27.5 kV電纜終端護層保護器引線燒損故障原因分析

祁建山 中國鐵路上海局集團有限公司徐州供電段

近年來，隨著我國高速鐵路的快速發展及建設標準的提高，電力電纜在牽引供電系統27.5 kV 饋出供電線中被廣泛應用，主要承擔著牽引變電所、AT 所、分區所、開閉所與接觸網之間電能傳輸的任務。當饋線電纜運行時線芯通過交變電流，在金屬護層上產生交變磁場，并在其影響下金屬護層兩端出現感應電勢。感應電壓的大小與電纜長度、電纜線芯載流量、電纜排列及接地方式等因素有直接的關系。當電纜長度較長、電流較大時，金屬護層產生的感應電壓也會增大，在電纜接地方式設置不合理的情況下，甚至會造成金屬護層絕緣擊穿，危及電纜設備安全，嚴重影響鐵路系統的穩定運行。

因此，有必要針對不同長度、不同載流量的饋線電纜，選擇適合的金屬護層接地方式來降低護層感應電壓。下面對一起開閉所27.5 kV 饋線電纜終端金屬護層燒損案例進行研究分析，得出電纜接地異常引發懸浮電壓高頻放電，從而導致金屬護層引線燒損，用以防范類似缺陷或事故發生。

1 電纜燒損概況

1.1 事故過程

某開閉所饋線GIS 柜內出電纜金屬護層引線燒損現象，經現場人員檢查，該饋線GIS柜下端連接兩根電纜，其中一根電纜的金屬屏蔽層和鎧裝層的接地引出線均受到不同程度的燒損，燒損位置長度約10 cm，具體現場照片如圖1所示。

圖1 電纜金屬護層引線燒損故障現場

進一步調查核實，在送電前施工作業點內，作業人員針對饋線電纜長度較長引起護層感應電壓較大的問題，進行了電纜護層接地方式改造。根據GB50217—2018《電力工程電纜設計規范》中的規定：交流單芯電纜金屬護層的非直接接地點的感應電壓應低于50 V，而電纜護層既有的接地方式為接觸網側一端直接接地，開閉所側一端通過護層保護器接地，且電纜長度匹配的護層接地方式不合理，計劃在電纜中間位置將金屬護層剝開直接接地，兩端分別通過護層保護器接地。該開閉所饋出共計5 路，其中饋出3 路的六根供電線電纜平行敷設排列，如圖2 所示。當其中一根電纜中間位置做好接地后，由于施工人員校線錯誤，導致未設中間接地點的饋線電纜兩端同時裝設護層保護器接地。

圖2 電纜敷設方式

1.2 電纜參數

六根T 線電纜采用埋地方式平行敷設，軸間距離為0.15 m，長度約800 m，起于開閉所GIS 柜，止于接觸網電纜終端塔。饋線電纜為電氣化鐵路專用的單芯銅導體、單相交流、阻燃、鋁材質鎧裝交聯聚乙烯絕緣電纜, 型號為YJY73-27.5 kV 1×300 mm2，具體的電纜材料與結構參數如表1所示。

表1 27.5 kV電纜技術參數

2 感應電壓的理論計算

2.1 穩定運行狀態

根據電磁感應相關理論計算電纜金屬護層的感應電壓，由于工程實際應用中不需要考慮電壓矢量值，只需要計算護層感應電壓的幅值，因此可以簡化計算方法，具體計算過程如下：

圖3為開閉所饋出的六根單芯電纜以平行方式敷設的排列等效圖。圖中，電纜規格和軸間距離相同，T1 表示饋線的故障電纜，線芯導體半徑為r，與其他五根電纜的軸間距離依次為D1，D2，D3，D4，D5，每根電纜流過的線芯電流分別為I1，I2，I3，I4，I5，I6，則T1 電纜單位長度金屬護層的感應電壓為：

圖3 電纜排列等效圖

式中，R表示電纜金屬護層的平均幾何半徑。假設六根單芯電纜流過的電流大小方向相同為100 A，將表1的電纜參數代入到式（1）中，可以得出，T1電纜開閉所一端金屬護層的感應電壓為：

根據理論計算結果，當饋線電纜線芯電流均為100 A 時，T1 電纜非直接接地一端的金屬護層感應電壓為71.44 V，高于現行的規范要求，因此需要通過改變接地方式來降低電纜的護層感應電壓。

2.2 故障運行狀態

當饋線電纜兩端同時通過護層保護器接地時，相當于金屬護層兩端未設接地點，呈懸空狀態，此時電纜電流引起的感應電壓相對于懸浮電壓影響較小，這里不再考慮。

圖4 所示為單芯電纜的電容等效模型圖，可以看作是兩級電容的串聯結構。其中，CCS 和CSE 分別表示金屬護層與線芯導體之間等效電容、金屬護層與地之間等效電容，當護層產生懸浮電位時，根據基爾霍夫電壓電流定律有：

圖4 電纜電容等效模型圖

聯立式（3）和式（4）可得，金屬護層的對地電壓為：

查閱相關電纜技術手冊,得到：

可見，當電纜護層可靠接地消失時，金屬護層上產生很高的懸浮電位，電壓幅值已經超過電纜護層接地引出線的絕緣耐受水平，且低于護層保護器的起始動作電壓7.5 kV，導致高懸浮電位在電纜護層引出線的絕緣薄弱處持續放電，產生高熱量不斷燒損電纜終端護套。

3 仿真分析

本文基于表1 的電纜結構參數，在電磁暫態分析軟件PSCAD/EMTDC 中搭建單芯電力電纜仿真模型，主要采用軟件中Frequency Dependent (phase) Model Option 模型，參數設置如圖5所示，饋線電纜仿真模型如圖6所示。

圖5 電纜等效模型參數

圖6 饋線電纜仿真模型

當電纜處于穩定運行狀態，線芯流通電流為100 A 時，設置仿真步長為5 us，電纜線芯電流和金屬護層感應電壓的波形如圖7、圖8所示。

圖7 電纜線芯電流

圖8 電纜金屬護層感應電壓

由圖8 可以看出，金屬護層感應電壓的峰值為105 V，有效值為74.3 V，與理論計算值基本一致，驗證了電纜數據模型的正確性與準確性。

當電纜處于故障運行狀態時，即圖6中C1電纜兩端的屏蔽層和鎧裝層均通過護層保護器接地，如圖9所示。

圖9 饋線電纜故障仿真模型

圖10 表示電纜在未設接地點的情況下金屬護層產生的懸浮電壓波形，從中可以看出，懸浮電壓的最大峰值為5.4 kV，有效值為3.8 kV，與理論公式計算的結果相符，進一步驗證了電纜模型建立的有效性，也說明了電纜燒損的直接原因。

圖10 電纜金屬護層懸浮電壓

4 防范措施

針對上述分析的饋線電纜終端燒損原因，有必要采取相關措施來提高電纜在牽引供電系統中的運營維護和管理水平，以保障電纜安全可靠地運行。

4.1 提高電纜頭的制作工藝

制作電纜終端頭必須由經過專業培訓且具備資質證書的技術人員擔當，嚴格控制電纜頭制作的工藝要求和技術標準。同時，在焊接過程中，應盡量減小屏蔽層和鎧裝層接地引出線的焊接頭電阻。電纜頭制作完成后應按照試驗規程進行電纜絕緣電阻測試和耐壓試驗，試驗不合格的電纜嚴禁投入運行。

4.2 確保電纜護層接地完好

根據單芯電纜在實際工程中的長度、載流量的變化和敷設方式等因素，在確保金屬護層兩端至少有一個接地點的前提下，采用適合的金屬護層接地方式。電纜的屏蔽層和鎧裝層應分別鏈接護層保護器接地，選取護層保護器時要考慮電纜外護層的絕緣耐受水平，并進行相關試驗確保性能良好后再安裝使用。

4.3 加強巡視檢查工作

供電設備管理單位應安排運營維護人員針對運行中的饋線電纜定期進行一次巡視檢查，主要檢查電纜終端頭的套管有無開裂、臟污及閃絡痕跡，接地引出線是否完好，連接處是否緊固可靠，中間接頭有無變形、溫度是否超過允許值等。同時，針對牽引變電所的饋線電纜每年進行相關測試，確保重要所亭電纜的穩定運行。

5 結束語

針對一起27.5 kV 饋線電纜終端金屬護層引線燒損的故障案例，采用理論計算與PSCAD/EMTDC 仿真相結合的方法，對電纜穩定運行狀態和接地異常狀態的金屬護層感應電壓進行了深層次的分析比較，并得出電纜金屬護層引線燒損故障的根本原因。即在電纜接地方式改造過程中，由于人為失誤導致饋線電纜兩端懸空，金屬護層的高懸浮電位在接地引出線的絕緣薄弱處持續放電，最終造成電纜終端護層燒損?？梢?，運營維護人員仍需在事故中不斷吸取教訓，在實踐中不斷總結經驗，通過強化施工質量控制和完善維護管理措施，確保饋線電纜在牽引供電系統中安全可靠地供電。