京沪高速铁路27.5 kV供电电缆接地问题探讨

张 健



京沪高速铁路27.5 kV供电电缆接地问题探讨

张 健

针对京沪高速铁路牵引供电电缆绝缘击穿事故，对单芯27.5 kV牵引供电电缆的结构、特点进行了分析，对不同长度的牵引供电电缆接地方式提出相应的整改措施。

供电电缆；接地方式；绝缘击穿；应用改进

0 引言

随着高速铁路的快速发展，新建高铁牵引变电所亭全部使用集成度高、免维护的GIS组合电器。GIS开关柜采用高压电缆进出线，因此27.5 kV牵引供电电缆在高速铁路中得到了广泛应用。由于牵引供电电缆敷设在电缆沟槽中，若电缆发生绝缘击穿，很难被发现，加强对供电电缆接地问题的分析研究，对保证牵引供电设备安全运行尤为重要。

1 牵引供电电缆事故案例及原因分析

2012年12月，京沪高铁华苑牵引变电所221#馈线的2条桥上供电电缆相继发生绝缘击穿，事故影响较大。

1.1 事故概况及影响

（1）2012年12月23日07：12：01，华苑变电所221断路器跳闸，重合闸失败，断路器阻抗I段动作。

经排查，发现493#供电杆处，221#馈线电缆2条中的1条（221-1）绝缘烧伤击穿，故障造成行车中断48 min。

（2）2012年12月29日07：23：16，华苑变电所221断路器跳闸，重合闸失败，断路器阻抗I段动作。

经排查，发现525#供电杆处，221#馈线电缆中的另1条（221-2）绝缘烧伤击穿，故障造成行车中断16 min。

由以上2起事故可见，电缆故障将影响铁路正常供电及行车秩序。高铁白天车流密度大，一旦发生事故，造成的影响范围大，严重干扰行车秩序。

1.2 电缆绝缘击穿原因分析

华苑变电所221#供电电缆全长4 000 m，共计2根27.5 kV单芯电缆，型号为YJV72-240 mm2交联聚乙烯绝缘非磁性金属丝铠装聚氯乙烯护套电力电缆，2根电缆接地方式见图1。

因221#馈线电缆较长，设置了多处电缆保护接地。221-1电缆故障点在金属护套直接接地点（3）处，221-2电缆故障点在金属护套直接接地点（1）处，绝缘击穿故障点均为电缆金属护套直接接地位置。由图1可知，（1）、（3）为电缆金属护套直接接地点，（2）为电缆通过直通电缆中间头加护层保护器接地点。

经深入调查分析发现，虽然（2）为电缆通过直通电缆中间头加保护器接地点，但是由于施工时未将电缆金属护套截断，电缆金属护套保持连通，当（1）、（2）、（3）之间2个区段供电电缆金属护套上出现感应电压时，感应电动势在（1）和（3）之间形成环流，（2）处护层保护器接地未起到保护作用，造成电缆长期超温运行，绝缘性能下降，最终导致直接接地点（3）或（1）绝缘击穿。

（a）221-1电缆

（b）221-2电缆

注：示意图中（1）、（2）、（3）分别代表相应接地点。

图1 华苑变电所221#馈线供电电缆接地示意图

经事故调查发现，击穿点施工工艺不符合技术要求，造成直接接地点电阻过大，在长时间环流运行中，电缆绝缘性能下降，是引发该次绝缘击穿事故的另一个原因。

2 27.5 kV牵引供电电缆接地方式分析

2.1 单芯供电电缆的特殊性

由于单芯供电电缆存在金属保护层，而金属保护层与芯体间可以看成是一个单匝变压器，当芯体中流通交变电流时，会在金属保护层中产生感应电动势，感应电压的大小取决于芯体电流的大小、芯体的长度等。

2.2 单芯供电电缆保护措施

由于电缆较长，金属保护层上将产生较高的感应电动势，电动势过高将击穿绝缘护套，导致高电阻接地，形成局部过热损坏电缆主绝缘，造成电缆事故。因此，对于大截面单芯电缆通常釆取金属保护层接地的保护措施，将感应电动势限制在安全范围内，并且可提高芯体载流量，减少电能损失。27.5 kV供电电缆金属保护层有如下几种接地方式：

（1）一端直接接地，另一端悬空。该方式适用于长度小于400 m及容量较小的电缆（图2）。

图2 —端直接接地，一端悬空

该方式操作简单，由于一端悬空，当芯体存在过电压或过电流时，金属保护层中将产生很高的工频电压，电缆护套不能承受这种过电压的作用时，将出现多点接地，形成环流，进而破坏电缆主绝缘，造成电缆主绝缘击穿，引发故障。

（2）一端直接接地，另一端通过保护器接地。该方式是单芯供电电缆常用的接地方式，适用于长度小于800 m，中间没有接头的电缆（图3）。

图3 —端直接接地，一端经保护器接地

接地保护器可防止电缆金属保护层与大地之间形成环流，不会出现超温运行，一旦感应电动势超过了保护器的限制范围，电流将通过保护器泄漏到大地中，实现金属保护层的过电压保护，防止电缆护套被击穿。

（3）电缆中点直接接地，两端通过保护器接地。该方式适用于大于800 m，小于1 600 m的电缆线路。在电缆中点处将金属保护层直接接地，电缆两端通过保护器接地，接地方式如图4所示。

图4 中点直接接地，两端经保护器接地

该方式可视为“一端直接接地，另一端通过保护器接地”方式的串联，适用于电缆长度为原来2倍的电缆。中间直接接地可以通过2种方式实现：一种直接在中间位置安装直通电缆中间头，通过中间头将金属保护层引出接地；另一种是在不破坏电缆主绝缘的前提下，直接在电缆中间剥开电缆护套，将金属保护层引出接地。

（4）中点通过保护器接地，两端直接接地。该接地方式同样适用于大于800 m，小于1 600 m的电缆线路，与前一种方式类似，区别在于保护器安装位置变为中间位置，两端直接接地。接线方式如图5所示。

在中间加装绝缘电缆中间头将金属保护层引出，分别经保护器接地，采用该接地方式时，必须截断电缆中间位置处的金属保护层。

图5 中点经保护器接地，两端直接接地

3 221#馈线供电电缆接地问题整改

3.1 华苑变电所221#馈线供电电缆存在的问题

由图1（a）可知，在供电杆539#—493#间，由于中点523#杆处使用直通电缆中间头，造成2段电缆金属护层导通，539#杆、493#杆处直接接地，形成多点直接接地的情况。同样，电缆在443#杆—395#杆间，由于中点417#杆处使用直通电缆中间头，造成2段电缆金属护层导通，通过395#杆、443#杆处直接接地。可见221-1电缆的接地方式不合理，存在严重的安全隐患，需进行改造。

通过分析图1（b）可知，221-2电缆与221-1电缆存在相同的问题。

综上分析，221#馈线供电电缆金属保护层接地方式存在严重问题，应重新制定电缆接地施工方案，改进接地方式，消除事故隐患。

3.2 制定改进方案并实施

依据华苑变电所221路供电线电缆布置图、现场调查资料及现场测量数据制定电缆改造方案。

221#馈线电缆（全长4 000 m）长度超过 2 000 m，因此必须采用分段接地保护的方式。根据对27.5 kV牵引供电电缆金属保护层接地方式的研究，结合现场设备情况，将电缆分成7段，每段不超过800 m，并采用每段电缆一端直接接地，另一端经护层保护器接地方式（对于长度超过 1 000 m的电缆，可加增电缆中间头）。华苑变电所221#馈线电缆接地改造方案如图6所示。

3.3 改进效果

依据改造方案，京沪高铁华苑牵引变电所221#馈线2条供电电缆改造于2013年1月完成，运行至今已4年多，未发生任何故障，对电缆进行巡视检查也未发现不良状况，说明改造方案效果良好。

（a）221-1电缆

（b）221-2电缆

图6 华苑变电所221#馈线电缆接地改造示意图

4 结语

为保证牵引供电系统27.5 kV供电电缆的安全，需对供电电缆金属保护层进行接地处理。为了确保接地效果，应根据电缆长度，采取不同的接地方式：当电缆长度小于400 m时，宜采用一端直接接地，一端悬空的接地方式；当电缆长度小于 800 m，大于400 m时，宜采用一端直接接地，另一端经保护器接地的方式；当电缆长度大于800 m，小于1 600 m时，宜采用护层中点直接接地，两端通过护层保护器接地的方式；当电缆长度大于 1 600 m时，宜采用分段保护接地方式，可将电缆分段，每段不超过800 m，中间位置用绝缘中间头将金属保护层引出，两端分别经保护器接地，杜绝多点直接接地。在电缆头制作、接地线直接引出等施工中必须严格按照施工技术标准操作，防止因施工工艺不达标造成电缆故障。

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Power supply cable; earthing mode; insulation breakdown; application and improvement

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.020

U223.8+3

B

1007-936X(2017)05-0086-05

张 健.中铁电气化铁路运营管理有限公司，助理工程师。

2017-03-27