單芯電力電纜護層接地及護套損傷危害性分析

李建儒

0 引言

三相單芯電力電纜與同截面三芯交聯電纜相比較，絕緣性能更高，發生故障停電影響范圍小，散熱良好，導流能力增強，與架空線路相比較，隱蔽美觀、抗自然災害能力強，利于沿線景觀化，被客運專線鐵路電力及牽引供電工程大量采用。在已經開通運營的合寧線、合武線、武廣客運專線等鐵路中，動靜態驗收及開通運營階段出現的問題、故障和短路事故統計資料表明，因單芯電力電纜金屬護層接地方法不當和電纜塑料絕緣護套損傷的事故約占30%～35%，本文著重就此現象剖析，提出建議和措施，以期提高后續工程的供電質量。

1 故障現象

某線在聯調聯試、一年半的運行期間，先后發生以下案例：①10 kV 綜合貫通電纜線路電纜頭在35#箱式變電站錐套插接頭處燃燒，導致對應供電配電所饋線開關三相短路跳閘；②10 kV 一級貫通線供電電纜在15#箱式變電站與16#箱式變電站之間的B 相電纜擊穿，進而燒蝕其他A、C 相，造成相間短路，向其供電的電力配電所饋線開關跳閘；③27.5 kV 供電線電纜在隱蔽敷設的電纜水泥預制槽道內擊穿，發生短路接地現象，牽引變電所饋線213#開關保護裝置跳閘。

2 原因分析

2.1 工程設計及施工方法

該線工程10 kV 電力供電系統為小電阻接地供電系統，綜合自動化繼電保護單相接地報警不跳閘。電纜敷設全程路徑，不論直埋、槽道、支架、保護管中，大體可歸結為波浪形（俗名為蛇形敷設），橫斷面呈現出一字排列、品字形（又稱三角形）排列。單芯電纜的敷設及電纜頭的制作安裝，定長生產由于電纜制造長度、運輸、施工條件所限，實際工程敷設時必然產生中間接頭，電纜接頭又因處所不同，分為戶內外中間接頭，戶內外終端接頭。根據現行電纜頭制作工藝，10 kV 電纜中間接頭屏蔽、鎧裝護層金屬網狀貫通不外引出，27.5 kV 電纜中間接頭屏蔽、鎧裝護層接地引線外引出接地，即2 種工藝制作技術，分別外引出接地線，集中連接于接地端子。現場查找，工程設計及施工方法并不是出現故障的直接原因。

2.2 護層感應電壓分析

當單芯電纜線芯通過電流時就會有磁力線交鏈鋁包或金屬屏蔽層，使其兩端出現感應電壓。感應電壓的大小與電纜線路的長度和流過導體的電流、電纜長度、電壓等級成正比，電纜很長時，護套上的感應電壓疊加起來可達到危及人身安全的程度，在線路發生短路故障、遭受操作過電壓或雷電沖擊時，形成很高的感應電壓，甚至可能擊穿護套絕緣。

10 kV 三相單芯電纜采用一字排開水平方式敷設時，電纜屏蔽、非磁性金屬鎧裝護層的感應電壓為

10 kV 三相單芯電纜采用品字形方式敷設時，電纜屏蔽、非磁性金屬鎧裝護層的感應電壓為

27.5 kV 電氣化鐵道專用單芯電纜，單相2/4根，兩相4/6 根平行敷設時，電纜屏蔽、非磁性金屬鎧裝護層的感應電壓為

式（1）—（7）中，α = 4πf ln2×10-4，Ω/km；Y1= xm+ α；IB為導體電流，A；l 為兩電纜間距，mm；r 為電纜半徑，mm；感應電壓單位為V。

因此，單芯電纜只能一端直接接地，另一端裝上護層保護器接地，不應兩端直接接地。或者通過交叉互聯方式接地。

采用同一條電纜兩端直接接地方式雖然可以免除懸浮感應電壓的危害，但是，由于客運專線鐵路電纜的敷設是沿鐵路線路并行，電纜兩端引出接地線通過綜合貫通地線或大地等形成環流，即，非磁性金屬鎧裝護層作為載流體，亦成為新的電流分支回流通道，對電纜不利，因此不允許采用該方式。

護層保護器按照使用安裝處所適配選用。電纜護層保護器一般安裝在GIS、AIS 開關柜、電纜對接箱、箱式變電站下方等處。

2.3 電纜屏蔽及金屬護層接地方式

為免除電纜屏蔽、鎧裝護層懸浮感應電壓對電纜主絕緣和電力供電運行維護人員的危害，根據電纜敷設長度L 的不同，工程設計選用的接地方式也不同（見圖1）。

（1）L = 100 m 及以下如圖1 a 所示，屏蔽及金屬鎧裝護層首端直接接地，末端接地引線完全絕緣包纏綁扎固定。

（2）L = 101～500 m 如圖1 b 所示，屏蔽及金屬鎧裝護層首端直接接地，末端通過護層保護器接地。

（3）L = 500～1 000 m 如圖1 c 所示，屏蔽及金屬鎧裝護層在中間接頭處直接接地，首、末端頭處通過護層保護器接地。

（4）L = 1 001 m 及以上如圖1 d 所示，屏蔽及金屬鎧裝護層首端頭處通過護層保護器接地，在第一個中間接頭處直接接地，第二個中間接頭處通過護層保護器接地，在末端頭處直接接地。

圖1 電纜屏蔽及金屬護層接地方式示意圖

因此，一條完整電纜應根據中間接頭的位置正確選用接地方式和接地引出線絕緣包纏進行處理。電纜接頭處的接地引出線從電路上看是屏蔽、鎧裝護層的延伸，尤其是通過護層保護器接地的一段接地引出線，必須與電纜絕緣護套相同質量的全絕緣包纏包扎，如絕緣包纏包扎不好，會造成升高的感應電壓對電纜頭固定卡子等放電，累積燒蝕電纜頭主絕緣，又因電纜附件材料非阻燃，10 kV 綜合貫通電纜線路電纜頭在35#箱式變電站錐套插接頭處燃燒，導致對應供電配電所饋線開關三相短路跳閘一例，現場查看分析也證明了這一點。

2.4 電纜保護層損傷的危害分析

單芯電纜一到工地，常規外觀檢查和使用500 V 兆歐表檢測絕緣，非磁性金屬鎧裝層對地絕緣電阻≥0.5 MΩ，在一定條件下可對電纜非磁性金屬鎧裝層進行直流10 kV 耐壓1 min 不擊穿的特殊檢查試驗；敷設后送電前使用1 000 V 兆歐表檢測絕緣，非磁性金屬鎧裝層對地絕緣電阻應≥0.5 MΩ；供電運行后按照電業電纜線路檢修規程檢測。

絕緣護套損傷會將電纜置于不安全運行工況下，即護套保護層絕緣受損，如，敷設過程及之后遇到下列情況之一時，刃刺刮劃剝削、托拽摩擦磨損、沖擊撞壓變形、火熱燒烤燙、冷凍皴裂、化學品腐蝕、雨水或長期浸泡水中。在護層受損部位形成除人為一端電纜頭金屬鎧裝護層直接接地處之外的兩點以上接地回路，電纜屏蔽及非磁性金屬鎧裝護層中的感應電壓沒有通過護層保護器而提前放電，燒損電纜主絕緣。其中某點的放電灼燒累積達到一定程度，電纜主絕緣破壞爆損，造成供電電纜線路短路事故。對案例②和③的分析得到印證。

一條電纜塑料外護套保護層，間隔幾米、幾十米、百米產生損傷或連續多處嚴重損傷，也就視為電纜缺少塑料外護套保護層，是絕對不能允許的現象。金屬裸鎧裝護套層上的感應電壓＞36 V 安全電壓時，人畜觸碰會危及安全。

3 結論

（1）單芯電纜護層一端直接接地，另一端通過護層保護接地是可采用的接地方式，而護套兩端接地方式不常用，僅適用于極短電纜和小負載電纜線路。通過護層保護器接地的電纜頭接地引線須全絕緣包纏處理。

（2）保護單芯電纜塑料絕緣外護套不受損壞的預防性措施：精細勘察設計優選電纜敷設路徑，避免交叉施工、爭取合理工期、創造有利電纜敷設環境，把握和優化電纜敷設時機、方法，強化電纜敷設之后的成品保護。這些重要措施也是保證電纜線路供電安全的有效途徑。

（3）單芯電纜塑料絕緣外護套一旦損壞，應視其整條電纜損傷程度，分別采取補救修復維護措施，在受損部位涂覆絕緣膠，冷縮包套絕緣管，包纏絕緣膠帶，損傷嚴重段落，裁換或局部更換新電纜。

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[4] TB10008-2006 鐵路電力設計規范[S].

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