城轨35kV环网电缆接地方式如何选择,才能减少短路和触电事件?

时间:2024-03-27来源:佚名

昆明地铁运营有限公司的朱丽娇、程晋然、尹兴坚,在《电气技术》上撰文,基于感应电压触电事件分析,根据35kV单芯电缆护层接地方式的选择原则及护层感应电压的计算,给出地铁供电系统中35kV单芯电缆护层的合理接地方式,以降低系统故障率,优化设备管理与运行

城市轨道交通供电系统普遍采用集中式供电方式,供电系统采用110kV/35kV两级电压供电,由35kV中压环网同时向牵引供电系统、动力照明系统供电。综合考虑电缆敷设环境因素,35kV中压环网电缆一般采用交联聚乙烯绝缘钢带铠装防水无卤低烟B类及以上阻燃电力电缆,地下段电缆要求具备防水、防鼠、防蚁、阻燃等性能,高架段/地面段电缆同时要求具备防紫外线老化性能。

35kV中压环网电缆沿地铁线路敷设,考虑单根长度、敷设环节和电缆头制作等因素,通常采用单芯电缆。由于施工工艺及电缆头制造工艺缺陷等问题,运营线路中压环网电缆多发局部放电、绝缘烧伤等事件。


1 35kV单芯电缆特性

1.1 单芯电缆结构

某城市地铁线路35kV环网电缆采用单芯交联聚乙烯绝缘电力电缆,导体截面积为240mm2,单芯电缆结构示意图如图1所示。

城轨35kV环网电缆接地方式如何选择,才能减少短路和触电事件?

图1 单芯电缆结构示意图

1.2 单芯电缆电气特性

1)分布电容

分布电容是由非电容形态形成的一种分布参数,由两个存在压差又相互绝缘的导体构成。带电电缆的分布电容存在于电缆导体线芯和铠装之间,其大小取决于电缆的几何尺寸、长度和绝缘材料。正常运行时,电缆护层接地良好的情况下,电容均匀分布,运行电缆电容电流的分布受金属护层接地方式影响。

结合电容器极板的电量与电压关系式q=CU,以Δt时间内电荷变化为Δq计算电路中的容性电流为IC=Δq/Δt=C∙ΔU/Δt。由于正弦交流电压作周期变化,电缆运行时的电容电流与电压变化率ΔU/Δt成正比。

2)感应电压

当交流电流通过35kV单芯电缆线芯导体时,由于磁力线与电缆金属屏蔽层相交链而产生的感应电压的大小与电缆长度和交流电流大小成正比。金属屏蔽层产生的感应电压同时受外界磁场影响,磁场强度越大,感应电压越大。若电缆金属护套两端接地,则会形成环流。

1.3 单芯电缆接地方式规范要求

根据GB 50217—2018《电力工程电缆设计标准》4.1.11条款规定,电缆屏蔽层的最大感应电压在任何位置都要小于50V,同时产生的环流不能损坏电缆。

根据GB 50217—2018《电力工程电缆设计标准》4.1.12条款规定,高压单芯电缆的接地方式一般有以下几种:

1)线路不长且屏蔽层感应电压满足规范要求的电缆,在线路一端或中部采用单点直接接地、其他侧经保护器接地的方式。

2)线路较长,单点直接接地方式屏蔽层感应电压无法满足规范要求时,水下电缆、35kV及以下电缆或输送容量较小的35kV及以上电缆,可采取在线路两端直接接地。

3)除上述情况外的长线路,将其划分为若干单元,在每个单元内将电缆分为等距的3个区段, 每区段间设置绝缘接头或实施电缆金属层的绝缘分隔, 以交叉互联接地。


2 某地铁35kV环网电缆测试触电事件调查分析

2.1 事件背景

某地铁运营线路多发35kV环网电缆中间头接地短路事件,初步判定电缆中间头击穿原因与环网电缆屏蔽及铠装的电气特性有关。为进一步探究电缆屏蔽层和铠装层接地方式对电缆运行的影响,查找35kV环网电缆中间头击穿故障多发的原因,技术人员在某地铁站变电所组织开展35kV环网电缆感应电压及环流测量工作。

作业人员解开开关柜侧护套接地点连接线后,在测试过程中发生35kV电缆护层感应电压触电事件。

2.2 现场调查分析情况

结合现场设备、维保记录、运行环境等因素进行事件调查,具体如下:

1)35kV高压开关柜室温度在25~26℃,湿度为62%~70%RH,满足电气设备运行温、湿度环境条件。

2)测试线路及35kV开关柜均按周期开展运维巡视检查等作业,各项指标均无异常。

3)测试线路35kV电缆护层在设计及建设阶段采用两端直接接地的方式。35kV环网电缆电气参数见表1,表1中U0为电缆设计用的导体对地或金属屏蔽之间的额定工频电压有效值。

城轨35kV环网电缆接地方式如何选择,才能减少短路和触电事件?

表1 35kV环网电缆电气参数

测试线路单芯电缆采用铝金属护套、聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)外护套,A、B、C三相的三根电缆呈等边三角形分布(三相品字型)敷设,敷设在空气中,金属护套两端接地,测试线路敷设示意图如图2所示。

城轨35kV环网电缆接地方式如何选择,才能减少短路和触电事件?

图2 测试线路敷设示意图

测试线路长度约2.05km,共计2个电缆中间头(将电缆分割为三段,每段长度约为627m、820m、599m),在电缆中间头位置设置接续线将金属层贯通连接,测试线路中间头分布示意图如图3所示。

城轨35kV环网电缆接地方式如何选择,才能减少短路和触电事件?

图3 测试线路中间头分布示意图

2.3 基于现场调查的推断

1)35kV电缆容性电流理论值计算

城轨35kV环网电缆接地方式如何选择,才能减少短路和触电事件?

式(1)-(2)

2)35kV电缆金属护层感应电势理论值计算

城轨35kV环网电缆接地方式如何选择,才能减少短路和触电事件?

式(3)-(5)

回路电缆情况下,假定每回电缆的I、r分别相等,测试线路参数见表2。

城轨35kV环网电缆接地方式如何选择,才能减少短路和触电事件?

表2 测试线路参数

代入线路参数及停运后的线路工作电流,计算测试线路A、B、C相的单位长度感应电势,即

城轨35kV环网电缆接地方式如何选择,才能减少短路和触电事件?

式(6)

3)35kV电缆护层续接导通性测试

测试人员触电事件发生后,采用外加电源及测试仪器进行现场35kV电缆护层接地导通性测试。外加电源对屏蔽或铠装与地之间输出直流电流,测量回路电压,若无法建立电流则表明电缆护层的接地回路不通。测试情况记录见表3。

城轨35kV环网电缆接地方式如何选择,才能减少短路和触电事件?

表3 测试情况记录

测试结果表明,测试线路A、B、C三相电缆铠装已呈断路状态,B、C相屏蔽呈断路状态。

2.4 事件还原与原因分析

基于上述技术理论及测试分析,推断测试人员触电原因及过程如下:

1)作业人员悬挂辅助接地线后,拆除测试线路开关柜侧电缆铠装及屏蔽接地线。

2)测试电缆距测试地点1.42km处中间头屏蔽层电气连接失效,在拖拽屏蔽层引出线缆过程中,施工辅助接地线固定不可靠,该缆线与地线分离,呈电气悬浮状态,因电缆分布电容造成该缆线感应电压激增。

3)由于本侧电缆屏蔽与对端电缆屏蔽接地回路不导通或通路电阻过大,线芯屏蔽和金属护套的电容电流没有流入大地的回路。

4)测试人员单手握住屏蔽线拖拽过程中,身体其余部位与开关柜体(接地)接触,感应电经测试人员拖拽电缆的手进入身体,经与柜体接触的身体部位形成回路,造成人员触电。


3 城市轨道交通35kV环网电缆接地方式

城市轨道交通35kV环网电缆接地普遍采用单端直接接地方式、两端直接接地方式。由于地下隧道空间有限,且交叉互联接线复杂、不易实施,一般不采用交叉互联两端接地方式。

35kV环网电缆采用单端接地方式时,电缆金属护层中无环流。若系统短路电流流经线芯,则非接地端将产生感应电压。当电缆外护层绝缘损坏时,电缆护层出现多点接地,将产生环流。为避免不接地端因雷电波或过电压波在线芯内流动而产生的冲击电压损坏电缆外护层,通常在另一端设置护层电压限制器,以限制多点接地产生的过电压。

35kV环网电缆两端金属护层直接接地方式无需设置护层电压限制器,投资小且供电距离相对较长,但由于电缆中部感应电压大、环流较高,会增大损耗并降低电缆载流量,加速电缆绝缘老化,降低电缆寿命。

高架段线路敷设的35kV环网电缆多发电缆中间头绝缘击穿事件,结合运营线路设施设备维修保养经验进行分析,初步判断其原因为:受电缆外护套材质及工艺等因素影响,环网电缆在户外环境下长期运行易引起外护套收缩,造成电缆中间头屏蔽层电气连接异常拉伸后在其内部形成断点。

通过对感应电压触电事件的分析,结合既有运营线路中压环网电缆故障情况,初步确定中压环网电缆接地方式选择方案如下:

1)高架段/露天段敷设的环网电缆受阳光及气候因素影响较大,电缆容易变形,建议优先采用双端接地方式。

2)地下段敷设的环网电缆由于受日光照射较少,可采用单端接地方式。


4 结论

城市轨道交通供电系统昼夜工况差异较大,35kV中压环网电缆应结合电缆选型、负荷电流、线缆长度校验感应电压,综合考虑电缆接地方式的经济性及合理性。针对运行中的环网电缆,维护单位应加强电缆护套环流监测,同时定期进行电缆测温及屏蔽层绝缘测量,并将接地箱检查纳入日常巡检工作。


本工作成果发表在《电气技术》,论文标题为“基于感应电压触电事件分析的35kV单芯电缆护层接地方式研究”,作者为朱丽娇、程晋然 等。

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