEEE的相关标准，将是参照的主要依据。
2型式试验项目及技术参数的确定
笔者曾在北京市五环架空入地改造项目中选用美国库柏公司的15kV 200A带负荷插拔可分离连接器产品，以替代变压器高压侧的负荷开关使用，这就需要相应的型式试验来说明该产品的技术水平和可靠性。美式肘型头是一种在高压线路中做连接器用和在产品额定电流水平下能带负荷开断、关合线路的电气设备。故在讨论和确定其型式试验项目时，需要充分考虑到其使用的电压等级、带负荷开关线路、起连接器作用等因素。
现结合具体工程的需要，参照GB/T 12706.4-2008，IEEE Std 386TM-2006及IEEE Std 1247TM-2006等标准，讨论适用于国内实际应用的200A美式肘型头的型式试验项目和技术参数。
2.1参照国标的型式试验项目
GB/T 12706.4-2008中“表7”（以下简称表7）规定了“屏蔽不带电插拔可分离连接器”的所有型式试验项目，该表中的屏蔽不带电插拔可分离连接器包括螺栓连接（如630A T型头）及滑动连接类型（如250A肘型头）的可分离连接器。
2.1.1 对表7中试验项目的借鉴
表7中的试验程序，前15个试验项目共分为4个序列（4.1至4.4）,在实际进行的常规型式试验中序列4.2及4.3往往在同一组试品上一同进行。其中试验项目9“插拔式试验”、项目13“操作循环试验”、项目19“操作力”试验共三个试验项目仅适用于滑动连接类型的可分离连接器。试验项目20“电容测试点试验”仅适用于带有电容测试点的可分离连接器。因为200A美式肘型头带有电容测试点且为滑动连接。所以参照表7的要求，针对200A美式肘型头，需要进行表7中所有的型式试验项目[3]。
另外根据项目的需要，将表7中试验项目5“短路热稳定（导体）”的试验参数规定为10kA/1s。并将表7中试验项目18“故障电流引发试验”针对直接接地系统的部分中的故障电流值根据配电系统的实际情况（北京部分地区为小电阻接地系统，且国内各地小电阻接地系统的电阻值大小有差异，为求能覆盖国内不同的小电阻接地系统，对该电流做了2档规定）调整为1000A和500A。
除试验项目18“故障电流引发试验”为在北美进行外，上述其余的型式试验项目均在国内武高所进行。
2.1.2 实际进行的试验项目及结果
按上述讨论的试验项目，选取的试验参数及最后试验结果，见下表1所示。
表1：基于国标的试验项目、要求及结果
| 序列4.1 | ||||
| 试验顺序 | 检 测 项 目 | 标 准 要 求 | 试验结果 | |
| 1 | 工频电压试验 | 39kV，5 min，不击穿 | 符合要求 | |
| 2 |
室温下局部 放电试验 |
15kV 放电量不大于10pC | 符合要求 | |
| 3 |
高温下冲击 电压试验 |
95kV，正负极性各10 次，不击穿 | 符合要求 | |
| 4 |
恒压负荷循环 试验 |
在 23kV 电压和 导体温度加热至 95℃～100℃下，30 次循环在空气中，30 次循环在水中，不击穿 |
符合要求 | |
| 5 | 插拔试验 | 五次，触点无可见损伤 | 符合要求 | |
| 6 |
高温下局部 放电试验 |
15kV 放电量不大于 10pC | 符合要求 | |
| 7 |
室温下局部 放电试验 |
15kV 放电量不大于 10pC | 符合要求 | |
| 8 | 冲击电压试验 | 95kV，正负极性各10 次，不击穿 | 符合要求 | |
| 9 | 工频电压试验 | 23kV，15 min，不击穿 | 符合要求 | |
| 序列4.2及4.3 | ||||
| 试验顺序 | 检 测 项 目 | 标 准 要 求 | 试验结果 | |
| 1 | 工频电压试验 | 39kV，5min，不击穿 | 符合要求 | |
| 2 | 热稳定试验 （导体） |
10.0kA，1s 两次，无可见的损坏 |
符合要求 |
|
| 3 | 动稳定试验 （导体） | 25.0kA，不少于10 ms，无可见的损坏 |
符合要求 |
|
| 4 | 插拔试验 | 五次，触点无可见损伤 | 符合要求 | |
| 5 | 冲击电压试验 | 95kV，正负极性各10 次，不击穿 | 符合要求 | |
| 6 | 工频电压试验 | 23kV，15 min，不击穿 | 符合要求 | |
| 序列4.4及试验项目16-20 | ||||
| 试验顺序 | 检 测 项 目 | 标 准 要 求 | 评 价 | |
| 1 | 操作循环试验 | 施加轴向力 2200N，1min，顺时针和逆时针方向分别施加力矩14 N·m |
符合要求 |
|
| 2 | 局部放电试验 | 15 kV 放电量不大于10pC | 符合要求 | |
| 3 | 屏蔽电阻试验 | 老化前后屏蔽电阻不大于 5000 Ω | 符合要求 | |
| 4 | 屏蔽泄漏电流 | 在 17.5 kV 下，泄漏 电流不大于 0.5 mA | 符合要求 | |
| 5 | 操作力试验 | 力<900 N | 符合要求 | |
| 6 | 电容试验点测试 | 试验点对电缆导体的电容 Ctc＞1.0 pF 。试验点对地电容Cte与试验点对电缆导体的电容的比率 Cte / Ctc≤12.0 | 符合要求 | |
| 7 | 故障电流引发试验 |
直接接地系统： 电压：8.7kV，电流：500A和1000A 试验顺序：合1s-分（冷却到环境温度10度左右）-合1s-分 不接地或阻抗接地系统： 电压：8.7kV，电流：10A 试验顺序：合1s-分2min-合2min-分2min-合1min-分。 电压接通期间，短路电流要立即发生并维持 |
符合要求 | |
2.2参照美标的型式试验项目
由于在工程实际中选用以15kV 200A美式肘型头代替普通欧变的高压侧负荷开关，故相应地，需要通过试验验证其“负荷开断能力、短路关合能力、机械操作寿命、电缆充电电流开合能力、空载变压器开合能力、导电部分的载流及散热能力”等性能。为此应追加表2中的6项试验项目，该6项试验项目及参数的制定，主要参考了IEEE的相关标准，并结合了实际的使用要求。确定的试验项目、参数要求及试验结果等，见表2所示。表2中的试验结果均是在北美试验室（由于国内不具备做相关试验的条件）试验完成后的结果。
表2：附加试验项目、要求及结果
| 序号 | 试验项目 | 标 准 要 求 | 试验结果 | 参考标准 |
| 1 | 满负荷开合试验 |
相电压：8.7 kV断口：15 kV， 电流：200 A，30 个样品中 连续通过10 个 |
相电压：8.7 kV，断口：15 kV， 电流：200 A，30 个样品中共通过 29 个，且最大有19个连续通过 |
条款7．7 IEEE386 |
| 2 | 短路关合试验 |
相电压：8.7 kV，断口：15 kV， 电流：10 kA，时间：0.2s， 须有10个样品被连续成功关合，无闪络和部件飞出 |
相电压：8.7 kV，断口：15 kV， 连续12个样品通过了10.4kA, 0.2s 条件下的短路关合试验，无闪络和部件飞出 |
条款7.8 IEEE386 |
| 3 | 热偏移试验 | 在循环周期后，压接端子和套管的中心位置处温度应不大于控制电缆温度 | 在循环周期后，压接端子和套管的中心位置处温度不大于控制电缆温度 |
条款7.10.2 IEEE386 |
| 4 | 机械寿命试验 | 样品在300次机械试验后电阻值应小于110%的初始电阻，且温升稳定后样品温度值应低于电缆温度值 | 样品在300次机械试验后电阻值小于110%的初始电阻，且温升稳定后样品温度值低于电缆温度值 | - |
| 5 | 电缆充电电流开断、关合能力试验 |
电压:12kV, 电流:5A 开合时不闪络 |
电压：12.1 kV，电流：5.2 A 开合时未见闪络 |
条款 8.3.2.3 IEEE1247 |
| 6 | 空载变压器开合试验 |
电压：12 kV电流：3A和0.5A， 开合时不闪络 |
电压：12.1 kV， 电流：3.2 A 和 0.55 A， 开合时未见闪络 |
条款 8.3.2.5 IEEE1247 |
下文将对表2中的6项附加试验项目的试验方法逐一进行说明和讨论。
2.2.1 满负荷开合试验
参照IEEE Std 386TM-2006标准中条款7.7的要求，试验通过的标准为：“30只参与试验的美式肘型头中必须有连续10个样品依次通过10次200A满负荷开断试验，且无击穿、闪络及对地电流产生”。
肘型电缆头插入单通套管的准备位置并持续5s，然后进行一个合-分操作。合分操作的时间足够充分地建立起稳态的电压和电流。试验时，电流周期持续时间从12个周期到17个周期不等（0.20s到0.28s）。每一次合分操作由电动机械操作装置完成。一个机械机构操作60s后进行另外一个机械机构的操作。每个样品的操作间隔是2min。
在试验过程中，相应的故障电流检测设备应被安装到试验回路中。试验波形应被录波。
2.2.2 短路关合试验
该试验的进行是为了验证美式肘型的短路故障关合能力。
按照IEEE Std 386TM-2006标准中条款7.8的要求，应取10组肘型电缆头和单通套管样品，且测试的样品来自于通过了200A负荷插拔试验的肘型电缆头和单通套管。肘型电缆头安装在固定于接地试验夹具的套管井上。肘型电缆头，相邻两边的肘头，套管和试验夹具都接地。关合操作通过绝缘操作杆采用手动操作。
被拿来试验的样品中有连续10个被成功关合后可以认为通过了该项试验。成功关合的判断标准如下：
a) 示波器显示无对地电流产生。
b) 连接器所有的部件保留在了套管上。
2.2.3热偏移试验
此试验按照 IEEE Std 386－2006 的第7.10.2条款的规定进行。共取 4 组肘型电缆头和单通套管样品，用12.7mm宽的扎带将4个试验样品捆绑，扎带位于距肘型电缆头中心距以下64mm处用于分离肘型电缆头和单通套管。4个样品应被串联在一根约91mm长的1/0 AWG 25 KV 交联聚乙烯铝芯电缆上。肘头底部压接有Cooper标准包装中提供的铜铝压接端子。将一根长度为183cm的控制电缆安装在测试回路中的两个均衡器中间，用来测量线芯导体的温度。均衡器依照ANSI C119.4的标准选取。进行试验的环境温度应在15 ℃至35 ℃之间。热电偶装在压接端子处，大约靠近套管的中心位置和控制电缆的线芯表面及控制电缆的中点。4个样品应该进行6次循环，每一个循环包括机械操作试验及电流周期试验。机械操作实验应包括：使用附有锁紧环的绝缘操作杆将肘型头以轴向为中心顺时针及逆时针最小旋转10度。然后通过施加在金属带上的力将肘型头拔5次，并依次通过施加在操作孔上的力将肘型头合上5次。操作杆和关合方向的力应平行于肘头的轴向且足够执行合分操作。通电流将控制电缆的温度调整到(90±5)℃，电流施加8个周期，每个周期包括3小时通流及3小时断流。
试验通过的标准为：在所有的试验周期中，压接端子处的温度及套管联接处的温度要低于控制电缆的温度。
图1是试验实物照片。
图1：热偏移试验装置图
2.2.4机械寿命试验
该试验项目在GB/T 12706.4-2008和IEEE等标准中均没有规定，考虑到产品若用于替代负荷开关功能，并实现其带负荷操作、连通线路的功能，有必要考核产品应具有一定的机械寿命，在完成一定数量的机械式插拔后，还能具有良好的电接触性能（导电性），不致线路发热而引起事故。故按照美式肘型头的企业设计标准，规定了机械寿命的次数为300次，并要求试验后电阻值和温升符合一定的范围变化。
试验标准为：试品在电动机械操作台上完成300次机械操作试验后电阻值应小于110%的初始电阻，且温升稳定后样品温度值应低于试验回路中的电缆温度值。
2.2.5电缆充电电流开断、关合能力试验
当15kV 200A美式肘型头被用于开合空载电缆线路时，需要检验其能在一定电压下，可以成功开合容性电流的能力。容性电流通过模拟得出（电缆加电容器组模拟）。
本试验的试验回路参照IEEE Std 1247TM-2006中负荷开关开合电缆充电电流的单相试验回路图8（即本文中的图5）。试验方法规定为：在12kV电压(60Hz)下开合5A容性电流，该试验电流通过模拟得出。共取4只样品，因试验回路不能控制相角开合，每个样品的试验次数为20次开合。试验中试品应无击穿、闪络及对地电流的产生。同时记录试验中的电压、电流波形。
合分操作通过绝缘操作杆采用手动操作，每次合、分操作采用如下顺序：合 – 7～14周波 – 分。
2.2.6空载变压器开合试验
本试验的试验回路参照IEEE Std 1247TM-2006中负荷开关开合空载变压器的单相试验回路图10（即本文中的图7）。试验方法规定为：在12kV电压(60Hz)下开合空载变压器，空载感性电流为0.5A及3A（按照变压器空载电流为一次侧额定电流的4%计算，若对应的变压器容量为250kVA、 1250kVA，则确定的感性开断电流分别为：0.5A、3A，），该感性电流通过模拟得出。在0.5A、3A下 各取4只样品，因试验回路不能控制相角开合，每个样品的试验次数为20次开合。试验中试品应无击穿、闪络及对地电流的产生。同时记录试验中的电压、电流波形。
合分操作通过绝缘操作杆采用手动操作，每次合、分操作采用如下顺序：合 – 20～25周波 – 分。
3部分型式试验过程简介及试验结果
表2中的试验项目，是最能体现产品的“负荷开断能力、短路关合能力、机械操作寿命、电缆充电电流开合能力、空载变压器开合能力、导电部分的载流及散热能力”等性能的试验项目。其中的“满负荷开断试验”、“短路关合试验”、“热偏移试验”均在IEEE Std 386TM-2006中有详细的规定，为较为常规、成熟的试验项目。这三项试验在北美试验室均顺利通过，具体试验结果参见表2。下文对在北美进行的“机械寿命试验”、“电缆充电电流开断、关合能力试验”、“空载变压器开合试验”等三项特殊试验项目的试验过程及结果做详细介绍。
3.1 机械寿命试验
测量并记录机械操作试验前金属咬合位置（即肘型头导电杆与套管内部触指的咬合位置）的电阻值。然后给4个试品分别施加300次的机械操作（每一次合或分均算一次机械操作），机械寿命试验是在PLC控制下的机械设备上完成合分操作的，见图3。在300次的机械操作完成后，再分别测量并记录每个样品金属咬合位置的电阻值。
将热电偶安装在电缆导体的中点上及每个单通套管和母排的中间点连结处（金属咬合位置），试验回路见图2，并加载200A额定电流至少五小时三十分钟以上，每五分钟测量一次温度。金属咬合位置的温度值应低于回路中控制的温度。
试验结果：试验前后测得的电阻值见表3，可见4个试品阻值变化小于10%；试验结束后四组样品温度均达到稳定并且其值远低于铝电缆芯的温度。结论：全部通过机械寿命试验。
图2：温升测试回路连接图 图3：机械寿命试验操作
表3：接触电阻值（uΩ）
| 样品序号 | 初始电阻 | 300次操作后电阻 |
| 1 | 107.9 | 114.6 |
| 2 | 117.4 | 124.5 |
| 3 | 105.7 | 112.3 |
| 4 | 108.9 | 116.7 |
| 平均 | 110.0 | 117.0 |
| 变化率 (%) | NA | + 6.4% |
3.2电缆充电电流开断、关合能力试验
共4个样品在同一电流和电压下进行测试，单通套管安装在固定于接地试验夹具的套管井上。样品两边82.6mm处（中心距）的电缆头和套管也同时接地。肘型电缆头，相邻两边的肘头，套管和试验夹具都接地（试品布置见图4）。试验回路功率因数超前不大于20%。容性负载由电容器组和152m 长的 8.8 mm 绝缘厚度交联聚乙烯铝电缆组成，电缆的分布电容只构成整个回路约10%的容性负载。试验回路图见图5
操作员通过一道防爆门在外部用绝缘操作杆手动操作开合，见图6。肘型电缆头插到单通套管的准备位置，在给操作员关合操作的信号前电压会持续施加5s。从合到开的时间持续大约7到10个周期（0.12s到0.16s）,在这段期间内将建立起稳态的电流和电压。每个样品被开合20次。每次开合间隔3分钟。间隔时间用来记录数据及发电机的下一次升压。
试验结果：所有的4个样品在12.1kV和5.2A下通过20次合-开操作，无击穿、闪络及对地电流的产生。通过电压录波波形显示，关合过程中无明显过电压的产生。开断过程中伴随有电弧重燃及重击穿的现象，其中3次重击穿出现过一次，2次重击穿出现过一次，剩余均为1次重击穿。开合过程中电源侧最大TRV为2.57P.u.。
图4：试品布置图
图5：空载电缆充电电流开断试验回路图
3.3空载变压器开合试验
共 8 组样品在 2 组不同的电流下（0.5A、3A）进行测试，单通套管安装在固定于接地试验夹具的套管井上。样品两边82.6mm处（中心距）的电缆头和套管也同时接地，见图4。肘型电缆头，相邻两边的肘头，套管和试验夹具都接地。操作员通过一道防爆门在外部用绝缘操作杆手动操作开合（见图6）。肘型电缆头插到单通套管的准备位置，在给操作员关合操作的信号前电压会持续施加5s。操作员保持电缆头在合闸位置大约20到25个周期（0.3s到0.4s），在这段期间内将建立稳态的试验电流和电压。每个样品被开合20次。每次开合间隔3分钟。间隔时间用来记录数据及发电机的下一次升压。试验回路功率因数滞后5%-10%。
试验结果：
1）、所有的4个样品在 12.1kV/0.55A下通过20 次的合-开操作，没有闪络。
2）、所有的4个样品在 12.1kV/3.2A下通过 20 次的合-开操作，没有闪络。
通过电压录波波形显示，在开断过程伴随有电弧重燃及大量高频电流的产生。电源侧最大TRV约为1.33P.u.，这是在开断0.572A感性电流时产生的。
图6：绝缘操作杆手动开合
图7：空载变压器开合试验回路图
4相关应用
4.1工程需求
如果开发一种通用性强的小型化箱变，既能深入负荷中心，可以降低线损和减少高、低压侧铜材的用量，起到节省投资和节约成本的作用，又能体积小巧、易装运，尽量小地占用街道或公共空间，外表美观且不影响视线，这是在一些土地空间紧张的大城市的繁华地段对箱变的要求。为此，笔者曾开发了一种T接型小型化箱变来满足上述要求。经讨论，要使箱变小巧，认为其变压器容量为250 kVA及以下为宜，另外，还需替代箱变高压侧的环网柜和简化低压侧的设计。
4.2方案提出
由于常见的环网柜外形大，在250 kVA及以下箱变中成为占用空间最大的设备。为了既保留环网接线方案，又能达到带负荷切换负载和实现环网线路的运行方式，结合美式200A带负荷插拔可分离连接器产品的带负荷开合和故障关合等特性，在设计中，选择美式200A带负荷插拔可分离连接器产品替代箱变高压侧的环网柜，以实现缩小设备体积，减少成本等的作用。替代后的一次线路图见图8，实物布置图见图9：
图8：由美式电缆头构成的环网结线图 图9：用电缆头替代环网柜的布置图
4.3方案简介
图9是三相的布置图。每相由一个绝缘底座和3个肘型头（其中1个是含内熔丝的肘型头，做变压器的保护用，起到“环网柜”中的类似组合电器的作用）、3个绝缘帽、1个接地肘型头构成。每相的上面2个肘型头选择LE215型号的美式电缆头，每相位于下部的是内含全范围型限流熔断器的LFEP215型美式肘型头，起到保护变压器的作用。绝缘帽为LPC215型，起到封闭锥形头，防止异物污秽其表面和防止误触带电体的作用。接地肘型头选GE215-2Y06型，在需要线路接地时实现接地的作用。
该方案设计了与常规环网柜类似的3个位置，即工作位置、隔离位置和接地位置。当只要求线路隔离时，可以使用绝缘操作杆将肘型头从工作位置操作到隔离位置，只起到线路隔离、断开的作用。当需要接地时，可以在线路隔离或断开的基础上，操作接地肘型头，使线路接地。
该方案配有安装零序互感器的方案，还配有高压带电显示器方案。还考虑了高压验电方案。
4.4方案优点
选择美式200A带负荷插拔可分离连接器产品替代常规的环网柜，具有以下优点：
①. 可以缩小设备体积。高压侧所占空间为：深450mm×宽1300mm×高1500mm。由他组成的箱变外形尺寸为：长1600mm×宽1300mm×高1500mm。
②. 在设备安全性有保障的同时，设备成本和造价降低。
③. 可以优化配网设计。250 kVA及以下箱变的外电源可以采用该方案实现“小环网”（额定电流≤200A）的结线方式，每环所挂变压器容量不大于1500kVA，见图10。
④. “小环”的运行比较灵活，能方便实现故障操作、检修操作等倒闸操作。该“小环”在电网中配合大环运行，结线和倒线方式灵活。
图10：配网中的“小环”示意图
5结论
基于美式200A带负荷插拔可分离连接器产品的型式试验项目、试验参数和型式试验结果，将其用于替代箱变高压侧的环网柜，或用于带负荷操作的场合以实现倒闸和隔离线路，从减小设备体积、降低造价、简化操作等方面看，是一种可选的设计方案。
6 参考文献
[1] 美国IEEE Power Engineer Society 发布.IEEE Std 386TM-2006 IEEE Standards for Separable Insulated Connector Systems for Power Distribution Systems Above 600V[S].IEEE出版社,2006.
[2] 美国IEEE Power Engineer Society 发布.IEEE Std 1247 TM -2006 IEEE Standards for interrupter switches[S].IEEE出版社,2006.
[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会 发布. GB/T 12706.4-2008 额定电压1kV（Um=1.2kV）到35kV（Um=40.5kV）挤包绝缘电力电缆及附件第4部分：额定电压6kV（Um=7.2kV）到35kV（Um=40.5kV）电力电缆附件试验要求[S].中国标准出版社出版发行,2009.
7 作者简介
李洪涛 （1975-），男，高级工程师，国网公司配网自动化推广工作小组成员，主要从事：配网技术研究工作。