祁建山 中國鐵路上海局集團有限公司徐州供電段

近年來，隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展及建設(shè)標準的提高，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、開閉所與接觸網(wǎng)之間電能傳輸?shù)娜蝿?wù)。當饋線電纜運行時線芯通過交變電流，在金屬護層上產(chǎn)生交變磁場，并在其影響下金屬護層兩端出現(xiàn)感應(yīng)電勢。感應(yīng)電壓的大小與電纜長度、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。當電纜長度較長、電流較大時，金屬護層產(chǎn)生的感應(yīng)電壓也會增大，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層絕緣擊穿，危及電纜設(shè)備安全，嚴重影響鐵路系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

因此，有必要針對不同長度、不同載流量的饋線電纜，選擇適合的金屬護層接地方式來降低護層感應(yīng)電壓。下面對一起開閉所27.5 kV 饋線電纜終端金屬護層燒損案例進行研究分析，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 事故過程

某開閉所饋線GIS 柜內(nèi)出電纜金屬護層引線燒損現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場人員檢查，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，燒損位置長度約10 cm，具體現(xiàn)場照片如圖1所示。

圖1 電纜金屬護層引線燒損故障現(xiàn)場

進一步調(diào)查核實，在送電前施工作業(yè)點內(nèi)，作業(yè)人員針對饋線電纜長度較長引起護層感應(yīng)電壓較大的問題，進行了電纜護層接地方式改造。根據(jù)GB50217—2018《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定：交流單芯電纜金屬護層的非直接接地點的感應(yīng)電壓應(yīng)低于50 V，而電纜護層既有的接地方式為接觸網(wǎng)側(cè)一端直接接地，開閉所側(cè)一端通過護層保護器接地，且電纜長度匹配的護層接地方式不合理，計劃在電纜中間位置將金屬護層剝開直接接地，兩端分別通過護層保護器接地。該開閉所饋出共計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。當其中一根電纜中間位置做好接地后，由于施工人員校線錯誤，導(dǎo)致未設(shè)中間接地點的饋線電纜兩端同時裝設(shè)護層保護器接地。

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，長度約800 m，起于開閉所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)電壓的理論計算

2.1 穩(wěn)定運行狀態(tài)

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

圖3為開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，每根電纜流過的線芯電流分別為I1，I2，I3，I4，I5，I6，則T1 電纜單位長度金屬護層的感應(yīng)電壓為：

圖3 電纜排列等效圖

式中，R表示電纜金屬護層的平均幾何半徑。假設(shè)六根單芯電纜流過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電纜開閉所一端金屬護層的感應(yīng)電壓為：

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

2.2 故障運行狀態(tài)

當饋線電纜兩端同時通過護層保護器接地時，相當于金屬護層兩端未設(shè)接地點，呈懸空狀態(tài)，此時電纜電流引起的感應(yīng)電壓相對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，可以看作是兩級電容的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。其中，CCS 和CSE 分別表示金屬護層與線芯導(dǎo)體之間等效電容、金屬護層與地之間等效電容，當護層產(chǎn)生懸浮電位時，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，金屬護層的對地電壓為：

查閱相關(guān)電纜技術(shù)手冊,得到：

可見，當電纜護層可靠接地消失時，金屬護層上產(chǎn)生很高的懸浮電位，電壓幅值已經(jīng)超過電纜護層接地引出線的絕緣耐受水平，且低于護層保護器的起始動作電壓7.5 kV，導(dǎo)致高懸浮電位在電纜護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

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

圖7 電纜線芯電流

圖8 電纜金屬護層感應(yīng)電壓

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

當電纜處于故障運行狀態(tài)時，即圖6中C1電纜兩端的屏蔽層和鎧裝層均通過護層保護器接地，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)接地點的情況下金屬護層產(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，與理論公式計算的結(jié)果相符，進一步驗證了電纜模型建立的有效性，也說明了電纜燒損的直接原因。

圖10 電纜金屬護層懸浮電壓

4 防范措施

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

4.1 提高電纜頭的制作工藝

制作電纜終端頭必須由經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)且具備資質(zhì)證書的技術(shù)人員擔(dān)當，嚴格控制電纜頭制作的工藝要求和技術(shù)標準。同時，在焊接過程中，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)按照試驗規(guī)程進行電纜絕緣電阻測試和耐壓試驗，試驗不合格的電纜嚴禁投入運行。

4.2 確保電纜護層接地完好

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

4.3 加強巡視檢查工作

供電設(shè)備管理單位應(yīng)安排運營維護人員針對運行中的饋線電纜定期進行一次巡視檢查，主要檢查電纜終端頭的套管有無開裂、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，中間接頭有無變形、溫度是否超過允許值等。同時，針對牽引變電所的饋線電纜每年進行相關(guān)測試，確保重要所亭電纜的穩(wěn)定運行。

5 結(jié)束語

針對一起27.5 kV 饋線電纜終端金屬護層引線燒損的故障案例，采用理論計算與PSCAD/EMTDC 仿真相結(jié)合的方法，對電纜穩(wěn)定運行狀態(tài)和接地異常狀態(tài)的金屬護層感應(yīng)電壓進行了深層次的分析比較，并得出電纜金屬護層引線燒損故障的根本原因。即在電纜接地方式改造過程中，由于人為失誤導(dǎo)致饋線電纜兩端懸空，金屬護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層燒損。可見，運營維護人員仍需在事故中不斷吸取教訓(xùn)，在實踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗，通過強化施工質(zhì)量控制和完善維護管理措施，確保饋線電纜在牽引供電系統(tǒng)中安全可靠地供電。