单芯电力电缆护层接地及护套损伤危害性分析

2011-03-13李建儒

电气化铁道 2011年2期

李建儒

0 引言

三相单芯电力电缆与同截面三芯交联电缆相比较，绝缘性能更高，发生故障停电影响范围小，散热良好，导流能力增强，与架空线路相比较，隐蔽美观、抗自然灾害能力强，利于沿线景观化，被客运专线铁路电力及牵引供电工程大量采用。在已经开通运营的合宁线、合武线、武广客运专线等铁路中，动静态验收及开通运营阶段出现的问题、故障和短路事故统计资料表明，因单芯电力电缆金属护层接地方法不当和电缆塑料绝缘护套损伤的事故约占30%～35%，本文着重就此现象剖析，提出建议和措施，以期提高后续工程的供电质量。

1 故障现象

某线在联调联试、一年半的运行期间，先后发生以下案例：①10 kV 综合贯通电缆线路电缆头在35#箱式变电站锥套插接头处燃烧，导致对应供电配电所馈线开关三相短路跳闸；②10 kV 一级贯通线供电电缆在15#箱式变电站与16#箱式变电站之间的B 相电缆击穿，进而烧蚀其他A、C 相，造成相间短路，向其供电的电力配电所馈线开关跳闸；③27.5 kV 供电线电缆在隐蔽敷设的电缆水泥预制槽道内击穿，发生短路接地现象，牵引变电所馈线213#开关保护装置跳闸。

2 原因分析

2.1 工程设计及施工方法

该线工程10 kV 电力供电系统为小电阻接地供电系统，综合自动化继电保护单相接地报警不跳闸。电缆敷设全程路径，不论直埋、槽道、支架、保护管中，大体可归结为波浪形（俗名为蛇形敷设），横断面呈现出一字排列、品字形（又称三角形）排列。单芯电缆的敷设及电缆头的制作安装，定长生产由于电缆制造长度、运输、施工条件所限，实际工程敷设时必然产生中间接头，电缆接头又因处所不同，分为户内外中间接头，户内外终端接头。根据现行电缆头制作工艺，10 kV 电缆中间接头屏蔽、铠装护层金属网状贯通不外引出，27.5 kV 电缆中间接头屏蔽、铠装护层接地引线外引出接地，即2 种工艺制作技术，分别外引出接地线，集中连接于接地端子。现场查找，工程设计及施工方法并不是出现故障的直接原因。

2.2 护层感应电压分析

当单芯电缆线芯通过电流时就会有磁力线交链铝包或金属屏蔽层，使其两端出现感应电压。感应电压的大小与电缆线路的长度和流过导体的电流、电缆长度、电压等级成正比，电缆很长时，护套上的感应电压叠加起来可达到危及人身安全的程度，在线路发生短路故障、遭受操作过电压或雷电冲击时，形成很高的感应电压，甚至可能击穿护套绝缘。

10 kV 三相单芯电缆采用一字排开水平方式敷设时，电缆屏蔽、非磁性金属铠装护层的感应电压为

10 kV 三相单芯电缆采用品字形方式敷设时，电缆屏蔽、非磁性金属铠装护层的感应电压为

27.5 kV 电气化铁道专用单芯电缆，单相2/4根，两相4/6 根平行敷设时，电缆屏蔽、非磁性金属铠装护层的感应电压为

式（1）—（7）中，α = 4πf ln2×10-4，Ω/km；Y1= xm+ α；IB为导体电流，A；l 为两电缆间距，mm；r 为电缆半径，mm；感应电压单位为V。

因此，单芯电缆只能一端直接接地，另一端装上护层保护器接地，不应两端直接接地。或者通过交叉互联方式接地。

采用同一条电缆两端直接接地方式虽然可以免除悬浮感应电压的危害，但是，由于客运专线铁路电缆的敷设是沿铁路线路并行，电缆两端引出接地线通过综合贯通地线或大地等形成环流，即，非磁性金属铠装护层作为载流体，亦成为新的电流分支回流通道，对电缆不利，因此不允许采用该方式。

护层保护器按照使用安装处所适配选用。电缆护层保护器一般安装在GIS、AIS 开关柜、电缆对接箱、箱式变电站下方等处。

2.3 电缆屏蔽及金属护层接地方式

为免除电缆屏蔽、铠装护层悬浮感应电压对电缆主绝缘和电力供电运行维护人员的危害，根据电缆敷设长度L 的不同，工程设计选用的接地方式也不同（见图1）。

（1）L = 100 m 及以下如图1 a 所示，屏蔽及金属铠装护层首端直接接地，末端接地引线完全绝缘包缠绑扎固定。

（2）L = 101～500 m 如图1 b 所示，屏蔽及金属铠装护层首端直接接地，末端通过护层保护器接地。

（3）L = 500～1 000 m 如图1 c 所示，屏蔽及金属铠装护层在中间接头处直接接地，首、末端头处通过护层保护器接地。

（4）L = 1 001 m 及以上如图1 d 所示，屏蔽及金属铠装护层首端头处通过护层保护器接地，在第一个中间接头处直接接地，第二个中间接头处通过护层保护器接地，在末端头处直接接地。

图1 电缆屏蔽及金属护层接地方式示意图

因此，一条完整电缆应根据中间接头的位置正确选用接地方式和接地引出线绝缘包缠进行处理。电缆接头处的接地引出线从电路上看是屏蔽、铠装护层的延伸，尤其是通过护层保护器接地的一段接地引出线，必须与电缆绝缘护套相同质量的全绝缘包缠包扎，如绝缘包缠包扎不好，会造成升高的感应电压对电缆头固定卡子等放电，累积烧蚀电缆头主绝缘，又因电缆附件材料非阻燃，10 kV 综合贯通电缆线路电缆头在35#箱式变电站锥套插接头处燃烧，导致对应供电配电所馈线开关三相短路跳闸一例，现场查看分析也证明了这一点。

2.4 电缆保护层损伤的危害分析

单芯电缆一到工地，常规外观检查和使用500 V 兆欧表检测绝缘，非磁性金属铠装层对地绝缘电阻≥0.5 MΩ，在一定条件下可对电缆非磁性金属铠装层进行直流10 kV 耐压1 min 不击穿的特殊检查试验；敷设后送电前使用1 000 V 兆欧表检测绝缘，非磁性金属铠装层对地绝缘电阻应≥0.5 MΩ；供电运行后按照电业电缆线路检修规程检测。

绝缘护套损伤会将电缆置于不安全运行工况下，即护套保护层绝缘受损，如，敷设过程及之后遇到下列情况之一时，刃刺刮划剥削、托拽摩擦磨损、冲击撞压变形、火热烧烤烫、冷冻皴裂、化学品腐蚀、雨水或长期浸泡水中。在护层受损部位形成除人为一端电缆头金属铠装护层直接接地处之外的两点以上接地回路，电缆屏蔽及非磁性金属铠装护层中的感应电压没有通过护层保护器而提前放电，烧损电缆主绝缘。其中某点的放电灼烧累积达到一定程度，电缆主绝缘破坏爆损，造成供电电缆线路短路事故。对案例②和③的分析得到印证。

一条电缆塑料外护套保护层，间隔几米、几十米、百米产生损伤或连续多处严重损伤，也就视为电缆缺少塑料外护套保护层，是绝对不能允许的现象。金属裸铠装护套层上的感应电压＞36 V 安全电压时，人畜触碰会危及安全。