萬(wàn) 勇，譚炳富，郭遠(yuǎn)哲

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東廣州 510000）

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直流高壓電纜擊穿故障分析及防范措施

萬(wàn) 勇，譚炳富，郭遠(yuǎn)哲

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東廣州 510000）

摘 要：直流電纜作為直流輸電系統(tǒng)中的主要載流部件，其運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系著地鐵牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以廣州地鐵 6號(hào)線高架段直流 1500V 高壓電纜擊穿故障為例，分別從電纜運(yùn)行工況、故障原因探究、預(yù)防措施制定等方面展開(kāi)論述，并簡(jiǎn)述電纜故障測(cè)試儀、超聲波檢測(cè)儀在地鐵的應(yīng)用，為同類型的地鐵 1500V 直流電力電纜的安全運(yùn)行提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵供電；直流電纜；擊穿故障；故障分析；措施

廣州地鐵 6號(hào)線首期工程于 2013 年12月28日正式開(kāi)通試運(yùn)營(yíng)，是廣州地鐵第 1 條同時(shí)擁有柔性、剛性、第三軌 3 種供電方式的線路。開(kāi)通運(yùn)營(yíng) 2 年多來(lái)，廣州地鐵 6號(hào)線接觸網(wǎng)發(fā)生了 2 起直流 1500V 電纜故障，所幸故障均未影響運(yùn)營(yíng)。運(yùn)行穩(wěn)定、狀態(tài)良好的供電系統(tǒng)是地鐵可以正常運(yùn)行的前提條件，高壓直流電纜運(yùn)行狀況直接影響著軌道交通供電安全，而絕緣不良造成電纜放電、擊穿是電纜最主要的故障，因此，保障電纜運(yùn)行狀態(tài)良好是維持軌道交通電力系統(tǒng)穩(wěn)定、安全的關(guān)鍵一環(huán)。本文從 1 例典型的電纜故障入手，探索預(yù)防電纜故障的一些具體措施。

1　故障情況

2015年10月6日晚 0 : 53，廣州地鐵 6號(hào)線沙貝—河沙上行（公里標(biāo) YDK3+000）Y避正32避雷器高壓側(cè)電纜放電擊穿，引起潯峰崗 214、河沙 212 開(kāi)關(guān)瞬時(shí)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作跳閘，6B2 區(qū)短時(shí)失電后自動(dòng)重合閘成功（圖 1），事發(fā)時(shí)故障區(qū)段無(wú)列車開(kāi)行，事發(fā)后立即組織接觸網(wǎng)專業(yè)人員檢查，現(xiàn)場(chǎng)處理后，恢復(fù)設(shè)備運(yùn)行，故障未對(duì)運(yùn)營(yíng)造成影響。

2　電纜工況簡(jiǎn)介

擊穿的高壓直流電纜一端同接觸軌連接，另一端連接至避雷器端，電纜由 1×150mm2銅絲束絞、股線復(fù)絞圓銅組成的導(dǎo)體、乙丙橡膠（EPR）絕緣和低煙、低鹵、B 類阻燃帶、防紫外線護(hù)套構(gòu)成（圖2），電纜具有徑向阻水的功能。

3　故障原因分析

對(duì)故障點(diǎn)處的避雷器進(jìn)行拆卸，外觀檢查并無(wú)閃絡(luò)或擊穿現(xiàn)象，送檢后其預(yù)防性試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1（注：YH5WS-17/75 避雷器直流 1mA 參考電壓不小于 25kV，0.75U1mA時(shí)電流不大于50 μA），數(shù)據(jù)表明該避雷器性能參數(shù)合格，能滿足 6號(hào)線接觸軌防雷系統(tǒng)要求。結(jié)合潯峰崗 214、河沙 212 開(kāi)關(guān)瞬時(shí)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作跳閘后自動(dòng)重合閘成功的故障現(xiàn)象，可推知該故障為瞬間金屬性接地故障，排除因避雷器內(nèi)部電阻片老化（或劣化）、泄漏電流大幅度增加或者避雷器元件發(fā)生擊穿性短路故障導(dǎo)致的接地故障發(fā)生。

通過(guò)對(duì)故障電纜進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)故障電纜的主絕緣有割傷，同時(shí)內(nèi)部銅芯也有不同程度的割斷，綜合考慮故障點(diǎn)的運(yùn)行環(huán)境，總結(jié)原因如下。

（1）直流電纜介質(zhì)沿面放電導(dǎo)致電纜絕緣下降。制作過(guò)程中，熱縮套管內(nèi)部含有雜質(zhì)、汗液及氣隙等，加之電纜終端頭外的熱縮套管由于在高架段露天段經(jīng)受一年四季的氣候變化，強(qiáng)烈的溫差以及潮濕的環(huán)境導(dǎo)致熱縮管劣化，雨季時(shí)，有大量水分附著在高壓側(cè)電纜上，極易通過(guò)外層的熱縮套管氣隙滲入到電纜剝接層，同時(shí)雜質(zhì)、氣隙等共同作用下極有可能造成介質(zhì)沿面放電，導(dǎo)致主絕緣逐步下降。

（2）長(zhǎng)期局部放電加速了電纜的絕緣老化。電纜的主絕緣層已滲水，由于在施工做端子頭壓接時(shí)電纜主絕緣末部制成錐體，如圖 3 所示，但由于剝接工藝質(zhì)量控制不到位，絕緣層、電纜銅芯處有割傷，造成主絕緣層被破壞，導(dǎo)致外護(hù)套與平滑過(guò)渡層間產(chǎn)生氣隙，加大了電暈產(chǎn)生的可能性，成為局部放電源。因?yàn)闅庀兜南鄬?duì)介電常數(shù)小于乙丙橡膠的相對(duì)介電常數(shù)，導(dǎo)致氣隙內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度高于周圍的乙丙橡膠，易發(fā)生擊穿，即產(chǎn)生局部放電，引起絕緣腐蝕和老化[1]，使材料電導(dǎo)率變大，造成絕緣損傷。

圖1　供電區(qū)示意圖

圖2　電纜結(jié)構(gòu)圖

表1　故障點(diǎn)避雷器測(cè)試數(shù)據(jù)

圖3　電纜剝接工藝圖示

在局部放電和沿面放電的共同作用下，熱縮管失去應(yīng)有的防水絕緣功能，經(jīng)過(guò)以上因素的共同作用和長(zhǎng)期累加，以及故障發(fā)生前連日暴雨雷鳴，環(huán)境空氣濕度大，致使局部放電區(qū)域逐漸擴(kuò)大，當(dāng)電纜通過(guò)暫態(tài)過(guò)電壓時(shí)，最終導(dǎo)致電纜絕緣Ⅱ段處絕緣薄弱點(diǎn)瞬時(shí)閃絡(luò)性擊穿，電纜突然泄露大量電流，造成直流電纜線芯通過(guò)其金屬箱體接地短路（圖 4）。

圖4　箱體內(nèi)短路圖示（單位：mm）

4　預(yù)防措施

根據(jù)以上原因分析，需認(rèn)真地對(duì)轄區(qū)所屬的直流1500V 正極電纜及附屬高壓側(cè)連接電纜進(jìn)行一次全面檢查，并針對(duì)電纜頭制作及包扎工藝方面的缺陷，進(jìn)行如下專項(xiàng)優(yōu)化整改。

（1）按照標(biāo)準(zhǔn)的制作工藝壓接好端子（圖 5），在終端與電纜的空隙處填充1層高壓絕緣膠帶（圖 6）。注意保持清潔，盡量壓縮制作時(shí)間，剝切電纜后，保證制作時(shí)連續(xù)，連貫完成。

（2）在終端與電纜連接處包防水層，以半重疊方式纏繞 1 層防水帶，與電纜外護(hù)套搭接 12～15cm（圖 7），防水帶必須包裹住端子與電纜區(qū)域，注意防水帶的纏繞方向（從電纜護(hù)套端往壓接端子方向纏繞，進(jìn)一步減少滲水）。

圖5　壓接電纜頭端子

圖6　填充終端與電纜的間隙

圖7　防水帶纏繞

（3）確保防水帶兩端密貼，不得留有空隙；包高壓絕緣層，絕緣層必須要把防水帶全部包裹住，在防水帶上方以半重疊方式纏繞 1 層高壓絕緣膠帶（圖 8），注意高壓絕緣膠帶需在防水帶兩端各搭接 15mm，同樣兩端也要密貼。

圖8　纏繞高壓絕緣帶

此外，要保障直流 1500V 電纜及附屬高壓側(cè)連接電纜運(yùn)行安全，還需要做到以下幾方面。

（1）故障預(yù)防措施。周期性開(kāi)展直流電纜的絕緣測(cè)試工作，一定程度上可以對(duì)比分析電纜絕緣的劣化趨向，如果測(cè)試的數(shù)據(jù)異常時(shí)，須進(jìn)一步測(cè)量吸收比（K = R60s/ R15s）和極化指數(shù)（PI = R10min/ R1min），綜合比較 K 和 PI 值來(lái)判斷設(shè)備的運(yùn)行情況。

（2）故障應(yīng)急響應(yīng)。地鐵行車密度大，一旦發(fā)生供電開(kāi)關(guān)跳閘故障，需要第一時(shí)間組織檢修人員登乘，加強(qiáng)該區(qū)段巡視。如果重合閘不成功，需立即啟動(dòng)相關(guān)搶險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案，盡量減少故障對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響。與此同時(shí)，針對(duì)性做好前期應(yīng)急備品備件及專用搶險(xiǎn)工器具的儲(chǔ)備，提高故障時(shí)的應(yīng)急處置效率。

（3）加強(qiáng)電壓及負(fù)荷檢測(cè)。對(duì)電纜的運(yùn)行負(fù)荷情況進(jìn)行常態(tài)化檢查、跟蹤，確保電纜的載流量保持在允許持續(xù)載流量以下，若電纜過(guò)負(fù)荷運(yùn)行現(xiàn)象長(zhǎng)期存在，應(yīng)及時(shí)開(kāi)展針對(duì)性核查整改，如此將有效減緩電纜絕緣的老化速度，延長(zhǎng)電纜的使用壽命。

（4）新線施工隱患規(guī)避。根據(jù)既有線路的運(yùn)營(yíng)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，在后續(xù)的新線施工介入期，為增加供電安全可靠性及減少接管后的維護(hù)量，應(yīng)積極協(xié)調(diào)新線接觸網(wǎng)（軌）直流1500 V正極電纜及附屬高壓側(cè)連接電纜按優(yōu)化后的電纜頭制作及包扎工藝開(kāi)展施工安裝；同時(shí)，建議在后續(xù)新線建設(shè)中明確上述要求并作為標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。同時(shí)新線在敷設(shè)電纜時(shí)要嚴(yán)格按規(guī)定敷設(shè)，以實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)地形、地況為基準(zhǔn)并結(jié)合周邊的工程施工開(kāi)展情況進(jìn)行敷設(shè)，規(guī)避施工隱患。

5　電纜故障定位及超聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

5.1XF28-1960 弧反射電纜故障定位儀的應(yīng)用

在電纜出現(xiàn)故障后，第一時(shí)間判斷出電纜的故障性質(zhì)，根據(jù)故障性質(zhì)選擇相應(yīng)的定位方法，對(duì)于埋地隱蔽電纜及長(zhǎng)大區(qū)間電纜快速查找電纜故障點(diǎn)，對(duì)恢復(fù)設(shè)備正常運(yùn)行顯得尤為必要。

（1）低壓脈沖法測(cè)量。測(cè)試時(shí)向電纜注入一低壓脈沖，該脈沖沿電纜傳播到阻抗不匹配點(diǎn)，如斷路點(diǎn)、短路點(diǎn)、中間接頭等，通過(guò)故障點(diǎn)反射脈沖與發(fā)射脈沖的時(shí)間差原理來(lái)測(cè)距[2]。

將X F28-1960電纜故障定位儀的控制面板上RADAR/THUMP 切換開(kāi)關(guān)切換至 RADAR，選擇波速及測(cè)量范圍，確保正極測(cè)試引線接電纜線芯，負(fù)極接在電纜屏蔽上（圖 9），接好線后就可以進(jìn)行低壓脈沖法測(cè)量。

（2）高壓弧反射法測(cè)量。這種方法在操作過(guò)程中主要是先將電纜通電，運(yùn)用沖擊高電壓或者直流電壓之后觀察所發(fā)出的電壓脈沖在故障點(diǎn)與發(fā)出點(diǎn)之間的距離，進(jìn)行故障點(diǎn)的測(cè)距，這種方式主要用于對(duì)閃絡(luò)性與高阻 2 種故障[3]。

為便于與高壓弧反射波形進(jìn)行比較，先用低壓脈沖法測(cè)出線路全長(zhǎng)波形，保存波形后將 XF28-1960 電纜故障定位儀的控制面板上的 RADAR/THUMP 切換至THUMP，通過(guò)“VOLTAGE ADJUSTMEN”調(diào)節(jié)電壓，電壓等級(jí)選擇 14kV/28kV，選擇波速及測(cè)量范圍后開(kāi)始測(cè)量。圖10 中紅色為高壓沖擊反射波，藍(lán)色反射波為低壓脈沖反射法測(cè)出的線路全長(zhǎng)，故障點(diǎn)的距離是 208m，下降沿起始處就是故障點(diǎn)的距離[4]。

圖9　測(cè)試接線方法

5.2超聲波檢測(cè)儀的應(yīng)用

電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)，往往會(huì)在重大事故發(fā)生前出現(xiàn)電弧放電、漏電痕跡、電暈放電等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會(huì)使附近的空氣離子化而產(chǎn)生超聲波，所以，可使用UP2000超聲波檢測(cè)儀對(duì)直流高壓電纜運(yùn)行工況進(jìn)行預(yù)防性檢測(cè)（圖11），便于及早進(jìn)行維修，避免重大事故的發(fā)生。

5.2.1原理概述

當(dāng)有放電情況發(fā)生時(shí)，放電會(huì)產(chǎn)生超聲波信號(hào)，該儀器會(huì)通過(guò)探頭接收到該超聲信號(hào)，并通過(guò)轉(zhuǎn)換變成耳朵可以聽(tīng)到的聲音。超聲波具有基本沿直線傳播的特性，因而可以通過(guò)檢查超聲波信號(hào)定位放電產(chǎn)生的位置。

該儀器可以檢測(cè)以下 3 個(gè)基本電氣問(wèn)題。

（1）電弧。電流通過(guò)空間流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電弧，閃電就是一個(gè)很好的例子。

圖10　高壓沖擊反射波形

圖11　UP2000 超聲波檢測(cè)儀

（2）電暈。當(dāng)電壓在電導(dǎo)體上，像天線或者高壓傳輸線超過(guò)極限值，導(dǎo)線周圍的空氣藍(lán)色或紫色光開(kāi)始電離。

（3）爬電。常涉及到像微型電弧，伴隨著破壞性絕緣通道。

當(dāng)高壓電纜上有電流放出或電氣連接時(shí)間隙過(guò)小，它繞亂周圍的空氣分子并產(chǎn)生超聲波，這些信號(hào)用耳機(jī)聽(tīng)起來(lái)就象油炸聲或嗡嗡聲。

5.2.2使用方法

（1）儀器的頻率旋鈕調(diào)至 40kHz 或“fixed band”。

（2）模式旋鈕調(diào)至“Log”。

（3）帶上耳機(jī)并一直按住主機(jī)開(kāi)關(guān)。

（4）將起步靈敏度調(diào)到最大值 10，在測(cè)試過(guò)程中可以根據(jù)耳機(jī)的音量進(jìn)行調(diào)整。

（5）用主機(jī)槍口處的探頭對(duì)測(cè)試區(qū)域進(jìn)行掃描。從“粗略”逐步到“精確”，微調(diào)靈敏度以接近放電位置。

（6）如果在該區(qū)域有太多的超聲波，減低靈敏度并且繼續(xù)掃描。

（7）如果存在環(huán)境噪聲，把橡膠聚焦頭套在掃描探頭上并掃描測(cè)試區(qū)。

（8）觀察儀表并收聽(tīng)接收到的超聲波信號(hào)。

（9）跟隨聲音最響點(diǎn)，越接近放電點(diǎn)，儀表讀數(shù)越高。

（10）繼續(xù)調(diào)節(jié)靈敏度旋鈕并移動(dòng)儀器探頭靠近被懷疑的放電或泄漏點(diǎn)，直到能確定。

6　結(jié)論

此次 6號(hào)線高架段直流高壓電纜擊穿故障主要因施工期剝接工藝控制不到位導(dǎo)致主絕緣層破壞，加之高架段強(qiáng)烈的溫差以及潮濕的環(huán)境導(dǎo)致熱縮管劣化，主絕緣層絕緣進(jìn)一步下降，當(dāng)電纜通過(guò)暫態(tài)過(guò)電壓時(shí)，電纜絕緣薄弱點(diǎn)瞬時(shí)閃絡(luò)性擊穿，最終導(dǎo)致電纜絕緣放電擊穿，造成直流電纜線芯通過(guò)其金屬箱體接地短路。該處隱患隱性故障持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般較難發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)生故障極有可能影響運(yùn)營(yíng)，因此，我們必須針對(duì)此類已出現(xiàn)的故障提高警惕，做好預(yù)防整改措施的同時(shí)，進(jìn)一步利用超聲波檢測(cè)儀、電纜故障點(diǎn)定位技術(shù)加強(qiáng)應(yīng)急處置響應(yīng)，全面提升員工技能水平，切實(shí)保障行車運(yùn)營(yíng)安全。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯 冒一平

工程實(shí)踐

Breakdown Fault Analysis of DC High Voltage Cable and Preventive Measures

Wan Yong, Tan Bingfu, Guo Yuanzhe

Abstract:The DC cable is the main carrier of the DC transmission system, and its running state is related to the stability of the metro traction power supply system. Taking the DC1500V high voltage cable breakdown fault in Guangzhou metro line 6 elevated section as an example, the paper explores and discusses the aspects respectively of cable operation condition, causes of failures， preventive measures， and briefl y introduces the use of the cable fault tester and the ultrasonic detector in metro, and provides reference for metro safe operation of same type of DC1500V electric cable.

Keywords:metro power supply, DC cable, breakdown fault, fault analysis, measures

中圖分類號(hào)：U231.8

作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)勇（1989—）,男，助理工程師

收稿日期2016-02-02