張 健

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京滬高速鐵路27.5 kV供電電纜接地問(wèn)題探討

張 健

針對(duì)京滬高速鐵路牽引供電電纜絕緣擊穿事故，對(duì)單芯27.5 kV牽引供電電纜的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)進(jìn)行了分析，對(duì)不同長(zhǎng)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(jìn)

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(hù)的GIS組合電器。GIS開(kāi)關(guān)柜采用高壓電纜進(jìn)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(qiáng)對(duì)供電電纜接地問(wèn)題的分析研究，對(duì)保證牽引供電設(shè)備安全運(yùn)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(dòng)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(dòng)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(jiàn)，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(zhǎng)4 000 m，共計(jì)2根27.5 kV單芯電纜，型號(hào)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(hù)套電力電纜，2根電纜接地方式見(jiàn)圖1。

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

經(jīng)深入調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，雖然（2）為電纜通過(guò)直通電纜中間頭加保護(hù)器接地點(diǎn)，但是由于施工時(shí)未將電纜金屬護(hù)套截?cái)啵娎|金屬護(hù)套保持連通，當(dāng)（1）、（2）、（3）之間2個(gè)區(qū)段供電電纜金屬護(hù)套上出現(xiàn)感應(yīng)電壓時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在（1）和（3）之間形成環(huán)流，（2）處護(hù)層保護(hù)器接地未起到保護(hù)作用，造成電纜長(zhǎng)期超溫運(yùn)行，絕緣性能下降，最終導(dǎo)致直接接地點(diǎn)（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(diǎn)。

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(diǎn)施工工藝不符合技術(shù)要求，造成直接接地點(diǎn)電阻過(guò)大，在長(zhǎng)時(shí)間環(huán)流運(yùn)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(gè)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(hù)層，而金屬保護(hù)層與芯體間可以看成是一個(gè)單匝變壓器，當(dāng)芯體中流通交變電流時(shí)，會(huì)在金屬保護(hù)層中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電壓的大小取決于芯體電流的大小、芯體的長(zhǎng)度等。

2.2 單芯供電電纜保護(hù)措施

由于電纜較長(zhǎng)，金屬保護(hù)層上將產(chǎn)生較高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)過(guò)高將擊穿絕緣護(hù)套，導(dǎo)致高電阻接地，形成局部過(guò)熱損壞電纜主絕緣，造成電纜事故。因此，對(duì)于大截面單芯電纜通常釆取金屬保護(hù)層接地的保護(hù)措施，將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(hù)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(zhǎng)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(jiǎn)單，由于一端懸空，當(dāng)芯體存在過(guò)電壓或過(guò)電流時(shí)，金屬保護(hù)層中將產(chǎn)生很高的工頻電壓，電纜護(hù)套不能承受這種過(guò)電壓的作用時(shí)，將出現(xiàn)多點(diǎn)接地，形成環(huán)流，進(jìn)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(guò)保護(hù)器接地。該方式是單芯供電電纜常用的接地方式，適用于長(zhǎng)度小于800 m，中間沒(méi)有接頭的電纜（圖3）。

圖3 —端直接接地，一端經(jīng)保護(hù)器接地

接地保護(hù)器可防止電纜金屬保護(hù)層與大地之間形成環(huán)流，不會(huì)出現(xiàn)超溫運(yùn)行，一旦感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)超過(guò)了保護(hù)器的限制范圍，電流將通過(guò)保護(hù)器泄漏到大地中，實(shí)現(xiàn)金屬保護(hù)層的過(guò)電壓保護(hù)，防止電纜護(hù)套被擊穿。

（3）電纜中點(diǎn)直接接地，兩端通過(guò)保護(hù)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(diǎn)處將金屬保護(hù)層直接接地，電纜兩端通過(guò)保護(hù)器接地，接地方式如圖4所示。

圖4 中點(diǎn)直接接地，兩端經(jīng)保護(hù)器接地

該方式可視為“一端直接接地，另一端通過(guò)保護(hù)器接地”方式的串聯(lián)，適用于電纜長(zhǎng)度為原來(lái)2倍的電纜。中間直接接地可以通過(guò)2種方式實(shí)現(xiàn)：一種直接在中間位置安裝直通電纜中間頭，通過(guò)中間頭將金屬保護(hù)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(kāi)電纜護(hù)套，將金屬保護(hù)層引出接地。

（4）中點(diǎn)通過(guò)保護(hù)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(hù)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(hù)層引出，分別經(jīng)保護(hù)器接地，采用該接地方式時(shí)，必須截?cái)嚯娎|中間位置處的金屬保護(hù)層。

圖5 中點(diǎn)經(jīng)保護(hù)器接地，兩端直接接地

3 221#饋線供電電纜接地問(wèn)題整改

3.1 華苑變電所221#饋線供電電纜存在的問(wèn)題

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

通過(guò)分析圖1（b）可知，221-2電纜與221-1電纜存在相同的問(wèn)題。

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

3.2 制定改進(jìn)方案并實(shí)施

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

221#饋線電纜（全長(zhǎng)4 000 m）長(zhǎng)度超過(guò) 2 000 m，因此必須采用分段接地保護(hù)的方式。根據(jù)對(duì)27.5 kV牽引供電電纜金屬保護(hù)層接地方式的研究，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況，將電纜分成7段，每段不超過(guò)800 m，并采用每段電纜一端直接接地，另一端經(jīng)護(hù)層保護(hù)器接地方式（對(duì)于長(zhǎng)度超過(guò) 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(jìn)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(yùn)行至今已4年多，未發(fā)生任何故障，對(duì)電纜進(jìn)行巡視檢查也未發(fā)現(xiàn)不良狀況，說(shuō)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(yǔ)

為保證牽引供電系統(tǒng)27.5 kV供電電纜的安全，需對(duì)供電電纜金屬保護(hù)層進(jìn)行接地處理。為了確保接地效果，應(yīng)根據(jù)電纜長(zhǎng)度，采取不同的接地方式：當(dāng)電纜長(zhǎng)度小于400 m時(shí)，宜采用一端直接接地，一端懸空的接地方式；當(dāng)電纜長(zhǎng)度小于 800 m，大于400 m時(shí)，宜采用一端直接接地，另一端經(jīng)保護(hù)器接地的方式；當(dāng)電纜長(zhǎng)度大于800 m，小于1 600 m時(shí)，宜采用護(hù)層中點(diǎn)直接接地，兩端通過(guò)護(hù)層保護(hù)器接地的方式；當(dāng)電纜長(zhǎng)度大于 1 600 m時(shí)，宜采用分段保護(hù)接地方式，可將電纜分段，每段不超過(guò)800 m，中間位置用絕緣中間頭將金屬保護(hù)層引出，兩端分別經(jīng)保護(hù)器接地，杜絕多點(diǎn)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(dá)標(biāo)造成電纜故障。

[1] 李進(jìn)軍. 電氣化鐵道27.5 kV電纜護(hù)層保護(hù)器選擇淺析[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012（3）：94-96.

[2] 張倩，李文豪，陳維榮. 高速鐵路27.5 kV單芯電纜接地方式的研究[J]. 電氣化鐵道，2009（2）：10-13.

[3] 邵健強(qiáng)，李漢卿. 電氣化鐵道27.5 kV電纜技術(shù)參數(shù)研究[J]. 信息系統(tǒng)工程，2011（8）：71-72.

[4] 何勁松. 滬杭高鐵27.5 kV單芯供電線電纜接地施工技術(shù)[J]. 電氣化鐵道，2011，22（5）：23-25.

[5] 邱漢忠. 從技術(shù)層面上解析27.5 kV專用電纜的構(gòu)造特性[J]. 鐵道建筑技術(shù)，2012（7）：47-50.

[6] 程子霞，薛文彬，周遠(yuǎn)翔，等，電氣化鐵路27.5 kV單相單芯交聯(lián)聚乙烯電纜載流量計(jì)算[J]. 高電壓技術(shù)，2012，38（11）：3067-3073.

[7] 楊柳. 高速鐵路饋線電纜的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 電氣化鐵道，2012，23（5）：8-11.

[8] 楊柳. 高速鐵路饋線電纜接地方案與故障監(jiān)測(cè)[J]. 西南交通大學(xué)，2012.

[9] GB50217-2007 電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

With regards to insulation breakdown accident of traction power supply cables on Beijing-Shanghai high speed railway, the structures and characteristics of 27.5 kV single core traction power supply cables are analyzed, relative modification measures are offered for earthing modes of traction power supply cables of different lengths.

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

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

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

張 健.中鐵電氣化鐵路運(yùn)營(yíng)管理有限公司，助理工程師。

2017-03-27