淺談城市軌道交通供電系統(tǒng)35 kv 電纜的選擇

1、淺談城市軌道交通供電系統(tǒng)35 kv 電纜的選擇    摘要結(jié)合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定,從電纜的絕緣、屏蔽、阻燃、外護(hù)套性能等方面對(duì)35 kv 電纜進(jìn)行分析,并對(duì)城市軌道交通供電系統(tǒng)中35 kv 電力電纜的選擇提出建議,供設(shè)計(jì)、訂貨時(shí)參考。 關(guān)鍵詞供電可靠性,電力電纜,電纜絕緣,電纜屏蔽, 阻燃電纜       在城市軌道交通供電系統(tǒng)中, 無(wú)論是采用110/ 35 (33) kv 的二級(jí)供電制式,還是采用110/ 35 (33)/10 kv 的三級(jí)供電制式,都有大量的35 kv 電力電纜沿高架區(qū)間或電纜溝敷設(shè)

2、,將110 kv 主變電所的電源輸送到各個(gè)牽引、降壓變電所。      35 kv 電纜的參數(shù)選取,將對(duì)工程投資、供電系統(tǒng)的安全性等產(chǎn)生影響。如果參數(shù)選得太低,會(huì)節(jié)省工程投資,但電纜故障或發(fā)生火災(zāi)等事故時(shí), 將會(huì)影響整個(gè)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和行車安全。如果參數(shù)選得太高,盡管提高了系統(tǒng)的安全性,但過高的投資會(huì)使建設(shè)單位難以承受。因此,需對(duì)35 kv 電纜的參數(shù)進(jìn)行合理的選取。本文結(jié)合現(xiàn)有工程情況,對(duì)城市軌道交通供電系統(tǒng)中使用的35 kv 交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的絕緣水平、屏蔽、阻燃及外護(hù)套性能等參數(shù)進(jìn)行分析,并提出一些建議供設(shè)計(jì)、訂貨時(shí)參考。1 電纜絕

3、緣水平u0 的選擇      電纜的絕緣耐壓水平是根據(jù)電纜設(shè)計(jì)時(shí)所確定的u0 、u、um 、up 值確定的。u0 是電纜設(shè)計(jì)用導(dǎo)體與屏蔽層或金屬套之間的額定工頻電壓;u 是電纜設(shè)計(jì)用導(dǎo)體之間的額定工頻電壓(三相線電壓); um 是系統(tǒng)的最高工作電壓;up 是電纜設(shè)計(jì)用每一線芯和屏蔽層或金屬套之間的雷電沖擊耐受電壓之峰值。u0 值是根據(jù)電纜所在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的允許持續(xù)時(shí)間來(lái)確定的。在gb 12706. 1 -91 中規(guī)定了兩類電纜:第1 類電纜,u0 為21 kv ,適用于每次單相接地故障時(shí)間不大于1 min 的系統(tǒng),亦可用于單相接地故障

4、時(shí)間最長(zhǎng)不超過8 h ,每年累計(jì)不超過125 h 的系統(tǒng);第2 類電纜,u0 為26 kv ,適用于接地故障更長(zhǎng)的系統(tǒng),以及對(duì)電纜絕緣性能要求較高的場(chǎng)合。      在jb/ t 8996 -1999 高壓電纜選擇導(dǎo)則中, 對(duì)u0 的選擇分a 、b 、c 三類系統(tǒng)作了規(guī)定。a 類系統(tǒng)為單相接地故障在任何情況下于1 min 內(nèi)迅速排除的系統(tǒng);b 類系統(tǒng)僅包括單相接地故障短時(shí)運(yùn)行的系統(tǒng),一般接地故障持續(xù)時(shí)間在1 min 2 h 之間,個(gè)別情況在2 8 h 之間。c 類系統(tǒng)包括不屬于a 類和b 類的所有系統(tǒng)。   

5、60;  城市軌道交通供電系統(tǒng)中35 kv 側(cè)大都采用小電阻接地。如上海城市軌道交通明珠線(3 號(hào)線) 及莘閔輕軌交通線(5 號(hào)線) 等,對(duì)35 kv 電纜線路也采用了線路縱差保護(hù),電纜線路發(fā)生單相接地故障時(shí),變電所35 kv 開關(guān)會(huì)在毫秒級(jí)內(nèi)跳閘。如果線路縱差保護(hù)未動(dòng)作,過電流保護(hù)也會(huì)在秒級(jí)內(nèi)使故障隔離。對(duì)于此類系統(tǒng),電纜導(dǎo)體對(duì)地之間的工頻電壓為20. 2 kv , 按第1 類電纜選擇u0 值(21 kv) ,是能滿足系統(tǒng)要求的。但電纜的沖擊耐壓水平是否也能滿足要求,還需進(jìn)行分析。      侵入電纜電路的雷電壓幅值主要是由保護(hù)電纜

6、的避雷器特性所決定的,即雷電波幅值約等于避雷器的保護(hù)水平ubh 。ubh =klbh uml 式中:klbh 為避雷器的雷電沖擊保護(hù)比;uml 為系統(tǒng)一相接地時(shí)健全相可能出現(xiàn)的過電壓,為(0.8 1.0)um ;um 為40.5 kv 。磁吹避雷器的klbh 為2.7 ,普通閥型避雷器的klbh 為3.4 ,對(duì)于金屬氧化鋅避雷器,其klbh 為: klbh = ublc/1.414 ube 式中:ublc 為避雷器最大雷電沖擊殘壓,根據(jù)絕緣配合原則應(yīng)不大于132 kv ;ube 為避雷器的額定電壓,為42 kv 。而電纜線路的基本絕緣水平應(yīng)為: up =(1.4 1.5)ubh 城市軌道交通的

7、供電系統(tǒng),一般都采用金屬氧化鋅避雷器。將以上參數(shù)代入公式,得電纜線路的基本絕緣水平up =100.9 135.1 kv 。而21/35 kv 電纜的雷擊沖擊耐壓水平為200 kv ,因此,是能滿足系統(tǒng)要求的。為了提高電纜線路的安全性,還可以要求廠家在電纜的制造工藝上采取措施,如對(duì)絕緣厚度進(jìn)行在線檢測(cè)及使用進(jìn)口絕緣材料等,以確保電纜的耐壓水平。2 電纜屏蔽及金屬屏蔽層截面的選擇      對(duì)于35 kv 交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜,除了要有導(dǎo)體屏蔽和絕緣屏蔽外,還要有金屬屏蔽。電纜的絕緣屏蔽材料有可剝離和不可剝離之分。gb 12706.3 -91 中規(guī)定

8、,額定電壓u0 為12 kv 及以下的電纜的擠包絕緣屏蔽應(yīng)是可剝離的,但對(duì)35 kv 電纜沒有提具體要求。      使用不可剝離絕緣屏蔽層的主要缺點(diǎn)是施工中安裝電纜中間、終端頭時(shí)較困難。因?yàn)樵趧兂雽?dǎo)電屏蔽層時(shí),不能留下刀痕和凹凸不平的情況, 更不能損傷絕緣。但不可剝離絕緣屏蔽層與絕緣線芯緊密結(jié)合,比可剝離絕緣屏蔽具有更高的安全性。從系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性考慮,建議35 kv 電纜絕緣屏蔽采用不可剝離的半導(dǎo)電層絕緣屏蔽。      電纜的金屬屏蔽有銅帶屏蔽和銅絲屏蔽兩種結(jié)構(gòu)。在gb 12706.

9、3 -91 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定銅帶屏蔽由重疊繞包的軟銅帶組成。銅帶的標(biāo)稱厚度:單芯電纜不小于0.12 mm ; 三芯電纜不小于0. 10 mm 。標(biāo)準(zhǔn)中只規(guī)定了銅帶的標(biāo)稱厚度,而未規(guī)定其截面。事實(shí)上,銅帶寬度不同、繞包層數(shù)不同時(shí), 截面是不同的。根據(jù)iec 949 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,重疊繞包的銅帶截面可由以下公式計(jì)算: s=n 式中:n 為銅帶層數(shù); 為銅帶寬度,mm;為銅帶厚度,mm 。銅絲屏蔽由疏繞的軟銅線組成,其表面應(yīng)用反向銅絲或銅帶扎緊。銅絲屏蔽的標(biāo)稱截面分為16 mm2 、25 mm2 、35 mm2 、50 mm2 等4 種,可根據(jù)故障電流容量要求選用。   

10、0;  金屬屏蔽層的作用有二:其一是彌補(bǔ)半導(dǎo)電層屏蔽的不足;其二則是作為事故電流的通路。在中性點(diǎn)接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障、或中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在不同地點(diǎn)兩相同時(shí)發(fā)生接地故障時(shí),故障電流要從金屬屏蔽層流過。為了不使金屬屏蔽層燒損,要合理地選擇金屬屏蔽層的截面。對(duì)于35 kv 小電阻接地系統(tǒng),通過調(diào)整接地電阻值,可以將單相接地故障電流值限制在1000 a 以內(nèi)。此類系統(tǒng)電纜線路發(fā)生單相接地故障時(shí),一般有以下幾種情況: (1) 線路發(fā)生單相接地故障,線路縱差保護(hù)動(dòng)作跳閘,系統(tǒng)在毫秒級(jí)內(nèi)(一般不超過100 ms) 與故障分離。(2) 線路發(fā)生單相接地故障,線路縱差保護(hù)未動(dòng)作,靠過流保護(hù)跳閘,系

11、統(tǒng)在秒級(jí)內(nèi)(一般不超過3 s) 與故障分離。(3) 中性點(diǎn)接地電阻被短接未能及時(shí)分開,此時(shí)線路發(fā)生單相接地故障,線路縱差保護(hù)動(dòng)作跳閘,系統(tǒng)在毫秒級(jí)內(nèi)(一般不超過100 ms) 與故障分離。(4) 中性點(diǎn)接地電阻被短接未能及時(shí)分開,此時(shí)線路發(fā)生單相接地故障,線路縱差保護(hù)未動(dòng)作, 靠過流保護(hù)跳閘,系統(tǒng)在秒級(jí)內(nèi)(一般不超過3 s) 與故障分離。(5) 中性點(diǎn)接地電阻接地點(diǎn)斷開未能及時(shí)恢復(fù),電纜和其它設(shè)備形成不同地點(diǎn)兩相同時(shí)發(fā)生接地故障。       以上幾種故障中, (1) 、(2) 較常見; 第(3) 種發(fā)生的幾率較小; (4) 、(5) 已是三重

12、故障,可不予考慮。當(dāng)起始溫度為90 ,最終溫度為250 時(shí),不同截面的銅帶或銅絲屏蔽承受的短路電流值(考慮非絕熱因素) 見表1 。表1 不同截面銅帶或銅絲屏蔽承受的短路電流值        根據(jù)以上分析,系統(tǒng)在不同的工況下發(fā)生單相接地故障時(shí),對(duì)金屬屏蔽層截面的要求是不同的。因此,不論選擇銅帶金屬屏蔽,還是銅絲金屬屏蔽, 均應(yīng)提出截面要求。3 電纜阻燃類別的選擇      在gb 12666. 5 -90 成束電線電纜燃燒試驗(yàn)方法中,對(duì)電纜試樣的根數(shù),按成束電纜每米長(zhǎng)度中所含非金屬材料的

13、不同體積,分為a 類、b 類、c 類三種類型。      對(duì)于城市軌道交通供電系統(tǒng),工程中電纜需選擇哪類阻燃等級(jí),目前我國(guó)還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。從過去的運(yùn)行實(shí)踐看, 工程中選擇阻燃類別高的電纜,在減少電纜火災(zāi)幾率、增強(qiáng)系統(tǒng)安全性、減少故障造成的經(jīng)濟(jì)損失等方面更具有優(yōu)越性。      對(duì)于同類型的a 類阻燃電纜和c 類阻燃電纜,價(jià)格相差約15 %20 % 。因此,工程中電纜選取哪類阻燃等級(jí),需結(jié)合工程中電纜的數(shù)量、電纜敷設(shè)的密集度、火災(zāi)幾率、增強(qiáng)安全性要求和工程的投資等綜合考慮。  

14、;    對(duì)于氧指數(shù),這里也簡(jiǎn)單介紹一下。氧指數(shù)是指物體在氮氧混合氣體中能維持燃燒的最小的含氧百分比。因此,物體的氧指數(shù)越高,物體的阻燃性能就越好。對(duì)阻燃電纜選擇使用的填充物或絕緣護(hù)套等材料有氧指數(shù)的考核要求,對(duì)成纜不作氧指數(shù)考核。4 電纜燃燒的煙密度及外護(hù)套材料性能的選擇對(duì)于電纜燃燒時(shí)的煙密度,在gb/ t 17651 1998 標(biāo)準(zhǔn)中作了規(guī)定,即試驗(yàn)得到的透光率超過60 % 時(shí),可稱為低煙。對(duì)于取自成纜的護(hù)套材料燃燒時(shí)的無(wú)鹵、低鹵的性能,目前還沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義。一般業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為電纜燃燒時(shí)析出氣體的鹵酸相當(dāng)含量小于5 mg/ g 時(shí),為無(wú)鹵;鹵酸的相當(dāng)含量為

15、5100 mg/ g 時(shí),為低鹵。      在電纜的燃燒試驗(yàn)中,燃燒氣體中的鹵酸相當(dāng)含量只有小于5 mg/ g 時(shí),才能達(dá)到透光率60 % 的低煙標(biāo)準(zhǔn)。低鹵產(chǎn)品燃燒時(shí)煙濃度透光率一般在30 %50 % 之間,達(dá)不到低煙標(biāo)準(zhǔn)要求。一般所提的低煙低鹵阻燃電纜是不準(zhǔn)確的,應(yīng)為低煙無(wú)鹵阻燃電纜或低鹵阻燃電纜。      35 kv 交聯(lián)聚乙烯絕緣阻燃電纜的外護(hù)套,一般有無(wú)鹵聚烯烴等材料和低鹵聚氯乙烯等材料。電纜燃燒時(shí)產(chǎn)生的鹵酸有毒氣體會(huì)對(duì)人身產(chǎn)生危害,甚至?xí)＜叭说纳踩?。因?還必須對(duì)電纜外護(hù)套材

16、料燃燒的煙密度和鹵酸氣體的含量提出要求。      低鹵產(chǎn)品鹵酸氣體總量的確定可采用gb/ t 17650. 1 -1998 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法,即測(cè)定燃燒氣體中的鹵酸含量。而對(duì)于無(wú)鹵產(chǎn)品,鹵酸氣體的含量用上述方法是難以測(cè)出的。當(dāng)鹵酸的相當(dāng)含量在5 mg/ g 以下時(shí),應(yīng)用gb/ t 17650. 2 -1998 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法進(jìn)行試驗(yàn),即測(cè)定ph 值和電導(dǎo)率來(lái)測(cè)定氣體的酸度。      因此,對(duì)于低煙無(wú)鹵阻燃電纜,要對(duì)護(hù)套燃燒時(shí)逸出氣體的p h 值、電導(dǎo)率及電纜燃燒時(shí)的透光率提出要求。對(duì)于低鹵

17、阻燃電纜,要對(duì)護(hù)套燃燒時(shí)鹵酸氣體的含量提出要求,必要時(shí)可對(duì)電纜燃燒時(shí)的透光率提出要求。對(duì)于大部分是高架的城市軌道交通供電系統(tǒng), 從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度考慮,電纜的外護(hù)套材料宜選用低鹵材料。 5 結(jié)論      根據(jù)以上分析,在城市軌道交通工程供電系統(tǒng)中,35 kv 電纜宜選用交聯(lián)聚乙烯絕緣低鹵阻燃電纜。對(duì)電纜技術(shù)參數(shù)的選擇,提出以下建議: (1) 采用多股圓形銅線絞合緊壓導(dǎo)體,導(dǎo)體的尺寸可從gb/ t 3596 -1997 中的第2 種導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)尺寸中選取。(2) 交聯(lián)聚乙烯絕緣的標(biāo)稱厚度應(yīng)不小于9. 3 mm 。(3) 除有擠包半導(dǎo)電層的導(dǎo)體屏蔽和絕緣屏蔽外,纜芯外還要有金屬屏蔽。絕緣、屏蔽要采用3 帶),銅帶或鋼帶的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)符合gb 2952 的規(guī)層共擠的全干式交聯(lián)生產(chǎn)工藝。金屬屏蔽層可采定。用銅帶或銅絲屏蔽, 要根據(jù)工程情況提出截面要(6) 護(hù)套應(yīng)采用低鹵阻燃材料。在gb/ t 求。17650. 1 -1998 中規(guī)定的試驗(yàn)條件下,成纜護(hù)套燃(4) 在金屬屏蔽層上應(yīng)有擠包不透水的內(nèi)襯燒時(shí)鹵酸氣體的含量應(yīng)不大于100 mg/g , 透光率不層,其材料應(yīng)符合