動車所10 kV單相電纜故障分析及對策

朱志廳 上海鐵路局調度所

近年來，隨著我局客運專線的相繼開通，10 kV交聯聚氯乙烯絕緣單相電力電纜作為主流產品已經廣泛投運于鐵路一級貫通、綜合貫通、樞紐地區供電線路中。但是，由于施工質量及單相電纜的感應電壓等原因，滬寧城際、滬杭客專自投運以來，發生了多起電力電纜故障的事件，嚴重影響鐵路供電的可靠運行。

1 故障概況

2012年2月9日13:46，虹橋 10 kV所311DL速斷跳閘，311DL饋線為動車所配電所的電源電纜，長度為5 152 m，故障發生后，供電調度立即通知檢修人員搶修，檢修人員到達現場后，對電纜進行了絕緣測試：A相 1 MΩ，B相1 MΩ，C相136 MΩ，絕緣電阻測試結果表明電纜已擊穿，由于電纜較長，加之檢修上道測試又受天窗點的限制，給故障點的查找帶來困難，利用電纜故障測試儀分析判斷，檢修人員將近花了3天時間，共查出故障點6處（其中有兩處在電纜中間接頭），做了8個電纜中間接頭，于2月12日凌晨恢復供電。

2 原因分析

高壓電纜發生故障主要是由于人為或自然災害等的破壞導致絕緣損壞，使相與地或相與相之間發生短接，這種短接會使電流急劇增大，電壓大幅度下降，并進一步造成電纜損壞等嚴重的后果。高壓電纜的故障主要包括單相接地故障（約占80%）和相間短路故障（約占15%），其他故障（約占5%）。單相高壓電纜的過電壓可分為工頻過電壓與沖擊過電壓，工頻過電壓包括電纜線路正常運行電壓或金屬護套上產生的感應過電壓，沖擊過電壓包括雷擊過電壓與操作過電壓，本次電纜故障實屬罕見。經過分析，主要原因是：

2.1 電纜在施工敷設過程中外表損傷

電纜施工時，由于機械牽引力過大而拉傷電纜及過度彎曲而損傷電纜，使電纜主絕緣層內部結構變形（大部分是彈性變形，但有少量的塑性變形），主絕緣層層內局部密度增大，局部減小，且受擠壓處半徑變小，另一側半徑變大，使內部電場分布不均勻。由于主絕緣層內部絕緣介質密度不同，引發電場介質的電離，到一定程度，主絕緣就被擊穿，發生單接地故障。

2.2 電纜中間接頭施工質量不符要求

電纜接頭是電纜線路中最薄弱的環節，電纜中間接頭制作不規范，或是在潮濕的氣候條件下做接頭，會使接頭進水或混入水蒸氣，造成密封失效而導致潮氣侵入，破壞絕緣性能。因施工質量原因造成的嚴重缺陷一般在投運前的竣工試驗時或投運后一兩年內就會出現故障，而一些小的問題可能就成為長期運行的隱患，目前施工部門采用的冷縮式電纜接頭，對施工環境要求較高，然而由于種種原因，質量不過關，在其它電纜故障處理中，也發現了滲水現象。

2.3 高壓電纜的接地存在缺陷

本段電纜一端在虹橋配電所經護層保護器接地,另一端在動車所直接接地,而每一個中間接頭的金屬護套未接地，當發生短路故障時，導體中有很大的電流，在金屬護套上產生很高的過電壓，擊穿護套絕緣。電纜的金屬護套或屏蔽層可以看作一個薄壁圓柱體，同心的套在線芯周圍，當單芯電力電纜的導體中通過交流電流時，線芯回路產生的一部分磁通不僅與線芯回路相交鏈，同時也與金屬護套相交鏈，這部分磁通使金屬護套中具有電感，產生感應電壓，感應電壓的大小與電纜線路的長度和流過的電流成正比，電纜較長時，護套上的感應電壓疊加起來，將達到危害人身安全的數值，發生短路故障時，感應電壓更大，造成電纜擊穿。

（1）單相電纜的金屬護套感應過電壓計算

當三相電纜等邊三角形敷設時，平衡負載下，各相電流相等，電纜金屬護套感應電勢有效值相同，計算式為：

當三相單芯電纜平行等距敷設時，則各相感應電勢的有效值為：

以虹橋電纜來計算，電纜平行敷設,長度L(5 152 m)，電纜護套半徑rS(15 mm)，電纜護套幾何中心距離S(200 mm)，線芯中負載電流 I(15 A)，經計算A、C相感應電勢為14.5 V,B相為12.6 V。

（2）短路狀態下的金屬護套感應過電壓計算

單相電纜接地短路時，只有很少一部分的短路電流是經接地網入地并通過大地回流，絕大部分的短路電流是經過電纜護套回流，計算短路電流在電纜金屬護套感應電壓時，負載電流可忽略不計，而單相短路比相間短路時金屬護套的感應電壓要大，以此來計算電纜短路時金屬護套的感應電壓，設A相對地短路，如圖1所示。

圖1 A相接地示意圖

A相接地時，電纜金屬護套最大感應過電壓為：

其中：R：金屬護套接地電阻1 Ω，Se=為土壤電阻系數，不能確定時，Se可取1000m，L：電纜長度 5152m，ISCA:A相接地短路電流600A,計算得出A相接地斷路時感應電勢為1123∠57.7°V。

從計算結果得出，10 kV三相單芯電纜在正常負載下，在電纜金屬護套上的產生的過電壓比較小，但是當系統發生短路事故時，產生感應電壓是正常值的幾十倍甚至上百倍，從而導致電纜多點接地，因此，為減少單相電纜的感應電壓，有必要對電纜的接地方式進行研究。

3 對策措施

單芯電纜兩端直接接地，護套中將會產生環流，其值可達到電纜線芯正常輸送電流的30%--80%，這既降低了電纜的載流量、又浪費電能形成損耗，并加速了電纜絕緣老化。然而，當電纜鋁包或金屬屏蔽層有一端不接地，會造成下列問題：當雷電流或過電壓波沿線芯流動時，電纜鋁包或金屬屏蔽層不接地端會出現很高的沖擊電壓；而當系統發生短路時，不接地端也會出現較高的工頻感應電壓，如電纜外護層絕緣不能承受這種過電壓而擊穿，將導致電纜多點接地，形成環流。因此，高壓電纜線路安裝時，應該按照GB50217-2007《電力工程電纜設計規范》的要求，單芯電力電纜的金屬護套只有一點接地時，金屬護套任一點的感應電壓不應超過50-300 V(未采取安全措施時不大于50 V；如采取了有效措施時，不得大于300 V)，并應對地絕緣。在采用一端互聯接地時，必須采取措施限制護層上的過電壓，安裝時應根據線路的不同情況，按照經濟合理的原則在鋁包或金屬屏蔽層的一定位置采用特殊的連接和接地方式，并同時裝設護層保護器，以防止電纜護層絕緣被擊穿，同時接地線應符合國標要求，采用不小于25 mm2鍍錫編織銅線。單芯電纜接地方式通常采用以下幾種：

3.1 金屬護套一端直接接地，另一端經保護器接地

當電纜線路較短500 m以內，一般采用單端接地方式，使金屬護套不能形成回路，為防止主回路故障時引起不接地端過電壓擊穿外護套絕緣，在該端與地之間要裝電纜護層保護器，保護器采用氧化鋅壓敏電阻為保護元件，具有良好的非線性特性曲線，還具有良好的絕緣性能，耐老化、憎水性等特點，接線方式如圖2。

圖2 一端直接接地，另一端保護接地

3.2 金屬護套中點直接接地，兩端通過保護器接地

當電纜線路較長1 000 m以內，在電纜線路中點將金屬護套進行單點互聯接地，而電纜金屬護套的2個終端通過保護器接地，如圖3。

圖3 中點接地，兩端保護接地

3.3 金屬護套交叉互聯接地

在實際電纜敷設條件下，由于在電纜中間接地沒有兩端接地方便實施，因此比較長的電纜，普遍采用交叉互聯后兩端接地。當電纜超過1 000 m以上，將電纜分成多個單元，每個單元均分成3個等長小段，在每小段之間安裝絕緣接頭，由于交叉互聯段內每一小段感應電勢相等，相位互成1200，兩接地點間感應電勢向量和為零。實際上由于施工地形條件等因素影響，每段電纜不可能完全等長，加之電纜排列參數不一致等，感應電勢向量和不完全為零，但也相對要小很多，不會影響運行安全。如果把這樣一個交叉互聯接地，看作是一個單元，由于該單元金屬護套是兩端直接接地，所以任何長度的電纜，都可以分成若干個單元，理論上這種接線方式適用于各種長度的電纜，如圖4。

圖4 交叉互聯接地

4 結束語

隨著單芯高壓電纜的大量運用，也給日常運行維護帶來了諸多問題，若出現電纜外皮損傷，查找和處理故障都比較麻煩，因此，在交接驗收時，對電纜外觀、電纜井、隱蔽工程要認真檢查，必要時進行直流耐壓試驗，以消除由于電纜在施工過程中護套絕緣受傷，而留下多點接地事故的隱患，同時，單芯電纜接地方式不同于三芯電纜，需引起高度重視。