淺析軌道交通供電系統(tǒng)直流電纜故障原因及治理對(duì)策

淺析軌道交通供電系統(tǒng)直流電纜故障原因及治理對(duì)策摘要：城市軌道交通以其快速、安全、準(zhǔn)時(shí)及載客容量大等特點(diǎn)而成為解決大中城市交通擁堵的首選方案。牽引直流饋出電纜是保障軌道交通正常運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備,其絕緣狀況直接影響著軌道交通安全供電。

關(guān)鍵詞：軌道交通；供電系統(tǒng)；直流電纜；故障原因；改進(jìn)

一、電纜電氣結(jié)構(gòu)

直流1500V電力電纜聯(lián)接于直流斷路器和接觸網(wǎng)隔離開關(guān)之間,長(zhǎng)度在100~400m不等,電纜的截面為400mm2,為提高供電能力，采取5根并聯(lián)方式運(yùn)行(見圖1)。電纜采用非緊壓型、多股圓銅線組成的導(dǎo)體、乙丙橡膠(EPR)絕緣和低鹵阻燃護(hù)套的結(jié)構(gòu)。由于該結(jié)構(gòu)的電纜未采用阻水帶和鎧裝,在防止徑向滲水和一般機(jī)械外力傷方面存在著不足。

圖1地鐵牽引電氣結(jié)構(gòu)

二、電纜的安裝敷設(shè)及運(yùn)行環(huán)境

采用多股圓銅線、無(wú)金屬鎧裝的結(jié)構(gòu)形式，為安裝敷設(shè)帶來(lái)了便利。尤其在接觸網(wǎng)隔離開關(guān)的一端,受鐵塔的空間所限，帶鎧的硬電纜曲率半徑過(guò)大,連接困難,容易造成電纜頭長(zhǎng)期受力。某軌道交通1號(hào)線南延伸段及車輛段均采用了穿管與土壤直埋相結(jié)合的敷設(shè)方式,地下變電站采用電纜橋架敷設(shè)。由于電纜層的高度所限，位于站臺(tái)下層高僅1.2m,給電纜的敷設(shè)和今后的巡視帶來(lái)了困難。

三、對(duì)直流饋出電纜的具體工況進(jìn)行介紹以及對(duì)產(chǎn)生的故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)

通常情況下，軌道交通所使用的直流供電系統(tǒng)包含的主要有：牽引變電站、接觸網(wǎng)系統(tǒng)以及降壓變電所等，圖2為直流供電系統(tǒng)圖。對(duì)于牽引降壓變電所，主要是通過(guò)整流變壓器以及整流器所構(gòu)成的相應(yīng)整流機(jī)組把電壓為33kV、10kV、35kV的電壓變?yōu)镈C1500V/DC750V，利用高速直流開關(guān)供電給接觸網(wǎng)，然后通過(guò)鋼軌以及回流電纜重新回到整流機(jī)組負(fù)極。

直流饋出電纜的作用就是將高速直流開關(guān)與相應(yīng)的接觸網(wǎng)連接起來(lái)，電纜鋪設(shè)的主要位置是變電所電纜夾層里面、地面電纜溝里面的相應(yīng)電纜支架上以及區(qū)間隧道側(cè)壁。圖3為某地鐵軌道交通中的直流饋出電纜，所使用的導(dǎo)線是由非緊壓性的具有多股圓通線所構(gòu)成的，絕緣材料是乙丙橡膠，還使用了低鹵阻燃護(hù)套，無(wú)阻水帶以及無(wú)鎧裝。直流饋出電纜的具體額定運(yùn)行電壓是1.5kV，當(dāng)機(jī)車經(jīng)過(guò)的時(shí)候，電纜上會(huì)產(chǎn)生負(fù)荷電流，當(dāng)沒有機(jī)車經(jīng)過(guò)時(shí)或者在夜間地鐵停運(yùn)的時(shí)候，電纜上沒有負(fù)荷電纜。

圖2直流供電系統(tǒng)圖

圖3直流饋出電纜

四、直流饋出電纜故障分析

通過(guò)故障統(tǒng)計(jì)及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生故障點(diǎn)的運(yùn)行環(huán)境分析后,認(rèn)為直流電纜發(fā)生故障主要的原因可分為以下幾類:

（一）水分引起的絕緣老化

當(dāng)橡膠與PVC材料浸水之后，通過(guò)電壓的作用會(huì)使絕緣電阻等電氣性質(zhì)下降，產(chǎn)生這種故障的位置主要是地下站中的溝架電纜以及地面站中的直埋電纜。如果電纜浸水或者是受潮后會(huì)導(dǎo)致絕緣材料發(fā)生老化，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，最終成為具有永久性的一種接地短路故障。

（二）電纜受電動(dòng)力作用引發(fā)

5根400mm2截面的電纜平行敷設(shè),由于關(guān)鍵部位電纜綁扎帶的數(shù)量不夠，供電線路發(fā)生過(guò)電流，直流斷路器跳閘時(shí),電動(dòng)力作用使得電纜晃動(dòng),撞擊電纜橋架的聯(lián)接螺栓引起短路。

（三）敷設(shè)曲率半徑不夠引發(fā)

地面站的直流電纜采取直埋方式敷設(shè),在鐵塔基礎(chǔ)的底部,由于敷設(shè)的曲率半徑不夠,造成電纜外側(cè)的絕緣層受力拉延,使絕緣層受損開裂,最終引發(fā)接地故障。某地鐵車站直流電纜曾多次發(fā)生此類故障

（四）高頻脈沖使得絕緣發(fā)生老化現(xiàn)象

在電纜運(yùn)行的過(guò)程中，電壓會(huì)跟著負(fù)荷變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，會(huì)發(fā)生過(guò)電壓現(xiàn)象，其中最大的電壓值能夠達(dá)到3kV，是電纜正常工作的電壓值1.5kV的兩倍；地鐵列車通常會(huì)使用暫波進(jìn)行調(diào)速，運(yùn)行過(guò)程中列車會(huì)發(fā)出很多高次諧波。圖4是某地鐵電纜在具有負(fù)荷的時(shí)候的詳細(xì)電壓波形，高次諧波以及高壓脈沖會(huì)加速絕緣的老化，最終使得絕緣阻值變小而產(chǎn)生故障。

圖4是某地鐵電纜電壓波形

五、改進(jìn)措施

（一）預(yù)防措施

采用在線監(jiān)測(cè)手段檢測(cè)電纜絕緣參數(shù),分析電纜絕緣的劣化趨勢(shì),進(jìn)行故障監(jiān)測(cè),提前預(yù)警。定期測(cè)試直流電纜的對(duì)地絕緣電阻。由于牽引供電系統(tǒng)采用懸浮供電,其測(cè)試數(shù)據(jù)只能作為參考。當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)較歷史記錄下降幅值較大時(shí),增加測(cè)試頻度,必要時(shí)對(duì)電纜進(jìn)行逐根測(cè)試，以確認(rèn)數(shù)值較低的電纜。對(duì)直流電纜敷設(shè)情況進(jìn)行排查,改善運(yùn)行環(huán)境,改直埋敷設(shè)為電纜溝架空敷設(shè)。對(duì)橋架敷設(shè)的電纜進(jìn)行適當(dāng)固定,對(duì)有金屬突出物的彎角,采取適當(dāng)增加絕緣的方法處理。新建線路或改造項(xiàng)目,盡可能采用帶鎧裝的軟電纜,有條件的可以采用在線檢測(cè)及專家評(píng)估系統(tǒng)評(píng)定絕緣的優(yōu)劣。

（二）對(duì)故障進(jìn)行預(yù)警

目前，對(duì)直流饋出電纜采用的檢測(cè)方式一般都是離線監(jiān)測(cè)或者是進(jìn)行周期性的一種耐壓試驗(yàn)，主要是依靠各種動(dòng)作報(bào)警來(lái)發(fā)現(xiàn)和切除已經(jīng)損壞的電纜。因?yàn)槟壳八褂玫臋z測(cè)方法具有相應(yīng)的缺點(diǎn)，所以可以使用在線檢測(cè)方式，對(duì)電纜絕緣參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)，對(duì)電纜絕緣劣化傾向進(jìn)行分析，然后檢測(cè)故障，制定相應(yīng)的預(yù)警體制。

（三）故障應(yīng)急措施

建立故障預(yù)案,規(guī)定處理流程,提高故障處理的效率。比如將現(xiàn)有的接觸網(wǎng)上網(wǎng)隔離開關(guān),由手動(dòng)操作改為電動(dòng)操作,減少操作人員往返的時(shí)間;實(shí)現(xiàn)SCADA遙控、站內(nèi)遙控的二級(jí)控制,以提高故障處理的效率。

（四）對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行改造

排查直埋敷設(shè)電纜，對(duì)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行改善，在條件允許的情況下將直埋敷設(shè)換成電纜溝架空敷設(shè)；對(duì)于新建線路，應(yīng)該選擇具有阻水帶以及帶鎧裝的柔性電纜，以此來(lái)提升電纜所具有的抗外力以及防水功能；設(shè)置在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)電纜所具有的絕緣水平進(jìn)行評(píng)定。

六、結(jié)語(yǔ)

總之，建議設(shè)計(jì)單位在新線建設(shè)或改造項(xiàng)目設(shè)計(jì)中,盡可能采用帶鎧裝的軟電纜,以提高絕緣測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度。有條件的可以通過(guò)在線檢測(cè)手段,建立專家評(píng)估系統(tǒng),評(píng)定絕緣的優(yōu)劣并預(yù)警其