動(dòng)車(chē)所10 kV單相電纜故障分析及對(duì)策

朱志廳 上海鐵路局調(diào)度所

近年來(lái)，隨著我局客運(yùn)專線的相繼開(kāi)通，10 kV交聯(lián)聚氯乙烯絕緣單相電力電纜作為主流產(chǎn)品已經(jīng)廣泛投運(yùn)于鐵路一級(jí)貫通、綜合貫通、樞紐地區(qū)供電線路中。但是，由于施工質(zhì)量及單相電纜的感應(yīng)電壓等原因，滬寧城際、滬杭客專自投運(yùn)以來(lái)，發(fā)生了多起電力電纜故障的事件，嚴(yán)重影響鐵路供電的可靠運(yùn)行。

1 故障概況

2012年2月9日13:46，虹橋 10 kV所311DL速斷跳閘，311DL饋線為動(dòng)車(chē)所配電所的電源電纜，長(zhǎng)度為5 152 m，故障發(fā)生后，供電調(diào)度立即通知檢修人員搶修，檢修人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，對(duì)電纜進(jìn)行了絕緣測(cè)試：A相 1 MΩ，B相1 MΩ，C相136 MΩ，絕緣電阻測(cè)試結(jié)果表明電纜已擊穿，由于電纜較長(zhǎng)，加之檢修上道測(cè)試又受天窗點(diǎn)的限制，給故障點(diǎn)的查找?guī)?lái)困難，利用電纜故障測(cè)試儀分析判斷，檢修人員將近花了3天時(shí)間，共查出故障點(diǎn)6處（其中有兩處在電纜中間接頭），做了8個(gè)電纜中間接頭，于2月12日凌晨恢復(fù)供電。

2 原因分析

高壓電纜發(fā)生故障主要是由于人為或自然災(zāi)害等的破壞導(dǎo)致絕緣損壞，使相與地或相與相之間發(fā)生短接，這種短接會(huì)使電流急劇增大，電壓大幅度下降，并進(jìn)一步造成電纜損壞等嚴(yán)重的后果。高壓電纜的故障主要包括單相接地故障（約占80%）和相間短路故障（約占15%），其他故障（約占5%）。單相高壓電纜的過(guò)電壓可分為工頻過(guò)電壓與沖擊過(guò)電壓，工頻過(guò)電壓包括電纜線路正常運(yùn)行電壓或金屬護(hù)套上產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓，沖擊過(guò)電壓包括雷擊過(guò)電壓與操作過(guò)電壓，本次電纜故障實(shí)屬罕見(jiàn)。經(jīng)過(guò)分析，主要原因是：

2.1 電纜在施工敷設(shè)過(guò)程中外表?yè)p傷

電纜施工時(shí)，由于機(jī)械牽引力過(guò)大而拉傷電纜及過(guò)度彎曲而損傷電纜，使電纜主絕緣層內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形（大部分是彈性變形，但有少量的塑性變形），主絕緣層層內(nèi)局部密度增大，局部減小，且受擠壓處半徑變小，另一側(cè)半徑變大，使內(nèi)部電場(chǎng)分布不均勻。由于主絕緣層內(nèi)部絕緣介質(zhì)密度不同，引發(fā)電場(chǎng)介質(zhì)的電離，到一定程度，主絕緣就被擊穿，發(fā)生單接地故障。

2.2 電纜中間接頭施工質(zhì)量不符要求

電纜接頭是電纜線路中最薄弱的環(huán)節(jié)，電纜中間接頭制作不規(guī)范，或是在潮濕的氣候條件下做接頭，會(huì)使接頭進(jìn)水或混入水蒸氣，造成密封失效而導(dǎo)致潮氣侵入，破壞絕緣性能。因施工質(zhì)量原因造成的嚴(yán)重缺陷一般在投運(yùn)前的竣工試驗(yàn)時(shí)或投運(yùn)后一兩年內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)故障，而一些小的問(wèn)題可能就成為長(zhǎng)期運(yùn)行的隱患，目前施工部門(mén)采用的冷縮式電纜接頭，對(duì)施工環(huán)境要求較高，然而由于種種原因，質(zhì)量不過(guò)關(guān)，在其它電纜故障處理中，也發(fā)現(xiàn)了滲水現(xiàn)象。

2.3 高壓電纜的接地存在缺陷

本段電纜一端在虹橋配電所經(jīng)護(hù)層保護(hù)器接地,另一端在動(dòng)車(chē)所直接接地,而每一個(gè)中間接頭的金屬護(hù)套未接地，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，導(dǎo)體中有很大的電流，在金屬護(hù)套上產(chǎn)生很高的過(guò)電壓，擊穿護(hù)套絕緣。電纜的金屬護(hù)套或屏蔽層可以看作一個(gè)薄壁圓柱體，同心的套在線芯周?chē)?，?dāng)單芯電力電纜的導(dǎo)體中通過(guò)交流電流時(shí)，線芯回路產(chǎn)生的一部分磁通不僅與線芯回路相交鏈，同時(shí)也與金屬護(hù)套相交鏈，這部分磁通使金屬護(hù)套中具有電感，產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓的大小與電纜線路的長(zhǎng)度和流過(guò)的電流成正比，電纜較長(zhǎng)時(shí)，護(hù)套上的感應(yīng)電壓疊加起來(lái)，將達(dá)到危害人身安全的數(shù)值，發(fā)生短路故障時(shí)，感應(yīng)電壓更大，造成電纜擊穿。

（1）單相電纜的金屬護(hù)套感應(yīng)過(guò)電壓計(jì)算

當(dāng)三相電纜等邊三角形敷設(shè)時(shí)，平衡負(fù)載下，各相電流相等，電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電勢(shì)有效值相同，計(jì)算式為：

當(dāng)三相單芯電纜平行等距敷設(shè)時(shí)，則各相感應(yīng)電勢(shì)的有效值為：

以虹橋電纜來(lái)計(jì)算，電纜平行敷設(shè),長(zhǎng)度L(5 152 m)，電纜護(hù)套半徑rS(15 mm)，電纜護(hù)套幾何中心距離S(200 mm)，線芯中負(fù)載電流 I(15 A)，經(jīng)計(jì)算A、C相感應(yīng)電勢(shì)為14.5 V,B相為12.6 V。

（2）短路狀態(tài)下的金屬護(hù)套感應(yīng)過(guò)電壓計(jì)算

單相電纜接地短路時(shí)，只有很少一部分的短路電流是經(jīng)接地網(wǎng)入地并通過(guò)大地回流，絕大部分的短路電流是經(jīng)過(guò)電纜護(hù)套回流，計(jì)算短路電流在電纜金屬護(hù)套感應(yīng)電壓時(shí)，負(fù)載電流可忽略不計(jì)，而單相短路比相間短路時(shí)金屬護(hù)套的感應(yīng)電壓要大，以此來(lái)計(jì)算電纜短路時(shí)金屬護(hù)套的感應(yīng)電壓，設(shè)A相對(duì)地短路，如圖1所示。

圖1 A相接地示意圖

A相接地時(shí)，電纜金屬護(hù)套最大感應(yīng)過(guò)電壓為：

其中：R：金屬護(hù)套接地電阻1 Ω，Se=為土壤電阻系數(shù)，不能確定時(shí)，Se可取1000m，L：電纜長(zhǎng)度 5152m，ISCA:A相接地短路電流600A,計(jì)算得出A相接地?cái)嗦窌r(shí)感應(yīng)電勢(shì)為1123∠57.7°V。

從計(jì)算結(jié)果得出，10 kV三相單芯電纜在正常負(fù)載下，在電纜金屬護(hù)套上的產(chǎn)生的過(guò)電壓比較小，但是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路事故時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電壓是正常值的幾十倍甚至上百倍，從而導(dǎo)致電纜多點(diǎn)接地，因此，為減少單相電纜的感應(yīng)電壓，有必要對(duì)電纜的接地方式進(jìn)行研究。

3 對(duì)策措施

單芯電纜兩端直接接地，護(hù)套中將會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，其值可達(dá)到電纜線芯正常輸送電流的30%--80%，這既降低了電纜的載流量、又浪費(fèi)電能形成損耗，并加速了電纜絕緣老化。然而，當(dāng)電纜鋁包或金屬屏蔽層有一端不接地，會(huì)造成下列問(wèn)題：當(dāng)雷電流或過(guò)電壓波沿線芯流動(dòng)時(shí)，電纜鋁包或金屬屏蔽層不接地端會(huì)出現(xiàn)很高的沖擊電壓；而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，不接地端也會(huì)出現(xiàn)較高的工頻感應(yīng)電壓，如電纜外護(hù)層絕緣不能承受這種過(guò)電壓而擊穿，將導(dǎo)致電纜多點(diǎn)接地，形成環(huán)流。因此，高壓電纜線路安裝時(shí)，應(yīng)該按照GB50217-2007《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，單芯電力電纜的金屬護(hù)套只有一點(diǎn)接地時(shí)，金屬護(hù)套任一點(diǎn)的感應(yīng)電壓不應(yīng)超過(guò)50-300 V(未采取安全措施時(shí)不大于50 V；如采取了有效措施時(shí)，不得大于300 V)，并應(yīng)對(duì)地絕緣。在采用一端互聯(lián)接地時(shí)，必須采取措施限制護(hù)層上的過(guò)電壓，安裝時(shí)應(yīng)根據(jù)線路的不同情況，按照經(jīng)濟(jì)合理的原則在鋁包或金屬屏蔽層的一定位置采用特殊的連接和接地方式，并同時(shí)裝設(shè)護(hù)層保護(hù)器，以防止電纜護(hù)層絕緣被擊穿，同時(shí)接地線應(yīng)符合國(guó)標(biāo)要求，采用不小于25 mm2鍍錫編織銅線。單芯電纜接地方式通常采用以下幾種：

3.1 金屬護(hù)套一端直接接地，另一端經(jīng)保護(hù)器接地

當(dāng)電纜線路較短500 m以內(nèi)，一般采用單端接地方式，使金屬護(hù)套不能形成回路，為防止主回路故障時(shí)引起不接地端過(guò)電壓擊穿外護(hù)套絕緣，在該端與地之間要裝電纜護(hù)層保護(hù)器，保護(hù)器采用氧化鋅壓敏電阻為保護(hù)元件，具有良好的非線性特性曲線，還具有良好的絕緣性能，耐老化、憎水性等特點(diǎn)，接線方式如圖2。

圖2 一端直接接地，另一端保護(hù)接地

3.2 金屬護(hù)套中點(diǎn)直接接地，兩端通過(guò)保護(hù)器接地

當(dāng)電纜線路較長(zhǎng)1 000 m以內(nèi)，在電纜線路中點(diǎn)將金屬護(hù)套進(jìn)行單點(diǎn)互聯(lián)接地，而電纜金屬護(hù)套的2個(gè)終端通過(guò)保護(hù)器接地，如圖3。

圖3 中點(diǎn)接地，兩端保護(hù)接地

3.3 金屬護(hù)套交叉互聯(lián)接地

在實(shí)際電纜敷設(shè)條件下，由于在電纜中間接地沒(méi)有兩端接地方便實(shí)施，因此比較長(zhǎng)的電纜，普遍采用交叉互聯(lián)后兩端接地。當(dāng)電纜超過(guò)1 000 m以上，將電纜分成多個(gè)單元，每個(gè)單元均分成3個(gè)等長(zhǎng)小段，在每小段之間安裝絕緣接頭，由于交叉互聯(lián)段內(nèi)每一小段感應(yīng)電勢(shì)相等，相位互成1200，兩接地點(diǎn)間感應(yīng)電勢(shì)向量和為零。實(shí)際上由于施工地形條件等因素影響，每段電纜不可能完全等長(zhǎng)，加之電纜排列參數(shù)不一致等，感應(yīng)電勢(shì)向量和不完全為零，但也相對(duì)要小很多，不會(huì)影響運(yùn)行安全。如果把這樣一個(gè)交叉互聯(lián)接地，看作是一個(gè)單元，由于該單元金屬護(hù)套是兩端直接接地，所以任何長(zhǎng)度的電纜，都可以分成若干個(gè)單元，理論上這種接線方式適用于各種長(zhǎng)度的電纜，如圖4。

圖4 交叉互聯(lián)接地

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著單芯高壓電纜的大量運(yùn)用，也給日常運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)了諸多問(wèn)題，若出現(xiàn)電纜外皮損傷，查找和處理故障都比較麻煩，因此，在交接驗(yàn)收時(shí)，對(duì)電纜外觀、電纜井、隱蔽工程要認(rèn)真檢查，必要時(shí)進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)，以消除由于電纜在施工過(guò)程中護(hù)套絕緣受傷，而留下多點(diǎn)接地事故的隱患，同時(shí)，單芯電纜接地方式不同于三芯電纜，需引起高度重視。