35kV城市轨道交通用电力电缆的设计分析

豆蕊 段拓 王春生

西安西电光电缆有限责任公司 陕西 西安 710082

引言

35kV电缆参数选择会影响工程投资和供电系统安全。参数选得好可以节约工程投资，但是当电缆出现故障或者是出现火灾等意外情况时会对整个供电系统稳定运行以及行车安全造成影响。若参数选得太高，虽然增加了系统安全，但是投资太大则建设单位难以负担。所以需要合理选择35kV电缆参数。结合既有工程情况对城市轨道交通供电系统用35kV交联聚乙烯绝缘电缆绝缘水平，屏蔽，阻燃和外护套性能进行了参数分析，提出了建议，可为设计和订货提供参考。

1 整体结构设计

电力电缆是输送电力的媒介，若不经过专门设计结构将是安全隐患。本文根据我国地铁建设项目的要求和相关国家标准，对35kV电力电缆的整体结构进行了如下的分析（其结构如图1所示）。

图1 电缆截面图

电缆选型采用单芯铜导体结构有利于提高电缆载流量、增强系统负荷、减少了电缆在发生故障时的相间短路。此外，采用单一核心构造，可减少单个钢索的自重，增加钢托盘的长度，方便搬运和建造。

电缆所用材料全部采用低烟无卤阻燃材料设计隔热层达到阻燃A级标准，同时可避免火灾中电缆在燃烧过程中排放出大量烟雾及有毒气体阻碍人员撤离及营救，酸性气体危害人员及设备。

2 导体的结构设计

导线采用紧密绞合的圆形铜导线，导线采用GB/T 3953-2009标准，导体性能达到GB/T 3956-2008标准。导线绞制是在有框架绞盘上进行的，在生产过程中可有效地去除导体表面铜灰和铜屑。采用纳米金刚石复合镀膜，可以实现导线的整体形状和表面的光滑。在紧压工艺中，采用分层拉伸模具，减小导线的缠绕和导线损失，从而提高导线的抗拉强度，从而提高导线的抗拉强度。

3 电缆绝缘测定

电缆绝缘耐压水平由电缆设计时U0，U，Um，Up值决定。Uo是用于电缆设计用导体对地或金属屏蔽之间的额定工频电压；U电缆设计用导体间的额定工频电压，而系统的最高工作电压Um，各线芯至屏蔽层或者金属套间雷电冲击耐受电压峰值为Up。

Uo值由电缆所处系统单相接地故障允许时间决定。在GB/T12706中-2020规定有两种电缆：第一种，Uo是21kV，适合每发生一次单相接地故障持续时间不超过1min，也可应用在单相接地故障最多持续8h，年累计125h以内，第二种，Uo是26kV，适合接地故障持续时间较长，且要求电缆绝缘性能比较好的情况。

《高压电缆选用导则》（JB/T8996-19995）第6条，将Uo选用分为甲、乙、丙3类体系进行规定。A类系统是指单相接地故障1min内能快速消除，而B类系统只包含单相接地故障时间较短，通常接地故障时间为1min～2h，个别故障时间为2～8h。C类系统是指非A类与B类中的全部。

35kV线路在城市地铁供电中采用的是低阻接地方式。比如，上海的三号线、莘闵的地铁、5号线等35kV的电缆，都采用了线路纵差法，在一次故障后，35kV的开关会出现亳秒量级的短路。在不进行线纵差动的情况下，过流保护也能达到秒级的失效绝缘。对这类系统而言，电缆导体与地面间I频电压达20.2kV，根据第一类电缆选用Uo值（21kV），达到了本课题的设计需求。然而，是否也能够满足电缆的抗冲击性标准，还有待于进一步的研究。入侵线缆线路的雷电压幅度，主要取决于其特征，也就是说，雷电的幅度与其防护级别 Ubh大致相同。

式中： Klbh─ 避雷装置的防雷防护比率， Uml─ 当某一相位正常时，该体系会发生的过载，是（0.8～1.0）Um，Um是

40.5kV。

磁吹避雷器Klbh是2.7，普通阀型避雷器Klbh则是3.4，对金属氧化锌避雷器Klbh是：

式中：Ublc─ 最大的闪电撞击残余电压，其额定电压为132kV。但电缆线路基本绝缘水平应是Up=（1.4～1.5）Ubh。

测量材料光滑性最重要的指标之一是粒结，它是一种非常小的突起，高度比周围粗糙程度至少大一个量级，且粒结要独立存在，且数量有限，粒结存在会造成局部电场强度过大而影响电缆寿命[1]。超光滑料和普通料粒结数目对比如表1所示。

表1 超光滑料和普通料粒结个数

4 金属屏蔽电缆设计

关于电缆金属屏蔽层的设计，建议采用铜丝铜带屏蔽，但由于各种截面电缆的不同故障和短路能力的影响，招标要求金属屏蔽截面应小于16mm2。所以，金属屏蔽为铜丝铜屏蔽，由一种疏绕软铜线组成，它的表面反侧空腔用软铜胶条缠绕而制成，每根疏绕铜线的空隙不大于4mm。屏蔽铜丝直径为0.8mm。其他常见铜丝屏蔽截面有25mm2，35mm2和50mm2。

但是疏绕后铜丝在制造及使用过程中极易勒入绝缘屏蔽层内，由此对绝缘线的外形产生一定的影响，使其局部放电功率增大，甚至出现超标现象，严重时还会导致电缆发生击穿。为避免铜丝疏绕造成绝缘线芯损坏，在设计中可采取2种办法：一是将1～2层厚度为0.2 mm的半导体尼龙带包裹在该绝缘线的外侧；二是在三次共挤出工艺中增加屏蔽层的厚度，使其厚度从一般0.6mm提高至1.0～1.2mm。

铜丝疏绕屏蔽截面S式如下：

式中，n ─ 铜线的根数，d ─ 以mm为单位的铜线的单丝直径。公式中不考虑疏绕铜带截面，疏绕铜丝绞入率等因素。

金属屏蔽层具有2种功能：一是补偿半导电层在屏蔽方面的缺陷；其二，用作事故电流之通道。当中性点接地系统为单相接地故障或者中性点不接地系统为不同位置两个相同的情况下，故障电流应流过金属屏蔽层。为不至于烧损金属屏蔽层，金属屏蔽层截面应合理选择。

对于35kV小电阻接地系统，通过调整接地电阻值，可以将单相接地故障电流值限制在1000A以内。此类系统电缆线路发生单相接地故障时，一般有以下几种情况：①当线路发生单相接地故障时，线路纵差保护动作跳闸，系统在毫秒级（一般不超过100ms）内脱离故障。②当线路出现单相接地故障时，线路纵差保护不动作，依靠过流保护跳开，系统从秒级（一般不超过3s）中脱离故障。③中性点接地电阻短接不能及时分离，这时电路出现单相接地故障时，电路纵差保护动作跳开，系统从毫秒级（一般不超过100ms）脱离故障。④中性点接地电阻短接不能及时分离，这时线路出现单相接地故障时，线路纵差保护不动作，依靠过流保护跳开，系统秒级（一般不超过3s）脱离故障。⑤中性点接地电阻接点断线不能及时修复，电缆等设备在不同的位置构成两个相同的情况下出现接地故障。

在这几种故障中，①、②比较常见；第③类出现概率低；④、⑤已经是三重故障了，可以不做考证。

5 电缆燃烧过程中烟密度和外护套材料特性的设计

GB/T 17651-1998中对电缆的烟密度作了明确的说明，即当测试所得透光率大于等于1时可以称之为低烟。对取自成缆之护套材料在燃烧过程中之无卤与低卤特性尚无相关标准界定[2]。通常业内人士都认为，电缆在燃烧过程中，析出气体中卤酸颇量低于5mg，属于无卤，卤酸颇量在5～100mg，属于低卤。

通过对缆线的燃烧实验，发现在只有5mg/g的燃用燃气中的卤酸盐含量小于5mg/g-1时，满足高透射性要求、低烟标准。低卤产品在燃烧过程中，烟浓度的透光率通常处于高～低的范围内，不能满足低烟标准的要求。通常所提出的低烟低卤阻燃电缆不够确切，选用低烟、低卤素、耐火的线缆。

35kV交联聚乙烯绝缘防火电缆外护一般是由无卤阻燃聚烯烃和低卤PVC制成的。在使用时，由于使用了大量的卤酸类物质，会对人体产生一定的危害，严重时会对人体产生危害。因此，电缆外壳的烟雾浓度和气体的浓度也是有规定的。

6 电缆的金属铠装层的设计

城市轨道交通用电缆需设置金属铠装层以抵御某些外力作用下电缆受到的损伤以及避免老鼠，白蚁等危害电缆，与此同时金属铠装层还可以增强电缆阻燃性。单芯光缆的金属护罩必须使用无磁材质，避免因磁场产生的磁场而造成的电流过大而造成的高温。无磁材料中常用的原材料有无磁的不锈钢带、铝合金带、软铜带等。因铜带柔软于不锈钢带，采用铜带铠装电缆弯曲性能更好，在施工时敷设方便，通常较为普遍使用。电缆的设计为：软铜带厚度为0.12mm，采用单层重叠绕包，绕包重叠不小于15%。

7 电缆隔火层的设计

为了改善阻燃性能，将隔热层由常规挤压高耐火隔热材料换为0.4 mm厚度的陶瓷橡胶橡胶复合板，可在350℃至3000℃高温下或无火焰条件下进行烧结，形成具有良好的结壳能力，具有良好的防火和良好的阻燃特性。与挤出氧气隔离层相比，缠绕陶瓷化硅橡胶胶条还明显减小了成品电缆的外径，降低了电缆的重量，提高了电缆的抗折能力[3]。

8 电缆外护层的设计

电缆外护层包覆黑色低烟，无卤阻燃；采用聚乙烯等材料，在配方中加入抗白蚁的化学物质，无毒无害，不污染环境。黑色护套还可达到电缆的抗紫外要求，延长护套在露天铺设过程中寿命。

9 结束语

随着中国的快速发展，铁路对有线的需求量日益增大。由于其特殊用途，对电缆的洁净、防火、防水、抗紫外线、抗虫蛀等特性都提出了新的需求。