電氣化鐵路27.5kV專用電纜敷設(shè)安裝工藝的探討

劉明亮 上海鐵路局合肥供電段

隨著大規(guī)?？瓦\(yùn)專線建設(shè)的快速發(fā)展，由于受地形和環(huán)境因素的影響，電氣化鐵路27.5kV專用電纜的使用越來越普遍，而由于電纜故障影響行車的事例也越來越多。合武客運(yùn)專線上海局管內(nèi)自2008年12月31日開通之后已發(fā)生3次27.5kV電纜故障而影響行車，沿海鐵路客運(yùn)專線在2009年7月份聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間發(fā)生多起電纜故障，這些電纜故障的發(fā)生給行車和運(yùn)輸組織造成了嚴(yán)重的干擾。

1 電力電纜故障產(chǎn)生的主要原因

按照電纜故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行分類大致分為四類，即：制造、施工圖設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量、外力破壞等四大原因。

1.1 廠家制造原因

一般在電纜生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)的問題有絕緣偏心、絕緣屏蔽厚度不均勻、絕緣內(nèi)有雜質(zhì)、內(nèi)外屏蔽有突起、交聯(lián)度不均勻、電纜受潮、電纜金屬護(hù)套密封不良等，有些情況比較嚴(yán)重可能在竣工試驗(yàn)中或投運(yùn)后不久即出現(xiàn)故障，大部分在電纜系統(tǒng)中以缺陷形式存在，對電纜長期安全運(yùn)行造成嚴(yán)重隱患。在電氣化鐵路中出現(xiàn)此種情況很少，如在招標(biāo)采購、驗(yàn)收、交接試驗(yàn)和準(zhǔn)入制度等各個(gè)環(huán)節(jié)的卡控措施如果到位可以避免。

1.2 施工圖設(shè)計(jì)原因

由于在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，對電纜敷設(shè)的環(huán)境、路徑、敷設(shè)方式、接地形式等勘察設(shè)計(jì)考慮不全面，施工單位在地形復(fù)雜、工期短的情況下，沒有按照設(shè)計(jì)和施工規(guī)范要求進(jìn)行敷設(shè)，留下安全隱患。如合武線六安牽引所饋出供電電纜，多根電纜敷設(shè)在一個(gè)狹小的溝槽內(nèi)，相互之間間距無法達(dá)到規(guī)范的要求；2008年12月31日其中一條電纜擊穿故障，并將相鄰的電纜燒損，影響了行車，同時(shí)也擴(kuò)大了事故范圍。

1.3 施工質(zhì)量原因

⑴施工時(shí)沒有按照規(guī)范進(jìn)行施工等導(dǎo)致電纜彎曲半徑過小、部分場所電纜受擠壓損傷等造成電纜故障。

⑵因電纜頭制作安裝工藝不達(dá)標(biāo)，在運(yùn)行中造成電纜頭擊穿故障。電纜頭是電纜線路中的薄弱環(huán)節(jié)，分為電纜終端接頭和電纜中間接頭，不管什么接頭形式，電纜接頭故障一般都出現(xiàn)在電纜絕緣屏蔽斷口處，因?yàn)檫@里是電應(yīng)力集中的部位。造成電纜頭故障的主要原因有以下幾個(gè)方面：一是現(xiàn)場條件比較差，電纜和接頭在工廠制造時(shí)環(huán)境和工藝要求都很高，而施工現(xiàn)場溫度、濕度、灰塵都不好控制。二是電纜頭在制作過程中在絕緣表面難免會(huì)留下細(xì)小的滑痕，半導(dǎo)電顆粒和砂布上的沙粒也有可能嵌入絕緣中，另外接頭在制作過程中由于絕緣暴露在空氣中，絕緣中也會(huì)吸入水分，這些都給長期安全運(yùn)行留下隱患。三是制作安裝時(shí)沒有嚴(yán)格按照工藝規(guī)定施工,沒有考慮到可能出現(xiàn)的問題。四是竣工驗(yàn)收采用直流耐壓試驗(yàn)造成接頭內(nèi)形成反電場導(dǎo)致絕緣破壞。五是因密封處理不善導(dǎo)致電纜故障。

⑶單芯電纜外護(hù)層接地方式選取不當(dāng)?shù)仍斐呻娎|擊穿故障。

1.4 外力破壞原因

大多數(shù)情況是由于臨近電纜敷設(shè)處所人工利用尖利器械開挖或大型機(jī)械進(jìn)行開挖、碾壓，造成電纜被挖斷或者被撞擊、擠壓后電纜外護(hù)套、金屬護(hù)套，擠入電纜絕緣層導(dǎo)致電纜擊穿。

2 電氣化鐵路27.5kV專用電纜敷設(shè)安裝工藝探討

電氣化鐵路27.5kV專用電纜一般用于牽引變電所至上網(wǎng)點(diǎn)之間的供電線或者AT供電方式中的正饋線，是直接給接觸網(wǎng)供電的重要設(shè)備。一般主要使用在附近建筑物較多、空間狹窄，高速客運(yùn)專線長大橋梁、隧道等不具備架空條件，和對外觀環(huán)境要求較高的大型客運(yùn)站場等處所。這些場所不僅施工難度大，且運(yùn)行維護(hù)也很困難。因此根據(jù)電氣化鐵路27.5kv專用電纜的運(yùn)行特點(diǎn)，規(guī)范和優(yōu)化敷設(shè)安裝工藝等尤其重要。

2.1 規(guī)范敷設(shè)方法

根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50217-2007)的要求“電纜敷設(shè)方式的選擇，應(yīng)視工程條件、環(huán)境特點(diǎn)和電纜類型、數(shù)量等因素，以及滿足運(yùn)行可靠、便于維護(hù)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的原則來選擇?！彪姎饣F路27.5kV專用電纜為高壓交流單芯電纜，其敷設(shè)安裝工藝除了要符合《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》中的交流系統(tǒng)單芯電纜敷設(shè)的基本要求外，還應(yīng)根據(jù)電氣化鐵路27.5kV專用電纜的特點(diǎn)，做到以下幾點(diǎn)要求。

⑴因“交流系統(tǒng)單芯電力電纜，不得選用未經(jīng)非磁性有效處理的鋼制鎧裝”。目前電氣化鐵路27.5kV專用電纜所采用的鎧裝層大多為鋁制或鋁合金等非磁性金屬鎧裝材料，其抗外力侵害的能力相對較差。因此電氣化鐵路27.5kV專用電纜的敷設(shè)方式主要宜采用整體現(xiàn)澆式電纜溝槽敷設(shè)，溝槽的大小宜根據(jù)同溝敷設(shè)的電纜數(shù)量確定，同溝敷設(shè)的電纜之間的間距應(yīng)符合《規(guī)范》要求；對于上網(wǎng)供電線電纜上下行應(yīng)分開敷設(shè)，以避免其中一條電纜擊穿故障時(shí)，燒毀相鄰電纜，造成上下行同時(shí)中斷供電，擴(kuò)大事故范圍。

⑵電纜在穿越道路、鐵路等宜采用穿管敷設(shè)，在空間狹窄、地形復(fù)雜困難的情況下無法進(jìn)行電纜溝槽敷設(shè)施工的處所也應(yīng)采用單根穿管敷設(shè)。因“交流單芯電纜以單根穿管時(shí)，不得采用未分隔磁路的鋼管。”過去采用將鋼管沿長度方向割開一個(gè)縫再穿電纜或者采用PVC等塑料棺材等作為電纜保護(hù)管，由此造成保護(hù)管的抗外力的強(qiáng)度很不理想。近幾年國內(nèi)大量使用的新型PE管不僅阻燃、抗腐蝕、非導(dǎo)磁性且增加厚度后承載能力可以大大增強(qiáng)，抗外界的沖擊能力甚至超過同管徑的鋼管。因此，新型PE管應(yīng)是電氣化鐵路27.5kV專用電纜保護(hù)管比較理想的管材。

⑶電纜保護(hù)管在穿越鐵路時(shí)，與鐵路交叉處距路基面不宜小于1.0m、距排水溝底不宜小于0.3m,保護(hù)管的承壓能力宜在每單位面積16kg以上。在跨越繁忙干線鐵路或站場多股道進(jìn)行開挖敷設(shè)電纜保護(hù)管比較困難的情況下，宜采用機(jī)械頂管敷設(shè)，在進(jìn)行機(jī)械頂管敷設(shè)時(shí)頂管位置應(yīng)控制在路基面3m以下，以避免對路基的擾動(dòng)。

2.2 金屬保護(hù)層接地方式的選擇

為消除感應(yīng)電勢的影響，交流系統(tǒng)單芯電力電纜金屬保護(hù)層接地方式主要有以下幾種。方法一：一端直接接地，另一端通過護(hù)層電壓限制器接地。方法二：電纜線路中間一點(diǎn)接地，兩端通過護(hù)層電壓限制器接地（性質(zhì)與方法一相同）。方法三：交叉互聯(lián)接地（施工、運(yùn)營維護(hù)復(fù)雜）。方法四：兩端直接接地，（電纜金屬保護(hù)層可能通過電流）。

因交叉互聯(lián)接地方式主要用于高壓三相電源所采用的單芯電纜敷設(shè)，因此不適用于電氣化專用電纜。兩端直接接地時(shí)，尤其在有綜合接地系統(tǒng)的電氣化鐵路區(qū)段，電纜的接地和綜合接地系統(tǒng)相連時(shí)易形成電流通路，對電纜的運(yùn)行造成危害。因此根據(jù)電氣化27.5kV專用電纜的特點(diǎn)，宜選用一端直接接地，另一端通過護(hù)層電壓限制器接地的方式（如圖1所示），且護(hù)層電壓限制器的選擇應(yīng)符合《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

圖1 電纜金屬保護(hù)層一端直接接地另一端通過護(hù)層電壓限制器接地方式

2.3嚴(yán)格控制電纜頭生產(chǎn)制作工藝

高壓電纜頭是電纜運(yùn)行中的薄弱環(huán)節(jié)，電纜頭擊穿故障占電纜擊穿故障的絕大多數(shù)，沿海鐵路客運(yùn)專線在2009年7月份聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間發(fā)生6起電纜故障均為電纜頭擊穿故障。因此，在施工中控制電纜頭的制作安裝工藝尤其重要。

⑴高壓電纜頭的基本要求：

線芯聯(lián)接好:主要是聯(lián)接電阻小而且聯(lián)接穩(wěn)定，能經(jīng)受起故障電流的沖擊；長期運(yùn)行后其接觸電阻不應(yīng)大于電纜線芯本體同長度電阻的1.2倍；應(yīng)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度、耐振動(dòng)、耐腐蝕性能；此外還應(yīng)體積小、成本低、便于現(xiàn)場安裝。

絕緣性能好:電纜頭的絕緣性能應(yīng)不低于電纜本體，所用絕緣材料的介質(zhì)損耗要低，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)對電纜頭中電場的突變能完善處理，有改變電場分布的措施。

⑵要清楚電纜中電場的分布原理，控制好電纜頭制作中的關(guān)鍵技術(shù)

高壓電纜每一相線芯外均有一接地的（銅）屏蔽層，導(dǎo)電線芯與屏蔽層之間形成徑向分布的電 場。也就是說，正常電纜的電場只有從（銅）導(dǎo)線沿半徑向（銅）屏蔽層的電力線，沒有芯線軸向的電場（電力線），電場分布是均勻的。在做電纜頭時(shí)，剝?nèi)チ似帘螌?，改變了電纜原有的電場分布，將產(chǎn)生對絕緣極為不利的切向電場（沿導(dǎo)線軸向的電應(yīng)力）。在剝?nèi)テ帘螌有揪€的電應(yīng)力向屏蔽層斷口處集中。那么在屏蔽層斷口處就是電纜最容易擊穿的部位。電纜最容易擊穿的屏蔽層斷口處，一般采取分散斷口處集中的電應(yīng)力，用介電常數(shù)為20～30，電阻率為108～1012Ω·cm 材料制作的應(yīng)力管，套在屏蔽層斷口處，以分散斷口處的電場應(yīng)力，保證電纜能可靠運(yùn)行。 故電纜頭制作中應(yīng)力管非常重要，而應(yīng)力管是在不破壞主絕緣層的基礎(chǔ)上，才能達(dá)到分散電應(yīng)力的效果。為盡量使電纜在屏蔽層斷口處電場應(yīng)力分散，應(yīng)力管與銅屏蔽層的接觸長度要求不小于20mm，短了會(huì)使應(yīng)力管的接觸面不足，應(yīng)力管上的電應(yīng)力會(huì)傳導(dǎo)不足，長了會(huì)使電場分散區(qū)（段）減小，電場分散不足，一般在20mm~25mm左右。

3 結(jié)束語

由于電纜線路的一次性投資較大，發(fā)生故障時(shí)查找困難且恢復(fù)時(shí)間長，因此在過去的電氣化鐵路建設(shè)中盡量不用或很少使用電氣化鐵路27.5kV專用電纜，避免因電纜故障對鐵路運(yùn)輸?shù)母蓴_。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對環(huán)境美觀、安全的要求越來越高，節(jié)約土地的意識也越來越強(qiáng)，而使用電纜具有美化環(huán)境、節(jié)約土地、相對安全等架空電力線路所不具備的優(yōu)勢。隨著我國電氣化鐵路的快速發(fā)展，尤其是高速客運(yùn)專線的大規(guī)模建設(shè)，電氣化鐵路27.5kV專用電纜的運(yùn)用也將越來越普遍。為適應(yīng)這種發(fā)展趨勢，還需要根據(jù)電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)一步研究和規(guī)范電氣化鐵路27.5kV專用電纜的制造和敷設(shè)安裝工藝標(biāo)準(zhǔn)，以確保電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。