牽引供電系統(tǒng)電纜線路常見故障的研判

劉效錦

（國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西忻州 034100）

1 電纜故障劃分

1.1 按電纜材料劃分

可分為導(dǎo)電材料自身原因、非導(dǎo)電絕緣材料自身原因和復(fù)合型原因。

（1）導(dǎo)電材料自身原因，指電纜中金屬導(dǎo)體（包括鋁外皮、鉛、鋼帶、銅、半導(dǎo)體）開路的故障，因?qū)щ姴牧系倪B續(xù)性遭到損壞，形成不完全斷線或完全斷線，其中不完全斷線不易發(fā)現(xiàn)，這類故障或障礙可劃分為：多點(diǎn)或一點(diǎn)斷開、多相或一相斷線等。

（2）非導(dǎo)電絕緣材料自身原因，指金屬導(dǎo)體與金屬導(dǎo)體間和金屬導(dǎo)體與非導(dǎo)電絕緣材料之間的絕緣強(qiáng)度不足，不能承受瞬間高電壓以及瞬間大電流的沖擊而產(chǎn)生的故障，這類故障將造成閃絡(luò)洞穿、接地、短路等表象，這類故障現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生頻率較高，可劃分為兩相或單相接地、三相或兩相短路等。

（3）復(fù)合型原因，指前兩種原因同時(shí)存在，包括斷線與單相接地同時(shí)發(fā)生、斷線與兩相接地同時(shí)發(fā)生、短路與兩相接地同時(shí)發(fā)生等。

1.2 按電纜故障點(diǎn)電阻劃分

本文把故障點(diǎn)稱作為D，依據(jù)D 處絕緣電阻Rd和擊穿間隙Sd的參數(shù)，將D 又可劃分為Rd低阻形態(tài)、Rd高阻形態(tài)、綜合性形態(tài)、Rd無(wú)窮大形態(tài)、閃絡(luò)形態(tài)等5 類。

（1）Rd無(wú)窮大形態(tài)。電纜包括導(dǎo)電材料連續(xù)性遭受損壞引起斷線，同時(shí)D 處的內(nèi)外非導(dǎo)電絕緣材料也遭受程度不同的損壞。采用絕緣搖表測(cè)量D 處的絕緣電阻值Rd為∞（無(wú)窮大），采用直流耐壓測(cè)量時(shí)，會(huì)發(fā)生電氣擊穿，呈現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)是接地與一相或二相斷線并存的表象。

（2）Rd低阻形態(tài)。非導(dǎo)電材料（無(wú)論內(nèi)層主絕緣還是外層絕緣及保護(hù)層）遭到破壞而引發(fā)接地的低阻形態(tài)，采用5000 V 絕緣搖表測(cè)量其絕緣電阻值Rd小于100 Ω。

（3）Rd高阻形態(tài)。非導(dǎo)電材料（無(wú)論內(nèi)層主絕緣還是外層絕緣及保護(hù)層）遭到破壞而引發(fā)接地的低阻形態(tài)。采用5000 V 絕緣搖表測(cè)量其絕緣電阻值Rd大于100 Ω。采用直流高壓脈沖測(cè)量時(shí)，隨即發(fā)生電擊穿。Rd高阻形態(tài)是牽引供電電纜（35 kV 或110 kV 電力電纜）發(fā)生率較高的電纜故障類型，因其單相電纜單獨(dú)敷設(shè)獨(dú)立運(yùn)行，在運(yùn)行中可達(dá)總故障的80%以上。

（4）閃絡(luò)形態(tài)。非導(dǎo)電材料（無(wú)論內(nèi)層主絕緣還是外層絕緣及保護(hù)層）遭到破壞，而產(chǎn)生閃絡(luò)形態(tài)。采用5000 V 絕緣搖表量測(cè)其絕緣電阻值Rd為∞（無(wú)窮大），采用直流耐壓或高壓脈沖測(cè)量時(shí)，隨即發(fā)生電擊穿，同時(shí)是閃絡(luò)性的。

（5）綜合性形態(tài)。在D 處同時(shí)具備兩種及以上形態(tài)即為綜合性形態(tài)。

1.3 按故障誘因劃分

根據(jù)牽引供電運(yùn)行管理規(guī)程，電纜線路每年進(jìn)行春季預(yù)防性試驗(yàn)和運(yùn)行維護(hù)及電纜大修投運(yùn)前的監(jiān)測(cè)，在電纜線路、電纜終端及中間接頭會(huì)發(fā)現(xiàn)不同表象和不同形式的導(dǎo)電體和非導(dǎo)電絕緣體參數(shù)異常等非正常情況，可劃分為瞬時(shí)形態(tài)、擊穿形態(tài)和運(yùn)行形態(tài)3 種。

（1）瞬時(shí)形態(tài)。運(yùn)行中的電纜，無(wú)論是哪種原因引起電纜非導(dǎo)電絕緣瞬時(shí)破壞，造成接地故障跳閘的形態(tài)稱為瞬時(shí)形態(tài)，這類形態(tài)表現(xiàn)方式為：電纜D 處常伴有電纜中間層負(fù)有屏蔽功能的銅皮或鉛包損壞；電纜形態(tài)以兩相斷線并接地或兩相短路接地為表象，現(xiàn)場(chǎng)絕緣搖表測(cè)量其阻值，對(duì)地電阻一般較小，現(xiàn)場(chǎng)打開D 處可清晰看到擊穿電弧產(chǎn)生的碳化點(diǎn)或放電痕跡。瞬時(shí)形態(tài)明顯，運(yùn)維人員可在變電所故標(biāo)設(shè)備顯示的提示后較短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)D 處。

（2）擊穿形態(tài)。每年進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)或運(yùn)行電纜其他高壓監(jiān)測(cè)時(shí)，常會(huì)發(fā)現(xiàn)隱形缺陷或故障，發(fā)生電纜破壞事件。運(yùn)行中的電纜在直流檢驗(yàn)電壓下，其非導(dǎo)電絕緣部分遭到電擊穿而被破壞，其表象是一般D 處的屏蔽層或保護(hù)鋼帶完好無(wú)缺，從外部觀察未發(fā)現(xiàn)明顯的變形或明顯的創(chuàng)傷，打開D 處未發(fā)現(xiàn)非導(dǎo)電絕緣材料表面碳化，而通過儀器可發(fā)現(xiàn)清晰地水樹枝老化結(jié)構(gòu)和碳化孔，對(duì)于電纜擊穿形態(tài)，尤其是一些高阻性形態(tài)隱蔽性極強(qiáng)，測(cè)試參數(shù)具有多樣性復(fù)雜性等特征，很難探索其規(guī)律性，為此能否快速測(cè)試到D 處，標(biāo)距是基礎(chǔ)，測(cè)距是關(guān)鍵。

（3）運(yùn)行形態(tài)。根據(jù)牽引供電運(yùn)行管理相關(guān)規(guī)定，最高工作電壓為29 kV，但在運(yùn)行中經(jīng)常有大于29 kV 的工作電壓出現(xiàn)，故在牽引變電所和接觸網(wǎng)絕緣配合設(shè)計(jì)中采用30 kV 的最大工作電壓，所有供電設(shè)施要求在此電壓下不發(fā)生輕污染閃絡(luò)，在操作過電壓下或雷電壓情況下不發(fā)生濕閃，并具備雷沖擊一定裕度絕緣能力。在接觸網(wǎng)供電運(yùn)行中，電纜線路伴隨著雷擊、污閃、濕閃等情況而因此受到影響。朔黃鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)在高電壓大電流運(yùn)行條件下，電纜因運(yùn)行年久、自然老化、絕緣下降等自身隱形缺陷等原因，可能發(fā)生電纜擊穿或單相接地形態(tài)等運(yùn)行故障。

2 牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行中電纜幾種故障研判

2.1 物理性損傷

電纜本體遭受機(jī)械性外力破壞，絕大部分故障屬于此類情況。

（1）工程設(shè)計(jì)方面。電纜敷設(shè)路徑的特殊路段設(shè)計(jì)時(shí)未采取特殊處理方案，一旦發(fā)生地基負(fù)重或變形即可能產(chǎn)生下沉現(xiàn)象，直接損壞電纜；在轉(zhuǎn)彎處折斷電纜或造成電纜中間接頭內(nèi)部絕緣降低而發(fā)生擊穿；機(jī)械碰撞損壞電纜。

（2）工程建設(shè)方面。接觸網(wǎng)及變電所工程管理不嚴(yán)、標(biāo)準(zhǔn)不高等造成單相工程質(zhì)量低下。

（3）電纜施工方面。電纜裕度不足、終端及中間頭工藝粗糙、敷設(shè)電纜強(qiáng)拉硬拽等為電纜線路日后運(yùn)行埋下安全隱患。

（4）自然因素方面。電纜徑路上地形變化或地震等地質(zhì)災(zāi)害，會(huì)造成電纜承受機(jī)械拉力導(dǎo)致電纜被拉斷；氣溫太低或太高也可能引發(fā)電纜附件變形損傷絕緣。

（5）運(yùn)行方面。牽引供電系統(tǒng)電纜自身重力引起固定構(gòu)件或懸掛支撐長(zhǎng)期疲勞變形，引發(fā)電纜接頭拉伸故障；電纜長(zhǎng)時(shí)間在高低電壓大小電流間反復(fù)運(yùn)行，電纜內(nèi)積存的電荷在瞬間疊加，極易產(chǎn)生大于工作電壓的情況，電纜大負(fù)荷長(zhǎng)期運(yùn)行老化嚴(yán)重，導(dǎo)致故障發(fā)生。

2.2 化學(xué)性損傷

（1）熱化學(xué)反應(yīng)對(duì)電纜的損傷也是引起電纜故障的誘因之一。電纜運(yùn)行溫度超過電纜非導(dǎo)電絕緣材料的允許溫度時(shí)，將引起氧化分解化學(xué)反應(yīng)，其生成物的電離作用促使電纜的絕緣和耐壓性能同步下降。

（2）按照電力施工相關(guān)規(guī)定，電纜在沿墻（桿）上下、穿越建筑物等需穿管敷設(shè)，當(dāng)管徑小于規(guī)定將導(dǎo)致電纜運(yùn)行在最大負(fù)荷下產(chǎn)生的熱量不可能短時(shí)散去，長(zhǎng)期過熱將誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生如上所說的后果。

（3）電纜長(zhǎng)時(shí)間近滿載運(yùn)行，例如朔黃鐵路變電所電纜長(zhǎng)期承載幾千安負(fù)荷，電纜長(zhǎng)期處于高溫，使得電纜非導(dǎo)電絕緣材料加劇老化，尤其是中間頭和終端頭等特殊所處，如制作工藝不良或中間頭和終端頭套件不良，絕緣水平降低直至被高電壓擊穿甚至爆炸。

（4）運(yùn)行環(huán)境惡劣，導(dǎo)致電纜老化嚴(yán)重，電纜壽命縮短。

（5）電纜長(zhǎng)期處于潮濕（包括泡在液體）環(huán)境，內(nèi)外層非導(dǎo)電絕緣材料會(huì)遭到水成分的侵蝕，絕緣水平降低直至被高電壓擊穿。

（6）電纜長(zhǎng)期處于腐蝕性（包括各類油脂）土壤中，內(nèi)外層非導(dǎo)電絕緣材料會(huì)遭到腐蝕性物質(zhì)的侵蝕，絕緣水平降低直至被高電壓擊穿。

2.3 其他原因

（1）電纜本體質(zhì)量缺陷，存在安全隱患，導(dǎo)致不定時(shí)發(fā)生問題。

（2）電纜附件質(zhì)量問題。附件包括中間頭和終端材料，采用的絕緣材料參數(shù)不符合國(guó)標(biāo)規(guī)定要求，容易引發(fā)密封性問題，導(dǎo)致中間頭和終端進(jìn)入潮氣，電纜絕緣性能降低，引發(fā)電纜故障。

（3）電纜線芯接頭質(zhì)量問題。生產(chǎn)廠家接頭工藝不達(dá)標(biāo)，施工方未按照設(shè)計(jì)進(jìn)行敷設(shè)，或施工野蠻將線芯拉傷，或線芯正好敷設(shè)在轉(zhuǎn)彎場(chǎng)所，受力不勻，傷及線芯導(dǎo)致電纜電阻增大，運(yùn)行中溫升加速，直至燒損電纜。

（4）電纜運(yùn)行年久，不能滿足日益增長(zhǎng)運(yùn)行的需求。比如朔黃鐵路建設(shè)之初年運(yùn)量設(shè)計(jì)5000 萬(wàn)噸，當(dāng)前年運(yùn)量達(dá)到25 000 萬(wàn)噸，車流密度小、每列車運(yùn)量達(dá)到2 萬(wàn)t、供電電纜承載著巨大的電流。電纜接近滿負(fù)荷運(yùn)行，一旦發(fā)生超負(fù)荷運(yùn)行情況，即可能引起電纜故障，直接影響運(yùn)輸安全。

3 一起電纜故障的發(fā)現(xiàn)、分析和處置

2021 年5 月4 日12：47，朔黃鐵路小覺變電所值班員巡視發(fā)現(xiàn)27.5 kV 高壓室有燒焦味，經(jīng)確認(rèn)是202 GIS 柜后下柜冒煙，202T 相02 號(hào)高壓電纜與鎧接地處燒損（圖1）。

圖1 高壓電纜與鎧接地處燒損

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置：①將電纜燒損部分的碳化物進(jìn)行清理，保證表面無(wú)粉塵及碳化物；②用10 kV電壓等級(jí)絕緣自粘帶對(duì)電纜燒損部分和相關(guān)部分進(jìn)行包扎；③對(duì)高壓電纜、鋼鎧接地、屏蔽接地、護(hù)層保護(hù)器進(jìn)行絕緣電阻試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格；④對(duì)高壓電纜采用2 倍額定電壓進(jìn)行直流泄漏試驗(yàn)，電纜本體無(wú)放電、閃絡(luò)、異音現(xiàn)象，試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格。

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)小覺變電所牽引GIS 柜內(nèi)電纜屏蔽接地、鎧接地之前應(yīng)急處置全部采用220 V 普通絕緣膠帶包扎，且包扎工藝不良，接線地線與抱箍螺栓、柜內(nèi)外殼搭接（圖2）。

圖2 地線與抱箍螺栓、柜內(nèi)外殼搭接

電纜故障原因：①電纜接地工藝不良；②電纜接地絕緣破損、絕緣強(qiáng)度不夠，致使接地線過熱；③27.5 kV 電纜為單芯電纜，在屏蔽接地會(huì)存在一定感應(yīng)電壓，當(dāng)列車通過或負(fù)載增大時(shí)，銅絲屏蔽的感應(yīng)電壓瞬間升高，導(dǎo)致電纜絕緣層燒損。

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)急處置：①在電纜地線處增加絕緣強(qiáng)度；②拆除既有普通絕緣膠帶，用1 kV 絕緣自粘帶半疊包兩層，再用PVC 膠粘帶纏繞一圈作保護(hù)層，最后用1 kV 阻燃熱縮管進(jìn)行熱縮處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

牽引供電系統(tǒng)在電氣化鐵路中尤為重要，一旦發(fā)生故障，將中斷電力機(jī)車的供電，直接影響鐵路正常的運(yùn)輸秩序，為此在電纜線路發(fā)生故障時(shí)，迅速找到故障點(diǎn)，快速查明故障原因，盡快恢復(fù)供電，最大限度地保障安全可靠不間斷供電，為鐵路運(yùn)輸安全暢通提供技術(shù)支撐。