萬 勇，譚炳富，郭遠哲

（廣州地鐵集團有限公司，廣東廣州 510000）

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直流高壓電纜擊穿故障分析及防范措施

萬 勇，譚炳富，郭遠哲

（廣州地鐵集團有限公司，廣東廣州 510000）

摘 要：直流電纜作為直流輸電系統(tǒng)中的主要載流部件，其運行狀態(tài)關系著地鐵牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以廣州地鐵 6號線高架段直流 1500V 高壓電纜擊穿故障為例，分別從電纜運行工況、故障原因探究、預防措施制定等方面展開論述，并簡述電纜故障測試儀、超聲波檢測儀在地鐵的應用，為同類型的地鐵 1500V 直流電力電纜的安全運行提供參考。

關鍵詞：地鐵供電；直流電纜；擊穿故障；故障分析；措施

廣州地鐵 6號線首期工程于 2013 年12月28日正式開通試運營，是廣州地鐵第 1 條同時擁有柔性、剛性、第三軌 3 種供電方式的線路。開通運營 2 年多來，廣州地鐵 6號線接觸網(wǎng)發(fā)生了 2 起直流 1500V 電纜故障，所幸故障均未影響運營。運行穩(wěn)定、狀態(tài)良好的供電系統(tǒng)是地鐵可以正常運行的前提條件，高壓直流電纜運行狀況直接影響著軌道交通供電安全，而絕緣不良造成電纜放電、擊穿是電纜最主要的故障，因此，保障電纜運行狀態(tài)良好是維持軌道交通電力系統(tǒng)穩(wěn)定、安全的關鍵一環(huán)。本文從 1 例典型的電纜故障入手，探索預防電纜故障的一些具體措施。

1　故障情況

2015年10月6日晚 0 : 53，廣州地鐵 6號線沙貝—河沙上行（公里標 YDK3+000）Y避正32避雷器高壓側(cè)電纜放電擊穿，引起潯峰崗 214、河沙 212 開關瞬時過流保護動作跳閘，6B2 區(qū)短時失電后自動重合閘成功（圖 1），事發(fā)時故障區(qū)段無列車開行，事發(fā)后立即組織接觸網(wǎng)專業(yè)人員檢查，現(xiàn)場處理后，恢復設備運行，故障未對運營造成影響。

2　電纜工況簡介

擊穿的高壓直流電纜一端同接觸軌連接，另一端連接至避雷器端，電纜由 1×150mm2銅絲束絞、股線復絞圓銅組成的導體、乙丙橡膠（EPR）絕緣和低煙、低鹵、B 類阻燃帶、防紫外線護套構成（圖2），電纜具有徑向阻水的功能。

3　故障原因分析

對故障點處的避雷器進行拆卸，外觀檢查并無閃絡或擊穿現(xiàn)象，送檢后其預防性試驗數(shù)據(jù)見表 1（注：YH5WS-17/75 避雷器直流 1mA 參考電壓不小于 25kV，0.75U1mA時電流不大于50 μA），數(shù)據(jù)表明該避雷器性能參數(shù)合格，能滿足 6號線接觸軌防雷系統(tǒng)要求。結(jié)合潯峰崗 214、河沙 212 開關瞬時過流保護動作跳閘后自動重合閘成功的故障現(xiàn)象，可推知該故障為瞬間金屬性接地故障，排除因避雷器內(nèi)部電阻片老化（或劣化）、泄漏電流大幅度增加或者避雷器元件發(fā)生擊穿性短路故障導致的接地故障發(fā)生。

通過對故障電纜進行解剖，發(fā)現(xiàn)故障電纜的主絕緣有割傷，同時內(nèi)部銅芯也有不同程度的割斷，綜合考慮故障點的運行環(huán)境，總結(jié)原因如下。

（1）直流電纜介質(zhì)沿面放電導致電纜絕緣下降。制作過程中，熱縮套管內(nèi)部含有雜質(zhì)、汗液及氣隙等，加之電纜終端頭外的熱縮套管由于在高架段露天段經(jīng)受一年四季的氣候變化，強烈的溫差以及潮濕的環(huán)境導致熱縮管劣化，雨季時，有大量水分附著在高壓側(cè)電纜上，極易通過外層的熱縮套管氣隙滲入到電纜剝接層，同時雜質(zhì)、氣隙等共同作用下極有可能造成介質(zhì)沿面放電，導致主絕緣逐步下降。

（2）長期局部放電加速了電纜的絕緣老化。電纜的主絕緣層已滲水，由于在施工做端子頭壓接時電纜主絕緣末部制成錐體，如圖 3 所示，但由于剝接工藝質(zhì)量控制不到位，絕緣層、電纜銅芯處有割傷，造成主絕緣層被破壞，導致外護套與平滑過渡層間產(chǎn)生氣隙，加大了電暈產(chǎn)生的可能性，成為局部放電源。因為氣隙的相對介電常數(shù)小于乙丙橡膠的相對介電常數(shù)，導致氣隙內(nèi)部電場強度高于周圍的乙丙橡膠，易發(fā)生擊穿，即產(chǎn)生局部放電，引起絕緣腐蝕和老化[1]，使材料電導率變大，造成絕緣損傷。

圖1　供電區(qū)示意圖

圖2　電纜結(jié)構圖

表1　故障點避雷器測試數(shù)據(jù)

圖3　電纜剝接工藝圖示

在局部放電和沿面放電的共同作用下，熱縮管失去應有的防水絕緣功能，經(jīng)過以上因素的共同作用和長期累加，以及故障發(fā)生前連日暴雨雷鳴，環(huán)境空氣濕度大，致使局部放電區(qū)域逐漸擴大，當電纜通過暫態(tài)過電壓時，最終導致電纜絕緣Ⅱ段處絕緣薄弱點瞬時閃絡性擊穿，電纜突然泄露大量電流，造成直流電纜線芯通過其金屬箱體接地短路（圖 4）。

圖4　箱體內(nèi)短路圖示（單位：mm）

4　預防措施

根據(jù)以上原因分析，需認真地對轄區(qū)所屬的直流1500V 正極電纜及附屬高壓側(cè)連接電纜進行一次全面檢查，并針對電纜頭制作及包扎工藝方面的缺陷，進行如下專項優(yōu)化整改。

（1）按照標準的制作工藝壓接好端子（圖 5），在終端與電纜的空隙處填充1層高壓絕緣膠帶（圖 6）。注意保持清潔，盡量壓縮制作時間，剝切電纜后，保證制作時連續(xù)，連貫完成。

（2）在終端與電纜連接處包防水層，以半重疊方式纏繞 1 層防水帶，與電纜外護套搭接 12～15cm（圖 7），防水帶必須包裹住端子與電纜區(qū)域，注意防水帶的纏繞方向（從電纜護套端往壓接端子方向纏繞，進一步減少滲水）。

圖5　壓接電纜頭端子

圖6　填充終端與電纜的間隙

圖7　防水帶纏繞

（3）確保防水帶兩端密貼，不得留有空隙；包高壓絕緣層，絕緣層必須要把防水帶全部包裹住，在防水帶上方以半重疊方式纏繞 1 層高壓絕緣膠帶（圖 8），注意高壓絕緣膠帶需在防水帶兩端各搭接 15mm，同樣兩端也要密貼。

圖8　纏繞高壓絕緣帶

此外，要保障直流 1500V 電纜及附屬高壓側(cè)連接電纜運行安全，還需要做到以下幾方面。

（1）故障預防措施。周期性開展直流電纜的絕緣測試工作，一定程度上可以對比分析電纜絕緣的劣化趨向，如果測試的數(shù)據(jù)異常時，須進一步測量吸收比（K = R60s/ R15s）和極化指數(shù)（PI = R10min/ R1min），綜合比較 K 和 PI 值來判斷設備的運行情況。

（2）故障應急響應。地鐵行車密度大，一旦發(fā)生供電開關跳閘故障，需要第一時間組織檢修人員登乘，加強該區(qū)段巡視。如果重合閘不成功，需立即啟動相關搶險應急預案，盡量減少故障對運營的影響。與此同時，針對性做好前期應急備品備件及專用搶險工器具的儲備，提高故障時的應急處置效率。

（3）加強電壓及負荷檢測。對電纜的運行負荷情況進行常態(tài)化檢查、跟蹤，確保電纜的載流量保持在允許持續(xù)載流量以下，若電纜過負荷運行現(xiàn)象長期存在，應及時開展針對性核查整改，如此將有效減緩電纜絕緣的老化速度，延長電纜的使用壽命。

（4）新線施工隱患規(guī)避。根據(jù)既有線路的運營維護經(jīng)驗，在后續(xù)的新線施工介入期，為增加供電安全可靠性及減少接管后的維護量，應積極協(xié)調(diào)新線接觸網(wǎng)（軌）直流1500 V正極電纜及附屬高壓側(cè)連接電纜按優(yōu)化后的電纜頭制作及包扎工藝開展施工安裝；同時，建議在后續(xù)新線建設中明確上述要求并作為標準執(zhí)行。同時新線在敷設電纜時要嚴格按規(guī)定敷設，以實際現(xiàn)場地形、地況為基準并結(jié)合周邊的工程施工開展情況進行敷設，規(guī)避施工隱患。

5　電纜故障定位及超聲波檢測技術應用

5.1XF28-1960 弧反射電纜故障定位儀的應用

在電纜出現(xiàn)故障后，第一時間判斷出電纜的故障性質(zhì)，根據(jù)故障性質(zhì)選擇相應的定位方法，對于埋地隱蔽電纜及長大區(qū)間電纜快速查找電纜故障點，對恢復設備正常運行顯得尤為必要。

（1）低壓脈沖法測量。測試時向電纜注入一低壓脈沖，該脈沖沿電纜傳播到阻抗不匹配點，如斷路點、短路點、中間接頭等，通過故障點反射脈沖與發(fā)射脈沖的時間差原理來測距[2]。

將X F28-1960電纜故障定位儀的控制面板上RADAR/THUMP 切換開關切換至 RADAR，選擇波速及測量范圍，確保正極測試引線接電纜線芯，負極接在電纜屏蔽上（圖 9），接好線后就可以進行低壓脈沖法測量。

（2）高壓弧反射法測量。這種方法在操作過程中主要是先將電纜通電，運用沖擊高電壓或者直流電壓之后觀察所發(fā)出的電壓脈沖在故障點與發(fā)出點之間的距離，進行故障點的測距，這種方式主要用于對閃絡性與高阻 2 種故障[3]。

為便于與高壓弧反射波形進行比較，先用低壓脈沖法測出線路全長波形，保存波形后將 XF28-1960 電纜故障定位儀的控制面板上的 RADAR/THUMP 切換至THUMP，通過“VOLTAGE ADJUSTMEN”調(diào)節(jié)電壓，電壓等級選擇 14kV/28kV，選擇波速及測量范圍后開始測量。圖10 中紅色為高壓沖擊反射波，藍色反射波為低壓脈沖反射法測出的線路全長，故障點的距離是 208m，下降沿起始處就是故障點的距離[4]。

圖9　測試接線方法

5.2超聲波檢測儀的應用

電氣設備運行時，往往會在重大事故發(fā)生前出現(xiàn)電弧放電、漏電痕跡、電暈放電等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會使附近的空氣離子化而產(chǎn)生超聲波，所以，可使用UP2000超聲波檢測儀對直流高壓電纜運行工況進行預防性檢測（圖11），便于及早進行維修，避免重大事故的發(fā)生。

5.2.1原理概述

當有放電情況發(fā)生時，放電會產(chǎn)生超聲波信號，該儀器會通過探頭接收到該超聲信號，并通過轉(zhuǎn)換變成耳朵可以聽到的聲音。超聲波具有基本沿直線傳播的特性，因而可以通過檢查超聲波信號定位放電產(chǎn)生的位置。

該儀器可以檢測以下 3 個基本電氣問題。

（1）電弧。電流通過空間流動時產(chǎn)生電弧，閃電就是一個很好的例子。

圖10　高壓沖擊反射波形

圖11　UP2000 超聲波檢測儀

（2）電暈。當電壓在電導體上，像天線或者高壓傳輸線超過極限值，導線周圍的空氣藍色或紫色光開始電離。

（3）爬電。常涉及到像微型電弧，伴隨著破壞性絕緣通道。

當高壓電纜上有電流放出或電氣連接時間隙過小，它繞亂周圍的空氣分子并產(chǎn)生超聲波，這些信號用耳機聽起來就象油炸聲或嗡嗡聲。

5.2.2使用方法

（1）儀器的頻率旋鈕調(diào)至 40kHz 或“fixed band”。

（2）模式旋鈕調(diào)至“Log”。

（3）帶上耳機并一直按住主機開關。

（4）將起步靈敏度調(diào)到最大值 10，在測試過程中可以根據(jù)耳機的音量進行調(diào)整。

（5）用主機槍口處的探頭對測試區(qū)域進行掃描。從“粗略”逐步到“精確”，微調(diào)靈敏度以接近放電位置。

（6）如果在該區(qū)域有太多的超聲波，減低靈敏度并且繼續(xù)掃描。

（7）如果存在環(huán)境噪聲，把橡膠聚焦頭套在掃描探頭上并掃描測試區(qū)。

（8）觀察儀表并收聽接收到的超聲波信號。

（9）跟隨聲音最響點，越接近放電點，儀表讀數(shù)越高。

（10）繼續(xù)調(diào)節(jié)靈敏度旋鈕并移動儀器探頭靠近被懷疑的放電或泄漏點，直到能確定。

6　結(jié)論

此次 6號線高架段直流高壓電纜擊穿故障主要因施工期剝接工藝控制不到位導致主絕緣層破壞，加之高架段強烈的溫差以及潮濕的環(huán)境導致熱縮管劣化，主絕緣層絕緣進一步下降，當電纜通過暫態(tài)過電壓時，電纜絕緣薄弱點瞬時閃絡性擊穿，最終導致電纜絕緣放電擊穿，造成直流電纜線芯通過其金屬箱體接地短路。該處隱患隱性故障持續(xù)時間較長，一般較難發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)生故障極有可能影響運營，因此，我們必須針對此類已出現(xiàn)的故障提高警惕，做好預防整改措施的同時，進一步利用超聲波檢測儀、電纜故障點定位技術加強應急處置響應，全面提升員工技能水平，切實保障行車運營安全。

參考文獻

[1] 雷志鵬. 乙丙橡膠絕緣介電性能及其氣隙和沿面放電機理的研究[D]. 山西太原：太原理工大學，2015.

[2] 賴曉峰. 電力電纜故障測距方法的研究[J]. 廣東電力，2007，20（6）：11-15.

[3] 艾飛. 電力電纜故障查找方法與測距分析[J]. 通訊世界，2015（24）：138-139.

[4] 肖濤古，王志. 電力電纜故障的預定位方法[J]. 都市快軌交通，2009，22（3）：72-75.

責任編輯 冒一平

工程實踐

Breakdown Fault Analysis of DC High Voltage Cable and Preventive Measures

Wan Yong, Tan Bingfu, Guo Yuanzhe

Abstract:The DC cable is the main carrier of the DC transmission system, and its running state is related to the stability of the metro traction power supply system. Taking the DC1500V high voltage cable breakdown fault in Guangzhou metro line 6 elevated section as an example, the paper explores and discusses the aspects respectively of cable operation condition, causes of failures， preventive measures， and briefl y introduces the use of the cable fault tester and the ultrasonic detector in metro, and provides reference for metro safe operation of same type of DC1500V electric cable.

Keywords:metro power supply, DC cable, breakdown fault, fault analysis, measures

中圖分類號：U231.8

作者簡介：萬勇（1989—）,男，助理工程師

收稿日期2016-02-02