直流高压电缆击穿故障分析及防范措施

万 勇，谭炳富，郭远哲

（广州地铁集团有限公司，广东广州 510000）



直流高压电缆击穿故障分析及防范措施

万 勇，谭炳富，郭远哲

（广州地铁集团有限公司，广东广州 510000）

摘 要：直流电缆作为直流输电系统中的主要载流部件，其运行状态关系着地铁牵引供电系统的稳定性。以广州地铁 6号线高架段直流 1500V 高压电缆击穿故障为例，分别从电缆运行工况、故障原因探究、预防措施制定等方面展开论述，并简述电缆故障测试仪、超声波检测仪在地铁的应用，为同类型的地铁 1500V 直流电力电缆的安全运行提供参考。

关键词：地铁供电；直流电缆；击穿故障；故障分析；措施

广州地铁 6号线首期工程于 2013 年12月28日正式开通试运营，是广州地铁第 1 条同时拥有柔性、刚性、第三轨 3 种供电方式的线路。开通运营 2 年多来，广州地铁 6号线接触网发生了 2 起直流 1500V 电缆故障，所幸故障均未影响运营。运行稳定、状态良好的供电系统是地铁可以正常运行的前提条件，高压直流电缆运行状况直接影响着轨道交通供电安全，而绝缘不良造成电缆放电、击穿是电缆最主要的故障，因此，保障电缆运行状态良好是维持轨道交通电力系统稳定、安全的关键一环。本文从 1 例典型的电缆故障入手，探索预防电缆故障的一些具体措施。

1　故障情况

2015年10月6日晚 0 : 53，广州地铁 6号线沙贝—河沙上行（公里标 YDK3+000）Y避正32避雷器高压侧电缆放电击穿，引起浔峰岗 214、河沙 212 开关瞬时过流保护动作跳闸，6B2 区短时失电后自动重合闸成功（图 1），事发时故障区段无列车开行，事发后立即组织接触网专业人员检查，现场处理后，恢复设备运行，故障未对运营造成影响。

2　电缆工况简介

击穿的高压直流电缆一端同接触轨连接，另一端连接至避雷器端，电缆由 1×150mm2铜丝束绞、股线复绞圆铜组成的导体、乙丙橡胶（EPR）绝缘和低烟、低卤、B 类阻燃带、防紫外线护套构成（图2），电缆具有径向阻水的功能。

3　故障原因分析

对故障点处的避雷器进行拆卸，外观检查并无闪络或击穿现象，送检后其预防性试验数据见表 1（注：YH5WS-17/75 避雷器直流 1mA 参考电压不小于 25kV，0.75U1mA时电流不大于50 μA），数据表明该避雷器性能参数合格，能满足 6号线接触轨防雷系统要求。结合浔峰岗 214、河沙 212 开关瞬时过流保护动作跳闸后自动重合闸成功的故障现象，可推知该故障为瞬间金属性接地故障，排除因避雷器内部电阻片老化（或劣化）、泄漏电流大幅度增加或者避雷器元件发生击穿性短路故障导致的接地故障发生。

通过对故障电缆进行解剖，发现故障电缆的主绝缘有割伤，同时内部铜芯也有不同程度的割断，综合考虑故障点的运行环境，总结原因如下。

（1）直流电缆介质沿面放电导致电缆绝缘下降。制作过程中，热缩套管内部含有杂质、汗液及气隙等，加之电缆终端头外的热缩套管由于在高架段露天段经受一年四季的气候变化，强烈的温差以及潮湿的环境导致热缩管劣化，雨季时，有大量水分附着在高压侧电缆上，极易通过外层的热缩套管气隙渗入到电缆剥接层，同时杂质、气隙等共同作用下极有可能造成介质沿面放电，导致主绝缘逐步下降。

（2）长期局部放电加速了电缆的绝缘老化。电缆的主绝缘层已渗水，由于在施工做端子头压接时电缆主绝缘末部制成锥体，如图 3 所示，但由于剥接工艺质量控制不到位，绝缘层、电缆铜芯处有割伤，造成主绝缘层被破坏，导致外护套与平滑过渡层间产生气隙，加大了电晕产生的可能性，成为局部放电源。因为气隙的相对介电常数小于乙丙橡胶的相对介电常数，导致气隙内部电场强度高于周围的乙丙橡胶，易发生击穿，即产生局部放电，引起绝缘腐蚀和老化[1]，使材料电导率变大，造成绝缘损伤。

图1　供电区示意图

图2　电缆结构图

表1　故障点避雷器测试数据

图3　电缆剥接工艺图示

在局部放电和沿面放电的共同作用下，热缩管失去应有的防水绝缘功能，经过以上因素的共同作用和长期累加，以及故障发生前连日暴雨雷鸣，环境空气湿度大，致使局部放电区域逐渐扩大，当电缆通过暂态过电压时，最终导致电缆绝缘Ⅱ段处绝缘薄弱点瞬时闪络性击穿，电缆突然泄露大量电流，造成直流电缆线芯通过其金属箱体接地短路（图 4）。

图4　箱体内短路图示（单位：mm）

4　预防措施

根据以上原因分析，需认真地对辖区所属的直流1500V 正极电缆及附属高压侧连接电缆进行一次全面检查，并针对电缆头制作及包扎工艺方面的缺陷，进行如下专项优化整改。

（1）按照标准的制作工艺压接好端子（图 5），在终端与电缆的空隙处填充1层高压绝缘胶带（图 6）。注意保持清洁，尽量压缩制作时间，剥切电缆后，保证制作时连续，连贯完成。

（2）在终端与电缆连接处包防水层，以半重叠方式缠绕 1 层防水带，与电缆外护套搭接 12～15cm（图 7），防水带必须包裹住端子与电缆区域，注意防水带的缠绕方向（从电缆护套端往压接端子方向缠绕，进一步减少渗水）。

图5　压接电缆头端子

图6　填充终端与电缆的间隙

图7　防水带缠绕

（3）确保防水带两端密贴，不得留有空隙；包高压绝缘层，绝缘层必须要把防水带全部包裹住，在防水带上方以半重叠方式缠绕 1 层高压绝缘胶带（图 8），注意高压绝缘胶带需在防水带两端各搭接 15mm，同样两端也要密贴。

图8　缠绕高压绝缘带

此外，要保障直流 1500V 电缆及附属高压侧连接电缆运行安全，还需要做到以下几方面。

（1）故障预防措施。周期性开展直流电缆的绝缘测试工作，一定程度上可以对比分析电缆绝缘的劣化趋向，如果测试的数据异常时，须进一步测量吸收比（K = R60s/ R15s）和极化指数（PI = R10min/ R1min），综合比较 K 和 PI 值来判断设备的运行情况。

（2）故障应急响应。地铁行车密度大，一旦发生供电开关跳闸故障，需要第一时间组织检修人员登乘，加强该区段巡视。如果重合闸不成功，需立即启动相关抢险应急预案，尽量减少故障对运营的影响。与此同时，针对性做好前期应急备品备件及专用抢险工器具的储备，提高故障时的应急处置效率。

（3）加强电压及负荷检测。对电缆的运行负荷情况进行常态化检查、跟踪，确保电缆的载流量保持在允许持续载流量以下，若电缆过负荷运行现象长期存在，应及时开展针对性核查整改，如此将有效减缓电缆绝缘的老化速度，延长电缆的使用寿命。

（4）新线施工隐患规避。根据既有线路的运营维护经验，在后续的新线施工介入期，为增加供电安全可靠性及减少接管后的维护量，应积极协调新线接触网（轨）直流1500 V正极电缆及附属高压侧连接电缆按优化后的电缆头制作及包扎工艺开展施工安装；同时，建议在后续新线建设中明确上述要求并作为标准执行。同时新线在敷设电缆时要严格按规定敷设，以实际现场地形、地况为基准并结合周边的工程施工开展情况进行敷设，规避施工隐患。

5　电缆故障定位及超声波检测技术应用

5.1XF28-1960 弧反射电缆故障定位仪的应用

在电缆出现故障后，第一时间判断出电缆的故障性质，根据故障性质选择相应的定位方法，对于埋地隐蔽电缆及长大区间电缆快速查找电缆故障点，对恢复设备正常运行显得尤为必要。

（1）低压脉冲法测量。测试时向电缆注入一低压脉冲，该脉冲沿电缆传播到阻抗不匹配点，如断路点、短路点、中间接头等，通过故障点反射脉冲与发射脉冲的时间差原理来测距[2]。

将X F28-1960电缆故障定位仪的控制面板上RADAR/THUMP 切换开关切换至 RADAR，选择波速及测量范围，确保正极测试引线接电缆线芯，负极接在电缆屏蔽上（图 9），接好线后就可以进行低压脉冲法测量。

（2）高压弧反射法测量。这种方法在操作过程中主要是先将电缆通电，运用冲击高电压或者直流电压之后观察所发出的电压脉冲在故障点与发出点之间的距离，进行故障点的测距，这种方式主要用于对闪络性与高阻 2 种故障[3]。

为便于与高压弧反射波形进行比较，先用低压脉冲法测出线路全长波形，保存波形后将 XF28-1960 电缆故障定位仪的控制面板上的 RADAR/THUMP 切换至THUMP，通过“VOLTAGE ADJUSTMEN”调节电压，电压等级选择 14kV/28kV，选择波速及测量范围后开始测量。图10 中红色为高压冲击反射波，蓝色反射波为低压脉冲反射法测出的线路全长，故障点的距离是 208m，下降沿起始处就是故障点的距离[4]。

图9　测试接线方法

5.2超声波检测仪的应用

电气设备运行时，往往会在重大事故发生前出现电弧放电、漏电痕迹、电晕放电等现象，这些现象会使附近的空气离子化而产生超声波，所以，可使用UP2000超声波检测仪对直流高压电缆运行工况进行预防性检测（图11），便于及早进行维修，避免重大事故的发生。

5.2.1原理概述

当有放电情况发生时，放电会产生超声波信号，该仪器会通过探头接收到该超声信号，并通过转换变成耳朵可以听到的声音。超声波具有基本沿直线传播的特性，因而可以通过检查超声波信号定位放电产生的位置。

该仪器可以检测以下 3 个基本电气问题。

（1）电弧。电流通过空间流动时产生电弧，闪电就是一个很好的例子。

图10　高压冲击反射波形

图11　UP2000 超声波检测仪

（2）电晕。当电压在电导体上，像天线或者高压传输线超过极限值，导线周围的空气蓝色或紫色光开始电离。

（3）爬电。常涉及到像微型电弧，伴随着破坏性绝缘通道。

当高压电缆上有电流放出或电气连接时间隙过小，它绕乱周围的空气分子并产生超声波，这些信号用耳机听起来就象油炸声或嗡嗡声。

5.2.2使用方法

（1）仪器的频率旋钮调至 40kHz 或“fixed band”。

（2）模式旋钮调至“Log”。

（3）带上耳机并一直按住主机开关。

（4）将起步灵敏度调到最大值 10，在测试过程中可以根据耳机的音量进行调整。

（5）用主机枪口处的探头对测试区域进行扫描。从“粗略”逐步到“精确”，微调灵敏度以接近放电位置。

（6）如果在该区域有太多的超声波，减低灵敏度并且继续扫描。

（7）如果存在环境噪声，把橡胶聚焦头套在扫描探头上并扫描测试区。

（8）观察仪表并收听接收到的超声波信号。

（9）跟随声音最响点，越接近放电点，仪表读数越高。

（10）继续调节灵敏度旋钮并移动仪器探头靠近被怀疑的放电或泄漏点，直到能确定。

6　结论

此次 6号线高架段直流高压电缆击穿故障主要因施工期剥接工艺控制不到位导致主绝缘层破坏，加之高架段强烈的温差以及潮湿的环境导致热缩管劣化，主绝缘层绝缘进一步下降，当电缆通过暂态过电压时，电缆绝缘薄弱点瞬时闪络性击穿，最终导致电缆绝缘放电击穿，造成直流电缆线芯通过其金属箱体接地短路。该处隐患隐性故障持续时间较长，一般较难发现，一旦发生故障极有可能影响运营，因此，我们必须针对此类已出现的故障提高警惕，做好预防整改措施的同时，进一步利用超声波检测仪、电缆故障点定位技术加强应急处置响应，全面提升员工技能水平，切实保障行车运营安全。

参考文献

[1] 雷志鹏. 乙丙橡胶绝缘介电性能及其气隙和沿面放电机理的研究[D]. 山西太原：太原理工大学，2015.

[2] 赖晓峰. 电力电缆故障测距方法的研究[J]. 广东电力，2007，20（6）：11-15.

[3] 艾飞. 电力电缆故障查找方法与测距分析[J]. 通讯世界，2015（24）：138-139.

[4] 肖涛古，王志. 电力电缆故障的预定位方法[J]. 都市快轨交通，2009，22（3）：72-75.

责任编辑 冒一平

工程实践

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

中图分类号：U231.8

作者简介：万勇（1989—）,男，助理工程师

收稿日期2016-02-02