浅析轨道交通供电系统直流电缆故障原因及治理对策论文_姚攀

摘要：城市轨道交通以其快速、安全、准时及载客容量大等特点而成为解决大中城市交通拥堵的首选方案。牵引直流馈出电缆是保障轨道交通正常运行的关键设备,其绝缘状况直接影响着轨道交通安全供电。

关键词：轨道交通；供电系统；直流电缆；故障原因；改进

一、电缆电气结构

直流1500V电力电缆联接于直流断路器和接触网隔离开关之间,长度在100~400m不等,电缆的截面为400mm2,为提高供电能力，采取5根并联方式运行(见图1)。电缆采用非紧压型、多股圆铜线组成的导体、乙丙橡胶(EPR)绝缘和低卤阻燃护套的结构。由于该结构的电缆未采用阻水带和铠装,在防止径向渗水和一般机械外力伤方面存在着不足。

图1地铁牵引电气结构

二、电缆的安装敷设及运行环境

采用多股圆铜线、无金属铠装的结构形式，为安装敷设带来了便利。尤其在接触网隔离开关的一端,受铁塔的空间所限，带铠的硬电缆曲率半径过大,连接困难,容易造成电缆头长期受力。某轨道交通1号线南延伸段及车辆段均采用了穿管与土壤直埋相结合的敷设方式,地下变电站采用电缆桥架敷设。由于电缆层的高度所限，位于站台下层高仅1.2m,给电缆的敷设和今后的巡视带来了困难。

三、对直流馈出电缆的具体工况进行介绍以及对产生的故障进行统计

通常情况下，轨道交通所使用的直流供电系统包含的主要有：牵引变电站、接触网系统以及降压变电所等，图2为直流供电系统图。对于牵引降压变电所，主要是通过整流变压器以及整流器所构成的相应整流机组把电压为33kV、10kV、35kV的电压变为DC1500V/DC750V，利用高速直流开关供电给接触网，然后通过钢轨以及回流电缆重新回到整流机组负极。

直流馈出电缆的作用就是将高速直流开关与相应的接触网连接起来，电缆铺设的主要位置是变电所电缆夹层里面、地面电缆沟里面的相应电缆支架上以及区间隧道侧壁。图3为某地铁轨道交通中的直流馈出电缆，所使用的导线是由非紧压性的具有多股圆通线所构成的，绝缘材料是乙丙橡胶，还使用了低卤阻燃护套，无阻水带以及无铠装。直流馈出电缆的具体额定运行电压是1.5kV，当机车经过的时候，电缆上会产生负荷电流，当没有机车经过时或者在夜间地铁停运的时候，电缆上没有负荷电缆。

图2直流供电系统图

图3直流馈出电缆

四、直流馈出电缆故障分析

通过故障统计及对现场发生故障点的运行环境分析后,认为直流电缆发生故障主要的原因可分为以下几类:

（一）水分引起的绝缘老化

当橡胶与PVC材料浸水之后，通过电压的作用会使绝缘电阻等电气性质下降，产生这种故障的位置主要是地下站中的沟架电缆以及地面站中的直埋电缆。如果电缆浸水或者是受潮后会导致绝缘材料发生老化，经过长时间的发展，最终成为具有永久性的一种接地短路故障。

（二）电缆受电动力作用引发

5根400mm2截面的电缆平行敷设,由于关键部位电缆绑扎带的数量不够，供电线路发生过电流，直流断路器跳闸时,电动力作用使得电缆晃动,撞击电缆桥架的联接螺栓引起短路。

（三）敷设曲率半径不够引发

地面站的直流电缆采取直埋方式敷设,在铁塔基础的底部,由于敷设的曲率半径不够,造成电缆外侧的绝缘层受力拉延,使绝缘层受损开裂,最终引发接地故障。某地铁车站直流电缆曾多次发生此类故障

（四）高频脉冲使得绝缘发生老化现象

在电缆运行的过程中，电压会跟着负荷变化而产生相应的变化，会发生过电压现象，其中最大的电压值能够达到3kV，是电缆正常工作的电压值1.5kV的两倍；地铁列车通常会使用暂波进行调速，运行过程中列车会发出很多高次谐波。图4是某地铁电缆在具有负荷的时候的详细电压波形，高次谐波以及高压脉冲会加速绝缘的老化，最终使得绝缘阻值变小而产生故障。

图4是某地铁电缆电压波形

五、改进措施

（一）预防措施

采用在线监测手段检测电缆绝缘参数,分析电缆绝缘的劣化趋势,进行故障监测,提前预警。定期测试直流电缆的对地绝缘电阻。由于牵引供电系统采用悬浮供电,其测试数据只能作为参考。当测试数据较历史记录下降幅值较大时,增加测试频度,必要时对电缆进行逐根测试，以确认数值较低的电缆。对直流电缆敷设情况进行排查,改善运行环境,改直埋敷设为电缆沟架空敷设。对桥架敷设的电缆进行适当固定,对有金属突出物的弯角,采取适当增加绝缘的方法处理。新建线路或改造项目,尽可能采用带铠装的软电缆,有条件的可以采用在线检测及专家评估系统评定绝缘的优劣。

（二）对故障进行预警

目前，对直流馈出电缆采用的检测方式一般都是离线监测或者是进行周期性的一种耐压试验，主要是依靠各种动作报警来发现和切除已经损坏的电缆。因为目前所使用的检测方法具有相应的缺点，所以可以使用在线检测方式，对电缆绝缘参数进行在线检测，对电缆绝缘劣化倾向进行分析，然后检测故障，制定相应的预警体制。

（三）故障应急措施

建立故障预案,规定处理流程,提高故障处理的效率。比如将现有的接触网上网隔离开关,由手动操作改为电动操作,减少操作人员往返的时间;实现SCADA遥控、站内遥控的二级控制,以提高故障处理的效率。

（四）对项目进行改造

排查直埋敷设电缆，对运行环境进行改善，在条件允许的情况下将直埋敷设换成电缆沟架空敷设；对于新建线路，应该选择具有阻水带以及带铠装的柔性电缆，以此来提升电缆所具有的抗外力以及防水功能；设置在线监测系统，对电缆所具有的绝缘水平进行评定。

六、结语

总之，建议设计单位在新线建设或改造项目设计中,尽可能采用带铠装的软电缆,以提高绝缘测量数据的准确性和可信度。有条件的可以通过在线检测手段,建立专家评估系统,评定绝缘的优劣并预警其劣化趋势。此外,改进直流电缆制造工艺,提高直流电缆敷设质量,改善直流电缆运行环境,也是行之有效的手段。

参考文献：

[1]沈小军，达世鹏，江秀臣，等.轨道交通直流馈出电缆故障分析及对策[J].高电压技术，2013，33（6）：174-176.

论文作者:姚攀

论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期

论文发表时间:2020/1/2

标签：电缆论文;  故障论文;  在线论文;  电压论文;  供电系统论文;  运行环境论文;  轨道交通论文;  《基层建设》2019年第27期论文;