牽引供電系統電纜線路常見故障的研判

劉效錦

（國能朔黃鐵路發展有限責任公司原平分公司，山西忻州 034100）

1 電纜故障劃分

1.1 按電纜材料劃分

可分為導電材料自身原因、非導電絕緣材料自身原因和復合型原因。

（1）導電材料自身原因，指電纜中金屬導體（包括鋁外皮、鉛、鋼帶、銅、半導體）開路的故障，因導電材料的連續性遭到損壞，形成不完全斷線或完全斷線，其中不完全斷線不易發現，這類故障或障礙可劃分為：多點或一點斷開、多相或一相斷線等。

（2）非導電絕緣材料自身原因，指金屬導體與金屬導體間和金屬導體與非導電絕緣材料之間的絕緣強度不足，不能承受瞬間高電壓以及瞬間大電流的沖擊而產生的故障，這類故障將造成閃絡洞穿、接地、短路等表象，這類故障現場發生頻率較高，可劃分為兩相或單相接地、三相或兩相短路等。

（3）復合型原因，指前兩種原因同時存在，包括斷線與單相接地同時發生、斷線與兩相接地同時發生、短路與兩相接地同時發生等。

1.2 按電纜故障點電阻劃分

本文把故障點稱作為D，依據D 處絕緣電阻Rd和擊穿間隙Sd的參數，將D 又可劃分為Rd低阻形態、Rd高阻形態、綜合性形態、Rd無窮大形態、閃絡形態等5 類。

（1）Rd無窮大形態。電纜包括導電材料連續性遭受損壞引起斷線，同時D 處的內外非導電絕緣材料也遭受程度不同的損壞。采用絕緣搖表測量D 處的絕緣電阻值Rd為∞（無窮大），采用直流耐壓測量時，會發生電氣擊穿，呈現在現場是接地與一相或二相斷線并存的表象。

（2）Rd低阻形態。非導電材料（無論內層主絕緣還是外層絕緣及保護層）遭到破壞而引發接地的低阻形態，采用5000 V 絕緣搖表測量其絕緣電阻值Rd小于100 Ω。

（3）Rd高阻形態。非導電材料（無論內層主絕緣還是外層絕緣及保護層）遭到破壞而引發接地的低阻形態。采用5000 V 絕緣搖表測量其絕緣電阻值Rd大于100 Ω。采用直流高壓脈沖測量時，隨即發生電擊穿。Rd高阻形態是牽引供電電纜（35 kV 或110 kV 電力電纜）發生率較高的電纜故障類型，因其單相電纜單獨敷設獨立運行，在運行中可達總故障的80%以上。

（4）閃絡形態。非導電材料（無論內層主絕緣還是外層絕緣及保護層）遭到破壞，而產生閃絡形態。采用5000 V 絕緣搖表量測其絕緣電阻值Rd為∞（無窮大），采用直流耐壓或高壓脈沖測量時，隨即發生電擊穿，同時是閃絡性的。

（5）綜合性形態。在D 處同時具備兩種及以上形態即為綜合性形態。

1.3 按故障誘因劃分

根據牽引供電運行管理規程，電纜線路每年進行春季預防性試驗和運行維護及電纜大修投運前的監測，在電纜線路、電纜終端及中間接頭會發現不同表象和不同形式的導電體和非導電絕緣體參數異常等非正常情況，可劃分為瞬時形態、擊穿形態和運行形態3 種。

（1）瞬時形態。運行中的電纜，無論是哪種原因引起電纜非導電絕緣瞬時破壞，造成接地故障跳閘的形態稱為瞬時形態，這類形態表現方式為：電纜D 處常伴有電纜中間層負有屏蔽功能的銅皮或鉛包損壞；電纜形態以兩相斷線并接地或兩相短路接地為表象，現場絕緣搖表測量其阻值，對地電阻一般較小，現場打開D 處可清晰看到擊穿電弧產生的碳化點或放電痕跡。瞬時形態明顯，運維人員可在變電所故標設備顯示的提示后較短時間內發現D 處。

（2）擊穿形態。每年進行預防性試驗或運行電纜其他高壓監測時，常會發現隱形缺陷或故障，發生電纜破壞事件。運行中的電纜在直流檢驗電壓下，其非導電絕緣部分遭到電擊穿而被破壞，其表象是一般D 處的屏蔽層或保護鋼帶完好無缺，從外部觀察未發現明顯的變形或明顯的創傷，打開D 處未發現非導電絕緣材料表面碳化，而通過儀器可發現清晰地水樹枝老化結構和碳化孔，對于電纜擊穿形態，尤其是一些高阻性形態隱蔽性極強，測試參數具有多樣性復雜性等特征，很難探索其規律性，為此能否快速測試到D 處，標距是基礎，測距是關鍵。

（3）運行形態。根據牽引供電運行管理相關規定，最高工作電壓為29 kV，但在運行中經常有大于29 kV 的工作電壓出現，故在牽引變電所和接觸網絕緣配合設計中采用30 kV 的最大工作電壓，所有供電設施要求在此電壓下不發生輕污染閃絡，在操作過電壓下或雷電壓情況下不發生濕閃，并具備雷沖擊一定裕度絕緣能力。在接觸網供電運行中，電纜線路伴隨著雷擊、污閃、濕閃等情況而因此受到影響。朔黃鐵路接觸網系統在高電壓大電流運行條件下，電纜因運行年久、自然老化、絕緣下降等自身隱形缺陷等原因，可能發生電纜擊穿或單相接地形態等運行故障。

2 牽引供電系統運行中電纜幾種故障研判

2.1 物理性損傷

電纜本體遭受機械性外力破壞，絕大部分故障屬于此類情況。

（1）工程設計方面。電纜敷設路徑的特殊路段設計時未采取特殊處理方案，一旦發生地基負重或變形即可能產生下沉現象，直接損壞電纜；在轉彎處折斷電纜或造成電纜中間接頭內部絕緣降低而發生擊穿；機械碰撞損壞電纜。

（2）工程建設方面。接觸網及變電所工程管理不嚴、標準不高等造成單相工程質量低下。

（3）電纜施工方面。電纜裕度不足、終端及中間頭工藝粗糙、敷設電纜強拉硬拽等為電纜線路日后運行埋下安全隱患。

（4）自然因素方面。電纜徑路上地形變化或地震等地質災害，會造成電纜承受機械拉力導致電纜被拉斷；氣溫太低或太高也可能引發電纜附件變形損傷絕緣。

（5）運行方面。牽引供電系統電纜自身重力引起固定構件或懸掛支撐長期疲勞變形，引發電纜接頭拉伸故障；電纜長時間在高低電壓大小電流間反復運行，電纜內積存的電荷在瞬間疊加，極易產生大于工作電壓的情況，電纜大負荷長期運行老化嚴重，導致故障發生。

2.2 化學性損傷

（1）熱化學反應對電纜的損傷也是引起電纜故障的誘因之一。電纜運行溫度超過電纜非導電絕緣材料的允許溫度時，將引起氧化分解化學反應，其生成物的電離作用促使電纜的絕緣和耐壓性能同步下降。

（2）按照電力施工相關規定，電纜在沿墻（桿）上下、穿越建筑物等需穿管敷設，當管徑小于規定將導致電纜運行在最大負荷下產生的熱量不可能短時散去，長期過熱將誘發化學反應產生如上所說的后果。

（3）電纜長時間近滿載運行，例如朔黃鐵路變電所電纜長期承載幾千安負荷，電纜長期處于高溫，使得電纜非導電絕緣材料加劇老化，尤其是中間頭和終端頭等特殊所處，如制作工藝不良或中間頭和終端頭套件不良，絕緣水平降低直至被高電壓擊穿甚至爆炸。

（4）運行環境惡劣，導致電纜老化嚴重，電纜壽命縮短。

（5）電纜長期處于潮濕（包括泡在液體）環境，內外層非導電絕緣材料會遭到水成分的侵蝕，絕緣水平降低直至被高電壓擊穿。

（6）電纜長期處于腐蝕性（包括各類油脂）土壤中，內外層非導電絕緣材料會遭到腐蝕性物質的侵蝕，絕緣水平降低直至被高電壓擊穿。

2.3 其他原因

（1）電纜本體質量缺陷，存在安全隱患，導致不定時發生問題。

（2）電纜附件質量問題。附件包括中間頭和終端材料，采用的絕緣材料參數不符合國標規定要求，容易引發密封性問題，導致中間頭和終端進入潮氣，電纜絕緣性能降低，引發電纜故障。

（3）電纜線芯接頭質量問題。生產廠家接頭工藝不達標，施工方未按照設計進行敷設，或施工野蠻將線芯拉傷，或線芯正好敷設在轉彎場所，受力不勻，傷及線芯導致電纜電阻增大，運行中溫升加速，直至燒損電纜。

（4）電纜運行年久，不能滿足日益增長運行的需求。比如朔黃鐵路建設之初年運量設計5000 萬噸，當前年運量達到25 000 萬噸，車流密度小、每列車運量達到2 萬t、供電電纜承載著巨大的電流。電纜接近滿負荷運行，一旦發生超負荷運行情況，即可能引起電纜故障，直接影響運輸安全。

3 一起電纜故障的發現、分析和處置

2021 年5 月4 日12：47，朔黃鐵路小覺變電所值班員巡視發現27.5 kV 高壓室有燒焦味，經確認是202 GIS 柜后下柜冒煙，202T 相02 號高壓電纜與鎧接地處燒損（圖1）。

圖1 高壓電纜與鎧接地處燒損

經現場應急處置：①將電纜燒損部分的碳化物進行清理，保證表面無粉塵及碳化物；②用10 kV電壓等級絕緣自粘帶對電纜燒損部分和相關部分進行包扎；③對高壓電纜、鋼鎧接地、屏蔽接地、護層保護器進行絕緣電阻試驗，試驗數據合格；④對高壓電纜采用2 倍額定電壓進行直流泄漏試驗，電纜本體無放電、閃絡、異音現象，試驗數據合格。

經檢查發現小覺變電所牽引GIS 柜內電纜屏蔽接地、鎧接地之前應急處置全部采用220 V 普通絕緣膠帶包扎，且包扎工藝不良，接線地線與抱箍螺栓、柜內外殼搭接（圖2）。

圖2 地線與抱箍螺栓、柜內外殼搭接

電纜故障原因：①電纜接地工藝不良；②電纜接地絕緣破損、絕緣強度不夠，致使接地線過熱；③27.5 kV 電纜為單芯電纜，在屏蔽接地會存在一定感應電壓，當列車通過或負載增大時，銅絲屏蔽的感應電壓瞬間升高，導致電纜絕緣層燒損。

現場進行應急處置：①在電纜地線處增加絕緣強度；②拆除既有普通絕緣膠帶，用1 kV 絕緣自粘帶半疊包兩層，再用PVC 膠粘帶纏繞一圈作保護層，最后用1 kV 阻燃熱縮管進行熱縮處理。

4 結束語

牽引供電系統在電氣化鐵路中尤為重要，一旦發生故障，將中斷電力機車的供電，直接影響鐵路正常的運輸秩序，為此在電纜線路發生故障時，迅速找到故障點，快速查明故障原因，盡快恢復供電，最大限度地保障安全可靠不間斷供電，為鐵路運輸安全暢通提供技術支撐。