动车所10 kV单相电缆故障分析及对策

朱志厅 上海铁路局调度所

近年来，随着我局客运专线的相继开通，10 kV交联聚氯乙烯绝缘单相电力电缆作为主流产品已经广泛投运于铁路一级贯通、综合贯通、枢纽地区供电线路中。但是，由于施工质量及单相电缆的感应电压等原因，沪宁城际、沪杭客专自投运以来，发生了多起电力电缆故障的事件，严重影响铁路供电的可靠运行。

1 故障概况

2012年2月9日13:46，虹桥 10 kV所311DL速断跳闸，311DL馈线为动车所配电所的电源电缆，长度为5 152 m，故障发生后，供电调度立即通知检修人员抢修，检修人员到达现场后，对电缆进行了绝缘测试：A相 1 MΩ，B相1 MΩ，C相136 MΩ，绝缘电阻测试结果表明电缆已击穿，由于电缆较长，加之检修上道测试又受天窗点的限制，给故障点的查找带来困难，利用电缆故障测试仪分析判断，检修人员将近花了3天时间，共查出故障点6处（其中有两处在电缆中间接头），做了8个电缆中间接头，于2月12日凌晨恢复供电。

2 原因分析

高压电缆发生故障主要是由于人为或自然灾害等的破坏导致绝缘损坏，使相与地或相与相之间发生短接，这种短接会使电流急剧增大，电压大幅度下降，并进一步造成电缆损坏等严重的后果。高压电缆的故障主要包括单相接地故障（约占80%）和相间短路故障（约占15%），其他故障（约占5%）。单相高压电缆的过电压可分为工频过电压与冲击过电压，工频过电压包括电缆线路正常运行电压或金属护套上产生的感应过电压，冲击过电压包括雷击过电压与操作过电压，本次电缆故障实属罕见。经过分析，主要原因是：

2.1 电缆在施工敷设过程中外表损伤

电缆施工时，由于机械牵引力过大而拉伤电缆及过度弯曲而损伤电缆，使电缆主绝缘层内部结构变形（大部分是弹性变形，但有少量的塑性变形），主绝缘层层内局部密度增大，局部减小，且受挤压处半径变小，另一侧半径变大，使内部电场分布不均匀。由于主绝缘层内部绝缘介质密度不同，引发电场介质的电离，到一定程度，主绝缘就被击穿，发生单接地故障。

2.2 电缆中间接头施工质量不符要求

电缆接头是电缆线路中最薄弱的环节，电缆中间接头制作不规范，或是在潮湿的气候条件下做接头，会使接头进水或混入水蒸气，造成密封失效而导致潮气侵入，破坏绝缘性能。因施工质量原因造成的严重缺陷一般在投运前的竣工试验时或投运后一两年内就会出现故障，而一些小的问题可能就成为长期运行的隐患，目前施工部门采用的冷缩式电缆接头，对施工环境要求较高，然而由于种种原因，质量不过关，在其它电缆故障处理中，也发现了渗水现象。

2.3 高压电缆的接地存在缺陷

本段电缆一端在虹桥配电所经护层保护器接地,另一端在动车所直接接地,而每一个中间接头的金属护套未接地，当发生短路故障时，导体中有很大的电流，在金属护套上产生很高的过电压，击穿护套绝缘。电缆的金属护套或屏蔽层可以看作一个薄壁圆柱体，同心的套在线芯周围，当单芯电力电缆的导体中通过交流电流时，线芯回路产生的一部分磁通不仅与线芯回路相交链，同时也与金属护套相交链，这部分磁通使金属护套中具有电感，产生感应电压，感应电压的大小与电缆线路的长度和流过的电流成正比，电缆较长时，护套上的感应电压叠加起来，将达到危害人身安全的数值，发生短路故障时，感应电压更大，造成电缆击穿。

（1）单相电缆的金属护套感应过电压计算

当三相电缆等边三角形敷设时，平衡负载下，各相电流相等，电缆金属护套感应电势有效值相同，计算式为：

当三相单芯电缆平行等距敷设时，则各相感应电势的有效值为：

以虹桥电缆来计算，电缆平行敷设,长度L(5 152 m)，电缆护套半径rS(15 mm)，电缆护套几何中心距离S(200 mm)，线芯中负载电流 I(15 A)，经计算A、C相感应电势为14.5 V,B相为12.6 V。

（2）短路状态下的金属护套感应过电压计算

单相电缆接地短路时，只有很少一部分的短路电流是经接地网入地并通过大地回流，绝大部分的短路电流是经过电缆护套回流，计算短路电流在电缆金属护套感应电压时，负载电流可忽略不计，而单相短路比相间短路时金属护套的感应电压要大，以此来计算电缆短路时金属护套的感应电压，设A相对地短路，如图1所示。

图1 A相接地示意图

A相接地时，电缆金属护套最大感应过电压为：

其中：R：金属护套接地电阻1 Ω，Se=为土壤电阻系数，不能确定时，Se可取1000m，L：电缆长度 5152m，ISCA:A相接地短路电流600A,计算得出A相接地断路时感应电势为1123∠57.7°V。

从计算结果得出，10 kV三相单芯电缆在正常负载下，在电缆金属护套上的产生的过电压比较小，但是当系统发生短路事故时，产生感应电压是正常值的几十倍甚至上百倍，从而导致电缆多点接地，因此，为减少单相电缆的感应电压，有必要对电缆的接地方式进行研究。

3 对策措施

单芯电缆两端直接接地，护套中将会产生环流，其值可达到电缆线芯正常输送电流的30%--80%，这既降低了电缆的载流量、又浪费电能形成损耗，并加速了电缆绝缘老化。然而，当电缆铝包或金属屏蔽层有一端不接地，会造成下列问题：当雷电流或过电压波沿线芯流动时，电缆铝包或金属屏蔽层不接地端会出现很高的冲击电压；而当系统发生短路时，不接地端也会出现较高的工频感应电压，如电缆外护层绝缘不能承受这种过电压而击穿，将导致电缆多点接地，形成环流。因此，高压电缆线路安装时，应该按照GB50217-2007《电力工程电缆设计规范》的要求，单芯电力电缆的金属护套只有一点接地时，金属护套任一点的感应电压不应超过50-300 V(未采取安全措施时不大于50 V；如采取了有效措施时，不得大于300 V)，并应对地绝缘。在采用一端互联接地时，必须采取措施限制护层上的过电压，安装时应根据线路的不同情况，按照经济合理的原则在铝包或金属屏蔽层的一定位置采用特殊的连接和接地方式，并同时装设护层保护器，以防止电缆护层绝缘被击穿，同时接地线应符合国标要求，采用不小于25 mm2镀锡编织铜线。单芯电缆接地方式通常采用以下几种：

3.1 金属护套一端直接接地，另一端经保护器接地

当电缆线路较短500 m以内，一般采用单端接地方式，使金属护套不能形成回路，为防止主回路故障时引起不接地端过电压击穿外护套绝缘，在该端与地之间要装电缆护层保护器，保护器采用氧化锌压敏电阻为保护元件，具有良好的非线性特性曲线，还具有良好的绝缘性能，耐老化、憎水性等特点，接线方式如图2。

图2 一端直接接地，另一端保护接地

3.2 金属护套中点直接接地，两端通过保护器接地

当电缆线路较长1 000 m以内，在电缆线路中点将金属护套进行单点互联接地，而电缆金属护套的2个终端通过保护器接地，如图3。

图3 中点接地，两端保护接地

3.3 金属护套交叉互联接地

在实际电缆敷设条件下，由于在电缆中间接地没有两端接地方便实施，因此比较长的电缆，普遍采用交叉互联后两端接地。当电缆超过1 000 m以上，将电缆分成多个单元，每个单元均分成3个等长小段，在每小段之间安装绝缘接头，由于交叉互联段内每一小段感应电势相等，相位互成1200，两接地点间感应电势向量和为零。实际上由于施工地形条件等因素影响，每段电缆不可能完全等长，加之电缆排列参数不一致等，感应电势向量和不完全为零，但也相对要小很多，不会影响运行安全。如果把这样一个交叉互联接地，看作是一个单元，由于该单元金属护套是两端直接接地，所以任何长度的电缆，都可以分成若干个单元，理论上这种接线方式适用于各种长度的电缆，如图4。

图4 交叉互联接地

4 结束语

随着单芯高压电缆的大量运用，也给日常运行维护带来了诸多问题，若出现电缆外皮损伤，查找和处理故障都比较麻烦，因此，在交接验收时，对电缆外观、电缆井、隐蔽工程要认真检查，必要时进行直流耐压试验，以消除由于电缆在施工过程中护套绝缘受伤，而留下多点接地事故的隐患，同时，单芯电缆接地方式不同于三芯电缆，需引起高度重视。