27.5 kV電纜終端護(hù)層保護(hù)器引線燒損故障原因分析

祁建山 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司徐州供電段

近年來(lái)，隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展及建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提高，電力電纜在牽引供電系統(tǒng)27.5 kV 饋出供電線中被廣泛應(yīng)用，主要承擔(dān)著牽引變電所、AT 所、分區(qū)所、開(kāi)閉所與接觸網(wǎng)之間電能傳輸?shù)娜蝿?wù)。當(dāng)饋線電纜運(yùn)行時(shí)線芯通過(guò)交變電流，在金屬護(hù)層上產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，并在其影響下金屬護(hù)層兩端出現(xiàn)感應(yīng)電勢(shì)。感應(yīng)電壓的大小與電纜長(zhǎng)度、電纜線芯載流量、電纜排列及接地方式等因素有直接的關(guān)系。當(dāng)電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)、電流較大時(shí)，金屬護(hù)層產(chǎn)生的感應(yīng)電壓也會(huì)增大，在電纜接地方式設(shè)置不合理的情況下，甚至?xí)斐山饘僮o(hù)層絕緣擊穿，危及電纜設(shè)備安全，嚴(yán)重影響鐵路系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

因此，有必要針對(duì)不同長(zhǎng)度、不同載流量的饋線電纜，選擇適合的金屬護(hù)層接地方式來(lái)降低護(hù)層感應(yīng)電壓。下面對(duì)一起開(kāi)閉所27.5 kV 饋線電纜終端金屬護(hù)層燒損案例進(jìn)行研究分析，得出電纜接地異常引發(fā)懸浮電壓高頻放電，從而導(dǎo)致金屬護(hù)層引線燒損，用以防范類似缺陷或事故發(fā)生。

1 電纜燒損概況

1.1 事故過(guò)程

某開(kāi)閉所饋線GIS 柜內(nèi)出電纜金屬護(hù)層引線燒損現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)人員檢查，該饋線GIS柜下端連接兩根電纜，其中一根電纜的金屬屏蔽層和鎧裝層的接地引出線均受到不同程度的燒損，燒損位置長(zhǎng)度約10 cm，具體現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1所示。

圖1 電纜金屬護(hù)層引線燒損故障現(xiàn)場(chǎng)

進(jìn)一步調(diào)查核實(shí)，在送電前施工作業(yè)點(diǎn)內(nèi)，作業(yè)人員針對(duì)饋線電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)引起護(hù)層感應(yīng)電壓較大的問(wèn)題，進(jìn)行了電纜護(hù)層接地方式改造。根據(jù)GB50217—2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定：交流單芯電纜金屬護(hù)層的非直接接地點(diǎn)的感應(yīng)電壓應(yīng)低于50 V，而電纜護(hù)層既有的接地方式為接觸網(wǎng)側(cè)一端直接接地，開(kāi)閉所側(cè)一端通過(guò)護(hù)層保護(hù)器接地，且電纜長(zhǎng)度匹配的護(hù)層接地方式不合理，計(jì)劃在電纜中間位置將金屬護(hù)層剝開(kāi)直接接地，兩端分別通過(guò)護(hù)層保護(hù)器接地。該開(kāi)閉所饋出共計(jì)5 路，其中饋出3 路的六根供電線電纜平行敷設(shè)排列，如圖2 所示。當(dāng)其中一根電纜中間位置做好接地后，由于施工人員校線錯(cuò)誤，導(dǎo)致未設(shè)中間接地點(diǎn)的饋線電纜兩端同時(shí)裝設(shè)護(hù)層保護(hù)器接地。

圖2 電纜敷設(shè)方式

1.2 電纜參數(shù)

六根T 線電纜采用埋地方式平行敷設(shè)，軸間距離為0.15 m，長(zhǎng)度約800 m，起于開(kāi)閉所GIS 柜，止于接觸網(wǎng)電纜終端塔。饋線電纜為電氣化鐵路專用的單芯銅導(dǎo)體、單相交流、阻燃、鋁材質(zhì)鎧裝交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜, 型號(hào)為YJY73-27.5 kV 1×300 mm2，具體的電纜材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 27.5 kV電纜技術(shù)參數(shù)

2 感應(yīng)電壓的理論計(jì)算

2.1 穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)

根據(jù)電磁感應(yīng)相關(guān)理論計(jì)算電纜金屬護(hù)層的感應(yīng)電壓，由于工程實(shí)際應(yīng)用中不需要考慮電壓矢量值，只需要計(jì)算護(hù)層感應(yīng)電壓的幅值，因此可以簡(jiǎn)化計(jì)算方法，具體計(jì)算過(guò)程如下：

圖3為開(kāi)閉所饋出的六根單芯電纜以平行方式敷設(shè)的排列等效圖。圖中，電纜規(guī)格和軸間距離相同，T1 表示饋線的故障電纜，線芯導(dǎo)體半徑為r，與其他五根電纜的軸間距離依次為D1，D2，D3，D4，D5，每根電纜流過(guò)的線芯電流分別為I1，I2，I3，I4，I5，I6，則T1 電纜單位長(zhǎng)度金屬護(hù)層的感應(yīng)電壓為：

圖3 電纜排列等效圖

式中，R表示電纜金屬護(hù)層的平均幾何半徑。假設(shè)六根單芯電纜流過(guò)的電流大小方向相同為100 A，將表1的電纜參數(shù)代入到式（1）中，可以得出，T1電纜開(kāi)閉所一端金屬護(hù)層的感應(yīng)電壓為：

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，當(dāng)饋線電纜線芯電流均為100 A 時(shí)，T1 電纜非直接接地一端的金屬護(hù)層感應(yīng)電壓為71.44 V，高于現(xiàn)行的規(guī)范要求，因此需要通過(guò)改變接地方式來(lái)降低電纜的護(hù)層感應(yīng)電壓。

2.2 故障運(yùn)行狀態(tài)

當(dāng)饋線電纜兩端同時(shí)通過(guò)護(hù)層保護(hù)器接地時(shí)，相當(dāng)于金屬護(hù)層兩端未設(shè)接地點(diǎn)，呈懸空狀態(tài)，此時(shí)電纜電流引起的感應(yīng)電壓相對(duì)于懸浮電壓影響較小，這里不再考慮。

圖4 所示為單芯電纜的電容等效模型圖，可以看作是兩級(jí)電容的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。其中，CCS 和CSE 分別表示金屬護(hù)層與線芯導(dǎo)體之間等效電容、金屬護(hù)層與地之間等效電容，當(dāng)護(hù)層產(chǎn)生懸浮電位時(shí)，根據(jù)基爾霍夫電壓電流定律有：

圖4 電纜電容等效模型圖

聯(lián)立式（3）和式（4）可得，金屬護(hù)層的對(duì)地電壓為：

查閱相關(guān)電纜技術(shù)手冊(cè),得到：

可見(jiàn)，當(dāng)電纜護(hù)層可靠接地消失時(shí)，金屬護(hù)層上產(chǎn)生很高的懸浮電位，電壓幅值已經(jīng)超過(guò)電纜護(hù)層接地引出線的絕緣耐受水平，且低于護(hù)層保護(hù)器的起始動(dòng)作電壓7.5 kV，導(dǎo)致高懸浮電位在電纜護(hù)層引出線的絕緣薄弱處持續(xù)放電，產(chǎn)生高熱量不斷燒損電纜終端護(hù)套。

3 仿真分析

本文基于表1 的電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)，在電磁暫態(tài)分析軟件PSCAD/EMTDC 中搭建單芯電力電纜仿真模型，主要采用軟件中Frequency Dependent (phase) Model Option 模型，參數(shù)設(shè)置如圖5所示，饋線電纜仿真模型如圖6所示。

圖5 電纜等效模型參數(shù)

圖6 饋線電纜仿真模型

當(dāng)電纜處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，線芯流通電流為100 A 時(shí)，設(shè)置仿真步長(zhǎng)為5 us，電纜線芯電流和金屬護(hù)層感應(yīng)電壓的波形如圖7、圖8所示。

圖7 電纜線芯電流

圖8 電纜金屬護(hù)層感應(yīng)電壓

由圖8 可以看出，金屬護(hù)層感應(yīng)電壓的峰值為105 V，有效值為74.3 V，與理論計(jì)算值基本一致，驗(yàn)證了電纜數(shù)據(jù)模型的正確性與準(zhǔn)確性。

當(dāng)電纜處于故障運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，即圖6中C1電纜兩端的屏蔽層和鎧裝層均通過(guò)護(hù)層保護(hù)器接地，如圖9所示。

圖9 饋線電纜故障仿真模型

圖10 表示電纜在未設(shè)接地點(diǎn)的情況下金屬護(hù)層產(chǎn)生的懸浮電壓波形，從中可以看出，懸浮電壓的最大峰值為5.4 kV，有效值為3.8 kV，與理論公式計(jì)算的結(jié)果相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了電纜模型建立的有效性，也說(shuō)明了電纜燒損的直接原因。

圖10 電纜金屬護(hù)層懸浮電壓

4 防范措施

針對(duì)上述分析的饋線電纜終端燒損原因，有必要采取相關(guān)措施來(lái)提高電纜在牽引供電系統(tǒng)中的運(yùn)營(yíng)維護(hù)和管理水平，以保障電纜安全可靠地運(yùn)行。

4.1 提高電纜頭的制作工藝

制作電纜終端頭必須由經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)且具備資質(zhì)證書(shū)的技術(shù)人員擔(dān)當(dāng)，嚴(yán)格控制電纜頭制作的工藝要求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，在焊接過(guò)程中，應(yīng)盡量減小屏蔽層和鎧裝層接地引出線的焊接頭電阻。電纜頭制作完成后應(yīng)按照試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行電纜絕緣電阻測(cè)試和耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)不合格的電纜嚴(yán)禁投入運(yùn)行。

4.2 確保電纜護(hù)層接地完好

根據(jù)單芯電纜在實(shí)際工程中的長(zhǎng)度、載流量的變化和敷設(shè)方式等因素，在確保金屬護(hù)層兩端至少有一個(gè)接地點(diǎn)的前提下，采用適合的金屬護(hù)層接地方式。電纜的屏蔽層和鎧裝層應(yīng)分別鏈接護(hù)層保護(hù)器接地，選取護(hù)層保護(hù)器時(shí)要考慮電纜外護(hù)層的絕緣耐受水平，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)確保性能良好后再安裝使用。

4.3 加強(qiáng)巡視檢查工作

供電設(shè)備管理單位應(yīng)安排運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員針對(duì)運(yùn)行中的饋線電纜定期進(jìn)行一次巡視檢查，主要檢查電纜終端頭的套管有無(wú)開(kāi)裂、臟污及閃絡(luò)痕跡，接地引出線是否完好，連接處是否緊固可靠，中間接頭有無(wú)變形、溫度是否超過(guò)允許值等。同時(shí)，針對(duì)牽引變電所的饋線電纜每年進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，確保重要所亭電纜的穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)一起27.5 kV 饋線電纜終端金屬護(hù)層引線燒損的故障案例，采用理論計(jì)算與PSCAD/EMTDC 仿真相結(jié)合的方法，對(duì)電纜穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)和接地異常狀態(tài)的金屬護(hù)層感應(yīng)電壓進(jìn)行了深層次的分析比較，并得出電纜金屬護(hù)層引線燒損故障的根本原因。即在電纜接地方式改造過(guò)程中，由于人為失誤導(dǎo)致饋線電纜兩端懸空，金屬護(hù)層的高懸浮電位在接地引出線的絕緣薄弱處持續(xù)放電，最終造成電纜終端護(hù)層燒損?？梢?jiàn)，運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員仍需在事故中不斷吸取教訓(xùn)，在實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)強(qiáng)化施工質(zhì)量控制和完善維護(hù)管理措施，確保饋線電纜在牽引供電系統(tǒng)中安全可靠地供電。