基于感應(yīng)電壓觸電事件分析的35kV單芯電纜護(hù)層接地方式研究

朱麗嬌 程晉然 尹興堅(jiān)

基于感應(yīng)電壓觸電事件分析的35kV單芯電纜護(hù)層接地方式研究

朱麗嬌 程晉然 尹興堅(jiān)

（昆明地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，昆明 650000）

基于感應(yīng)電壓觸電事件分析，根據(jù)35kV單芯電纜護(hù)層接地方式的選擇原則及護(hù)層感應(yīng)電壓的計(jì)算，給出地鐵供電系統(tǒng)中35kV單芯電纜護(hù)層的合理接地方式，以降低系統(tǒng)故障率，優(yōu)化設(shè)備管理與運(yùn)行。

地鐵供電系統(tǒng)；35kV單芯電纜；感應(yīng)電壓；護(hù)層接地方式

0 引言

城市軌道交通供電系統(tǒng)普遍采用集中式供電方式，供電系統(tǒng)采用110kV/35kV兩級(jí)電壓供電，由35kV中壓環(huán)網(wǎng)同時(shí)向牽引供電系統(tǒng)、動(dòng)力照明系統(tǒng)供電。綜合考慮電纜敷設(shè)環(huán)境因素，35kV中壓環(huán)網(wǎng)電纜一般采用交聯(lián)聚乙烯絕緣鋼帶鎧裝防水無(wú)鹵低煙B類(lèi)及以上阻燃電力電纜，地下段電纜要求具備防水、防鼠、防蟻、阻燃等性能，高架段/地面段電纜同時(shí)要求具備防紫外線老化性能。

35kV中壓環(huán)網(wǎng)電纜沿地鐵線路敷設(shè)，考慮單根長(zhǎng)度、敷設(shè)環(huán)節(jié)和電纜頭制作等因素，通常采用單芯電纜。由于施工工藝及電纜頭制造工藝缺陷等問(wèn)題，運(yùn)營(yíng)線路中壓環(huán)網(wǎng)電纜多發(fā)局部放電、絕緣燒傷等事件。

1 35kV單芯電纜特性

1.1 單芯電纜結(jié)構(gòu)

某城市地鐵線路35kV環(huán)網(wǎng)電纜采用單芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜，導(dǎo)體截面積為240mm2，單芯電纜結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 單芯電纜結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 單芯電纜電氣特性

1）分布電容

分布電容是由非電容形態(tài)形成的一種分布參數(shù)，由兩個(gè)存在壓差又相互絕緣的導(dǎo)體構(gòu)成。帶電電纜的分布電容存在于電纜導(dǎo)體線芯和鎧裝之間，其大小取決于電纜的幾何尺寸、長(zhǎng)度和絕緣材料。正常運(yùn)行時(shí)，電纜護(hù)層接地良好的情況下，電容均勻分布，運(yùn)行電纜電容電流的分布受金屬護(hù)層接地方式影響[1]。

結(jié)合電容器極板的電量與電壓關(guān)系式=，以D時(shí)間內(nèi)電荷變化為D計(jì)算電路中的容性電流為C=D/D=?D/D。由于正弦交流電壓作周期變化，電纜運(yùn)行時(shí)的電容電流與電壓變化率D/D成正比。

2）感應(yīng)電壓

當(dāng)交流電流通過(guò)35kV單芯電纜線芯導(dǎo)體時(shí)，由于磁力線與電纜金屬屏蔽層相交鏈而產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的大小與電纜長(zhǎng)度和交流電流大小成正比。金屬屏蔽層產(chǎn)生的感應(yīng)電壓同時(shí)受外界磁場(chǎng)影響，磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，感應(yīng)電壓越大。若電纜金屬護(hù)套兩端接地，則會(huì)形成環(huán)流[2-3]。

1.3 單芯電纜接地方式規(guī)范要求

根據(jù)GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》4.1.11條款規(guī)定，電纜屏蔽層的最大感應(yīng)電壓在任何位置都要小于50V，同時(shí)產(chǎn)生的環(huán)流不能損壞電纜[4-7]。

根據(jù)GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》4.1.12條款規(guī)定，高壓?jiǎn)涡倦娎|的接地方式一般有以下幾種：

1）線路不長(zhǎng)且屏蔽層感應(yīng)電壓滿足規(guī)范要求的電纜，在線路一端或中部采用單點(diǎn)直接接地、其他側(cè)經(jīng)保護(hù)器接地的方式。

2）線路較長(zhǎng)，單點(diǎn)直接接地方式屏蔽層感應(yīng)電壓無(wú)法滿足規(guī)范要求時(shí)，水下電纜、35kV及以下電纜或輸送容量較小的35kV及以上電纜，可采取在線路兩端直接接地。

3）除上述情況外的長(zhǎng)線路，將其劃分為若干單元，在每個(gè)單元內(nèi)將電纜分為等距的3個(gè)區(qū)段，每區(qū)段間設(shè)置絕緣接頭或?qū)嵤╇娎|金屬層的絕緣分隔, 以交叉互聯(lián)接地。

2 某地鐵35kV環(huán)網(wǎng)電纜測(cè)試觸電事件調(diào)查分析

2.1 事件背景

某地鐵運(yùn)營(yíng)線路多發(fā)35kV環(huán)網(wǎng)電纜中間頭接地短路事件，初步判定電纜中間頭擊穿原因與環(huán)網(wǎng)電纜屏蔽及鎧裝的電氣特性有關(guān)。為進(jìn)一步探究電纜屏蔽層和鎧裝層接地方式對(duì)電纜運(yùn)行的影響，查找35kV環(huán)網(wǎng)電纜中間頭擊穿故障多發(fā)的原因，技術(shù)人員在某地鐵站變電所組織開(kāi)展35kV環(huán)網(wǎng)電纜感應(yīng)電壓及環(huán)流測(cè)量工作。

作業(yè)人員解開(kāi)開(kāi)關(guān)柜側(cè)護(hù)套接地點(diǎn)連接線后，在測(cè)試過(guò)程中發(fā)生35kV電纜護(hù)層感應(yīng)電壓觸電事件。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析情況

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、維保記錄、運(yùn)行環(huán)境等因素進(jìn)行事件調(diào)查，具體如下：

1）35kV高壓開(kāi)關(guān)柜室溫度在25～26℃，濕度為62%～70%RH，滿足電氣設(shè)備運(yùn)行溫、濕度環(huán)境條件。

2）測(cè)試線路及35kV開(kāi)關(guān)柜均按周期開(kāi)展運(yùn)維巡視檢查等作業(yè)，各項(xiàng)指標(biāo)均無(wú)異常。

3）測(cè)試線路35kV電纜護(hù)層在設(shè)計(jì)及建設(shè)階段采用兩端直接接地的方式。35kV環(huán)網(wǎng)電纜電氣參數(shù)見(jiàn)表1，表1中0為電纜設(shè)計(jì)用的導(dǎo)體對(duì)地或金屬屏蔽之間的額定工頻電壓有效值。

表1 35kV環(huán)網(wǎng)電纜電氣參數(shù)

測(cè)試線路單芯電纜采用鋁金屬護(hù)套、聚氯乙烯（polyvinyl chloride, PVC）外護(hù)套，A、B、C三相的三根電纜呈等邊三角形分布（三相品字型）敷設(shè)，敷設(shè)在空氣中，金屬護(hù)套兩端接地，測(cè)試線路敷設(shè)示意圖如圖2所示。

圖2 測(cè)試線路敷設(shè)示意圖

測(cè)試線路長(zhǎng)度約2.05km，共計(jì)2個(gè)電纜中間頭（將電纜分割為三段，每段長(zhǎng)度約為627m、820m、599m），在電纜中間頭位置設(shè)置接續(xù)線將金屬層貫通連接，測(cè)試線路中間頭分布示意圖如圖3所示。

圖3 測(cè)試線路中間頭分布示意圖

2.3 基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的推斷

1）35kV電纜容性電流理論值計(jì)算

電纜線芯和金屬護(hù)層間的電容特性導(dǎo)致屏蔽層和大地組成的閉合回路中產(chǎn)生電容電流，35kV電纜單位長(zhǎng)度的容抗（結(jié)合電纜技術(shù)規(guī)格參數(shù)，單位電容=0.196mF/km）為

35kV電纜單位長(zhǎng)度的電容電流為

式中，P為相電壓。

2）35kV電纜金屬護(hù)層感應(yīng)電勢(shì)理論值計(jì)算

根據(jù)GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄F的規(guī)定[4]，交流系統(tǒng)中單芯電纜線路一回或兩回的各相在通常配置排列情況下，電纜金屬層上任一點(diǎn)非直接接地處的正常感應(yīng)電勢(shì)為

式中：s為感應(yīng)電勢(shì)（V）；為電纜金屬層的電氣通路上任一部位與其直接接地處的距離（km）；so為單位長(zhǎng)度的正常感應(yīng)電勢(shì)（V/km）。

測(cè)試線路A、B、C三相的三根單芯電纜呈等邊三角形分布，其so為

式中：為電纜導(dǎo)體正常工作電流（A）；s為電纜單位長(zhǎng)度電抗（W/km）；為電纜中心距（m）；為電纜金屬層的平均半徑（m）?；芈冯娎|情況下，假定每回電纜的、分別相等，測(cè)試線路參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 測(cè)試線路參數(shù)

代入線路參數(shù)及停運(yùn)后的線路工作電流，計(jì)算測(cè)試線路A、B、C相的單位長(zhǎng)度感應(yīng)電勢(shì)，即

3）35kV電纜護(hù)層續(xù)接導(dǎo)通性測(cè)試

測(cè)試人員觸電事件發(fā)生后，采用外加電源及測(cè)試儀器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)35kV電纜護(hù)層接地導(dǎo)通性測(cè)試。外加電源對(duì)屏蔽或鎧裝與地之間輸出直流電流，測(cè)量回路電壓，若無(wú)法建立電流則表明電纜護(hù)層的接地回路不通。測(cè)試情況記錄見(jiàn)表3。

表3 測(cè)試情況記錄

測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)試線路A、B、C三相電纜鎧裝已呈斷路狀態(tài)，B、C相屏蔽呈斷路狀態(tài)。

2.4 事件還原與原因分析

基于上述技術(shù)理論及測(cè)試分析，推斷測(cè)試人員觸電原因及過(guò)程如下：

1）作業(yè)人員懸掛輔助接地線后，拆除測(cè)試線路開(kāi)關(guān)柜側(cè)電纜鎧裝及屏蔽接地線。

2）測(cè)試電纜距測(cè)試地點(diǎn)1.42km處中間頭屏蔽層電氣連接失效，在拖拽屏蔽層引出線纜過(guò)程中，施工輔助接地線固定不可靠，該纜線與地線分離，呈電氣懸浮狀態(tài)，因電纜分布電容造成該纜線感應(yīng)電壓激增。

3）由于本側(cè)電纜屏蔽與對(duì)端電纜屏蔽接地回路不導(dǎo)通或通路電阻過(guò)大，線芯屏蔽和金屬護(hù)套的電容電流沒(méi)有流入大地的回路。

4）測(cè)試人員單手握住屏蔽線拖拽過(guò)程中，身體其余部位與開(kāi)關(guān)柜體（接地）接觸，感應(yīng)電經(jīng)測(cè)試人員拖拽電纜的手進(jìn)入身體，經(jīng)與柜體接觸的身體部位形成回路，造成人員觸電。

3 城市軌道交通35kV環(huán)網(wǎng)電纜接地方式

城市軌道交通35kV環(huán)網(wǎng)電纜接地普遍采用單端直接接地方式、兩端直接接地方式。由于地下隧道空間有限，且交叉互聯(lián)接線復(fù)雜、不易實(shí)施，一般不采用交叉互聯(lián)兩端接地方式[8]。

35kV環(huán)網(wǎng)電纜采用單端接地方式時(shí)，電纜金屬護(hù)層中無(wú)環(huán)流。若系統(tǒng)短路電流流經(jīng)線芯，則非接地端將產(chǎn)生感應(yīng)電壓。當(dāng)電纜外護(hù)層絕緣損壞時(shí)，電纜護(hù)層出現(xiàn)多點(diǎn)接地，將產(chǎn)生環(huán)流。為避免不接地端因雷電波或過(guò)電壓波在線芯內(nèi)流動(dòng)而產(chǎn)生的沖擊電壓損壞電纜外護(hù)層，通常在另一端設(shè)置護(hù)層電壓限制器，以限制多點(diǎn)接地產(chǎn)生的過(guò)電壓。

35kV環(huán)網(wǎng)電纜兩端金屬護(hù)層直接接地方式無(wú)需設(shè)置護(hù)層電壓限制器，投資小且供電距離相對(duì)較長(zhǎng)，但由于電纜中部感應(yīng)電壓大、環(huán)流較高，會(huì)增大損耗并降低電纜載流量，加速電纜絕緣老化，降低電纜壽命。

高架段線路敷設(shè)的35kV環(huán)網(wǎng)電纜多發(fā)電纜中間頭絕緣擊穿事件，結(jié)合運(yùn)營(yíng)線路設(shè)施設(shè)備維修保養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，初步判斷其原因?yàn)椋菏茈娎|外護(hù)套材質(zhì)及工藝等因素影響，環(huán)網(wǎng)電纜在戶外環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行易引起外護(hù)套收縮，造成電纜中間頭屏蔽層電氣連接異常拉伸后在其內(nèi)部形成斷點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)感應(yīng)電壓觸電事件的分析，結(jié)合既有運(yùn)營(yíng)線路中壓環(huán)網(wǎng)電纜故障情況，初步確定中壓環(huán)網(wǎng)電纜接地方式選擇方案如下：

1）高架段/露天段敷設(shè)的環(huán)網(wǎng)電纜受陽(yáng)光及氣候因素影響較大，電纜容易變形，建議優(yōu)先采用雙端接地方式。

2）地下段敷設(shè)的環(huán)網(wǎng)電纜由于受日光照射較少，可采用單端接地方式。

4 結(jié)論

城市軌道交通供電系統(tǒng)晝夜工況差異較大，35kV中壓環(huán)網(wǎng)電纜應(yīng)結(jié)合電纜選型、負(fù)荷電流、線纜長(zhǎng)度校驗(yàn)感應(yīng)電壓，綜合考慮電纜接地方式的經(jīng)濟(jì)性及合理性。

針對(duì)運(yùn)行中的環(huán)網(wǎng)電纜，維護(hù)單位應(yīng)加強(qiáng)電纜護(hù)套環(huán)流監(jiān)測(cè)，同時(shí)定期進(jìn)行電纜測(cè)溫及屏蔽層絕緣測(cè)量，并將接地箱檢查納入日常巡檢工作。

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Research on the grounding method of 35kV single core cable sheath in subway based on the analysis of induced voltage electric shock events

ZHU Lijiao CHENG Jinran YIN Xingjian

(Kunming Metro Operation Co., Ltd, Kunming 650000)

Based on the analysis of induced voltage electric shock events, and based on the selection principles of the grounding method for 35kV single core cables sheath and the calculation of the sheath induced potential, a reasonable grounding method for the 35kV single core cable sheath in the subway power supply system is proposed to reduce system failure rate and optimize equipment management and operation.

metro power supply system; 35kV single core cable; induced voltage; grounding method of sheath

2023-09-04

2023-10-07

朱麗嬌（1991—），女，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)槌鞘熊壍澜煌ü╇娤到y(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化與維修策略。