京滬高速鐵路27.5 kV供電電纜接地問題探討

張 健

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京滬高速鐵路27.5 kV供電電纜接地問題探討

張 健

針對京滬高速鐵路牽引供電電纜絕緣擊穿事故，對單芯27.5 kV牽引供電電纜的結(jié)構(gòu)、特點進行了分析，對不同長度的牽引供電電纜接地方式提出相應(yīng)的整改措施。

供電電纜；接地方式；絕緣擊穿；應(yīng)用改進

0 引言

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，新建高鐵牽引變電所亭全部使用集成度高、免維護的GIS組合電器。GIS開關(guān)柜采用高壓電纜進出線，因此27.5 kV牽引供電電纜在高速鐵路中得到了廣泛應(yīng)用。由于牽引供電電纜敷設(shè)在電纜溝槽中，若電纜發(fā)生絕緣擊穿，很難被發(fā)現(xiàn)，加強對供電電纜接地問題的分析研究，對保證牽引供電設(shè)備安全運行尤為重要。

1 牽引供電電纜事故案例及原因分析

2012年12月，京滬高鐵華苑牽引變電所221#饋線的2條橋上供電電纜相繼發(fā)生絕緣擊穿，事故影響較大。

1.1 事故概況及影響

（1）2012年12月23日07：12：01，華苑變電所221斷路器跳閘，重合閘失敗，斷路器阻抗I段動作。

經(jīng)排查，發(fā)現(xiàn)493#供電桿處，221#饋線電纜2條中的1條（221-1）絕緣燒傷擊穿，故障造成行車中斷48 min。

（2）2012年12月29日07：23：16，華苑變電所221斷路器跳閘，重合閘失敗，斷路器阻抗I段動作。

經(jīng)排查，發(fā)現(xiàn)525#供電桿處，221#饋線電纜中的另1條（221-2）絕緣燒傷擊穿，故障造成行車中斷16 min。

由以上2起事故可見，電纜故障將影響鐵路正常供電及行車秩序。高鐵白天車流密度大，一旦發(fā)生事故，造成的影響范圍大，嚴(yán)重干擾行車秩序。

1.2 電纜絕緣擊穿原因分析

華苑變電所221#供電電纜全長4 000 m，共計2根27.5 kV單芯電纜，型號為YJV72-240 mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣非磁性金屬絲鎧裝聚氯乙烯護套電力電纜，2根電纜接地方式見圖1。

因221#饋線電纜較長，設(shè)置了多處電纜保護接地。221-1電纜故障點在金屬護套直接接地點（3）處，221-2電纜故障點在金屬護套直接接地點（1）處，絕緣擊穿故障點均為電纜金屬護套直接接地位置。由圖1可知，（1）、（3）為電纜金屬護套直接接地點，（2）為電纜通過直通電纜中間頭加護層保護器接地點。

經(jīng)深入調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，雖然（2）為電纜通過直通電纜中間頭加保護器接地點，但是由于施工時未將電纜金屬護套截斷，電纜金屬護套保持連通，當(dāng)（1）、（2）、（3）之間2個區(qū)段供電電纜金屬護套上出現(xiàn)感應(yīng)電壓時，感應(yīng)電動勢在（1）和（3）之間形成環(huán)流，（2）處護層保護器接地未起到保護作用，造成電纜長期超溫運行，絕緣性能下降，最終導(dǎo)致直接接地點（3）或（1）絕緣擊穿。

（a）221-1電纜

（b）221-2電纜

注：示意圖中（1）、（2）、（3）分別代表相應(yīng)接地點。

圖1 華苑變電所221#饋線供電電纜接地示意圖

經(jīng)事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，擊穿點施工工藝不符合技術(shù)要求，造成直接接地點電阻過大，在長時間環(huán)流運行中，電纜絕緣性能下降，是引發(fā)該次絕緣擊穿事故的另一個原因。

2 27.5 kV牽引供電電纜接地方式分析

2.1 單芯供電電纜的特殊性

由于單芯供電電纜存在金屬保護層，而金屬保護層與芯體間可以看成是一個單匝變壓器，當(dāng)芯體中流通交變電流時，會在金屬保護層中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電壓的大小取決于芯體電流的大小、芯體的長度等。

2.2 單芯供電電纜保護措施

由于電纜較長，金屬保護層上將產(chǎn)生較高的感應(yīng)電動勢，電動勢過高將擊穿絕緣護套，導(dǎo)致高電阻接地，形成局部過熱損壞電纜主絕緣，造成電纜事故。因此，對于大截面單芯電纜通常釆取金屬保護層接地的保護措施，將感應(yīng)電動勢限制在安全范圍內(nèi)，并且可提高芯體載流量，減少電能損失。27.5 kV供電電纜金屬保護層有如下幾種接地方式：

（1）一端直接接地，另一端懸空。該方式適用于長度小于400 m及容量較小的電纜（圖2）。

圖2 —端直接接地，一端懸空

該方式操作簡單，由于一端懸空，當(dāng)芯體存在過電壓或過電流時，金屬保護層中將產(chǎn)生很高的工頻電壓，電纜護套不能承受這種過電壓的作用時，將出現(xiàn)多點接地，形成環(huán)流，進而破壞電纜主絕緣，造成電纜主絕緣擊穿，引發(fā)故障。

（2）一端直接接地，另一端通過保護器接地。該方式是單芯供電電纜常用的接地方式，適用于長度小于800 m，中間沒有接頭的電纜（圖3）。

圖3 —端直接接地，一端經(jīng)保護器接地

接地保護器可防止電纜金屬保護層與大地之間形成環(huán)流，不會出現(xiàn)超溫運行，一旦感應(yīng)電動勢超過了保護器的限制范圍，電流將通過保護器泄漏到大地中，實現(xiàn)金屬保護層的過電壓保護，防止電纜護套被擊穿。

（3）電纜中點直接接地，兩端通過保護器接地。該方式適用于大于800 m，小于1 600 m的電纜線路。在電纜中點處將金屬保護層直接接地，電纜兩端通過保護器接地，接地方式如圖4所示。

圖4 中點直接接地，兩端經(jīng)保護器接地

該方式可視為“一端直接接地，另一端通過保護器接地”方式的串聯(lián)，適用于電纜長度為原來2倍的電纜。中間直接接地可以通過2種方式實現(xiàn)：一種直接在中間位置安裝直通電纜中間頭，通過中間頭將金屬保護層引出接地；另一種是在不破壞電纜主絕緣的前提下，直接在電纜中間剝開電纜護套，將金屬保護層引出接地。

（4）中點通過保護器接地，兩端直接接地。該接地方式同樣適用于大于800 m，小于1 600 m的電纜線路，與前一種方式類似，區(qū)別在于保護器安裝位置變?yōu)橹虚g位置，兩端直接接地。接線方式如圖5所示。

在中間加裝絕緣電纜中間頭將金屬保護層引出，分別經(jīng)保護器接地，采用該接地方式時，必須截斷電纜中間位置處的金屬保護層。

圖5 中點經(jīng)保護器接地，兩端直接接地

3 221#饋線供電電纜接地問題整改

3.1 華苑變電所221#饋線供電電纜存在的問題

由圖1（a）可知，在供電桿539#—493#間，由于中點523#桿處使用直通電纜中間頭，造成2段電纜金屬護層導(dǎo)通，539#桿、493#桿處直接接地，形成多點直接接地的情況。同樣，電纜在443#桿—395#桿間，由于中點417#桿處使用直通電纜中間頭，造成2段電纜金屬護層導(dǎo)通，通過395#桿、443#桿處直接接地。可見221-1電纜的接地方式不合理，存在嚴(yán)重的安全隱患，需進行改造。

通過分析圖1（b）可知，221-2電纜與221-1電纜存在相同的問題。

綜上分析，221#饋線供電電纜金屬保護層接地方式存在嚴(yán)重問題，應(yīng)重新制定電纜接地施工方案，改進接地方式，消除事故隱患。

3.2 制定改進方案并實施

依據(jù)華苑變電所221路供電線電纜布置圖、現(xiàn)場調(diào)查資料及現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)制定電纜改造方案。

221#饋線電纜（全長4 000 m）長度超過 2 000 m，因此必須采用分段接地保護的方式。根據(jù)對27.5 kV牽引供電電纜金屬保護層接地方式的研究，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備情況，將電纜分成7段，每段不超過800 m，并采用每段電纜一端直接接地，另一端經(jīng)護層保護器接地方式（對于長度超過 1 000 m的電纜，可加增電纜中間頭）。華苑變電所221#饋線電纜接地改造方案如圖6所示。

3.3 改進效果

依據(jù)改造方案，京滬高鐵華苑牽引變電所221#饋線2條供電電纜改造于2013年1月完成，運行至今已4年多，未發(fā)生任何故障，對電纜進行巡視檢查也未發(fā)現(xiàn)不良狀況，說明改造方案效果良好。

（a）221-1電纜

（b）221-2電纜

圖6 華苑變電所221#饋線電纜接地改造示意圖

4 結(jié)語

為保證牽引供電系統(tǒng)27.5 kV供電電纜的安全，需對供電電纜金屬保護層進行接地處理。為了確保接地效果，應(yīng)根據(jù)電纜長度，采取不同的接地方式：當(dāng)電纜長度小于400 m時，宜采用一端直接接地，一端懸空的接地方式；當(dāng)電纜長度小于 800 m，大于400 m時，宜采用一端直接接地，另一端經(jīng)保護器接地的方式；當(dāng)電纜長度大于800 m，小于1 600 m時，宜采用護層中點直接接地，兩端通過護層保護器接地的方式；當(dāng)電纜長度大于 1 600 m時，宜采用分段保護接地方式，可將電纜分段，每段不超過800 m，中間位置用絕緣中間頭將金屬保護層引出，兩端分別經(jīng)保護器接地，杜絕多點直接接地。在電纜頭制作、接地線直接引出等施工中必須嚴(yán)格按照施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)操作，防止因施工工藝不達標(biāo)造成電纜故障。

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Power supply cable; earthing mode; insulation breakdown; application and improvement

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.020

U223.8+3

B

1007-936X(2017)05-0086-05

張 健.中鐵電氣化鐵路運營管理有限公司，助理工程師。

2017-03-27