解决方案：浅谈高速铁路27.5kV牵引供电电缆的应用改进
单位：天津供电段作者：高枫
1.引言
随着高速铁路的发展，高铁新建牵引变电所亭全部使用集成度高、免维护、少维护的GIS组合电器，由于GIS开关柜通过高压电缆进出线，因此27.5kV牵引供电电缆在高铁得到了广泛应用，由于电力电缆被埋在地下，很容易发生绝缘击穿事故。因此加强牵引供电电缆接电方式及工艺的分析、研究。对确保牵引供电电缆安全平稳运行尤为必要。
2.牵引供电电缆运行中发生的故障及影响
2012年12月，京沪高铁华苑牵引变电所馈出供天津西开闭所的221路馈线的2根桥上高压电缆相继发生绝缘烧伤击穿事故。
2.1事故概况及影响
2.1.12012年12月23日07时12分华苑变电所221断路器跳闸，重合闸失败，断路器阻抗I段元件动作，故标指示相对距离4420m，经对221路馈线线路进行排查，发现在杆号493#处高压供电电缆烧伤，即221路馈电电缆2条中的一条（221-1）绝缘烧伤击穿（电缆烧伤情况见图1"221-1电缆烧伤现场图片"）。
此次故障造成中断行车48分钟，影响恶劣；故障查找至故障处理完毕，恢复正常供电耗时3天。
2.1.22012年12月29日07时23分华苑变电所221断路器跳闸，重合闸失败，断路器阻抗I段元件动作，故标指示相对距离4300m，对221路馈线线路进行排查，发现在杆号525#处高压供电电缆烧伤击穿，为221路2条馈电电缆中的另一条（221-2）绝缘烧伤击穿（电缆烧伤情况见图2"221-2电缆烧伤现场图片"）。
该次故障造成中断行车16分钟，影响恶劣；故障查找至故障处理完毕，恢复正常供电耗时4天。
图1221-1电缆烧伤现场图片
图2221-2电缆烧伤现场图片
可见，供电电缆发生故障将严重影响牵引供电系统的正常供电，影响行车；高铁日间行车密度大，天窗点都在夜间，事故处理难度大、耗时多。牵引供电电缆故障将造成严重的安全隐患和经济效益损失。
2.2供电电缆发生绝缘烧伤击穿事故原因分析
221路供电电缆全长4000m，共计2根27.5kV单芯电缆，型号为YJV72-240mm2交联聚乙烯绝缘非磁性金属丝铠装聚氯乙烯护套电力电缆，两根电缆接地方式见图3"华苑变电所221馈线电缆接地示意图"。
图3华苑变电所221馈线电缆接地示意图
注：示意图中（1）、（2）、（3）分别代表相应接地点。
由华苑变电所221馈线电缆接地示意图可见，两根4000m的供电电缆由于太长，增加了多处保护电缆接地位置。电缆221-1故障点在金属护套直接接地点（3）处，电缆221-2故障点在金属护套直接接地点（1）处，绝缘击穿故障点均为电缆金属护套直接接地点。
2.2.1通过221-1电缆接地示意图可见（1）、（3）为电缆金属护套直接接地点，（2）为电缆通过直通电缆中间头加护层保护器接地。（1）和（2）之间实现电缆一端（1）直接接地，另一端（2）通过保护器接地；（2）和（3）之间实现电缆一端（3）直接接地，另一端（2）通过保护器接地，从而实现相应电缆区段上当金属护套上出现过电压，护层保护器工作接地保护，减少或消除环流，提高电缆传输容量和运行安全性的目的。
通过深入分析发现虽然（2）为电缆通过直通电缆中间头加护层保护器接地，但是由于施工时未将电缆金属护套截断，造成电缆金属护套连通，当（1）（3）电缆区段金属护套上出现感应电压时，造成感应电动势在（1）（3）之间形成环流，从而使（2）处护层保护器接地不起作用，导致电缆长期超温运行，绝缘性能下降，最后引发了直接接地点（3）绝缘击穿事故。
同理，由电缆接地示意图可见221-2电缆在（1）（3）区段的金属护层长期承受很大的环流，导致电缆长期超温运行，绝缘性能下降，最后引发了直接接地点（1）绝缘击穿事故。
2.2.2通过221-1电缆烧伤现场图片可见，击穿点施工工艺不符合技术要求，造成接地点电阻过大，在长期的环流运行中，导致电缆长期超温运行从而造成电缆绝缘性能下降，最后引发直接接地点电缆击穿，也是造成此次故障的另一个原因。
3.27.5kV牵引供电电缆接地方式分析
3.1单芯供电电缆的特殊性
单芯电缆的特殊性在于电缆的导线和金属保护层之间相当于一个单匝变压器。线芯回路产生的部分磁通与金属保护层相链，在金属护层上产生感应电压。感应电压大小取决于电缆的负荷电流、同一回路中电缆的排列方式和线路长度。
3.2单芯电缆金属护层感应电压的保护措施
由于单芯电缆金属护层的感应电压与电缆长度和线芯电流成正比。在电缆很长和线芯电流较大的情况下，护套上的感应电压叠加起来可达到危及人身安全的程度，尤其是当线路发生短路故障、操作过电压或雷电冲击时，屏蔽上会形成很高的感应电压，形成局部过热损坏电缆绝缘，甚至可能击穿护套绝缘，造成电缆输电运行事故，因此，对于大截面单芯电缆往往要釆取措施，一方面限制感应电压在安全范围之内，另一方面可以减小损耗，提高线路输送容量。
3.2.127.5kV供电电缆接地的几种方式
3.2.1.1金属护套一端直接接地，另一端通过护层保护器接地
采用这种方式时，电缆无需中间接头，适用于电缆长度较短，不大于1000m的条件下，是27.5kV单芯牵引电缆最常用的方式，如图4所示。
图4金属护套-端直接接地，一端经保护器接地示意图
在该接地方式下，非直接接地端产生最高感应电压，但由于对地没有构成回路，电缆金属护层中无环流通过，有利于提高电缆的传输容量，当金属护套上出现过电压时，保护器工作，实现接地保护。
3.2.1.2金属护套中点直接接地，两端通过保护器接地
该接地方式适用于电缆线路较长大于1000m小于2000m的情况，在电缆线路的中点将电缆的金属护套直接接地，金属护套的2个终端通过保护器接地，接线方式如图5所示。
图5金属护套中点直接接地，两端经保护器接地示意图
这种方式可以看作是两组"一端直接接地，另一端通过护层保护器接地"方式的叠加，相应的电缆适用长度范围也增加到了2倍左右。此种方式中金属护层中点直接接地，在工程实施中可以通过两种方法实现：一种是在电缆中点安装电缆中间头，通过中间接头将金属屏蔽层和金属铠装层引出接地线；第二种是不安装电缆中间接头，在不破坏主绝缘的条件下，直接将金属屏蔽层和铠装层引出接地线，从而实现接地。
3.2.1.3金属护套中点通过护层保护器接地，两端直接接地
该接地方式适用于电缆线路较长大于1000m小于2000m的情况，这种接地方式原理与前一种类似。将电缆中点护层断开，装设绝缘电缆中间头，在绝缘头两侧各加一组保护器，电缆两端分别直接接地。接线方式如图6所示。
图6金属护套中点经保护器接地，两端直接接地示意图
应当注意，在中点通过护层接地的方式中，不能先将两根电缆的护层连接起来再通过保护器接地，而是通过保护器之后在连接共同接地。
4.制定电缆应用改进方案并实施
根据对27.5kV牵引供电电缆的接地方式分析，通过图3221-1、221-2馈线电缆接地示意图可见两条电缆全长4000m，通过接地分别分成了7段，每段长度均不超过1000m。
4.1华苑变电所221路馈线电缆存在的问题
由221-1电缆接地示意图可见，在539#杆-493#杆间，由于中点523#杆处使用直通电缆中间头，造成两段电缆金属护层导通，造成539#杆、493#杆处直接接地，形成多点接地。
同样，电缆在443#杆-395#杆间，由于中点417#杆处使用直通电缆中间头，造成两段电缆金属护层导通，从而通过539#杆、493#杆处直接接地。
可见221-1电缆的接地方式不合理，存在严重的安全运行隐患，需进行改造。
通过图3221-2馈线电缆接地示意图分析，可知，221-2电缆存在与221-1电缆一样的问题。
经以上分析，可见既有运行电缆在应用上，特别是接地方案上存在严重的问题，应重新制定应用方案，完善接地方式，进行施工改造，消除事故隐患。
4.2制定改进方案并实施
依据华苑变电所221路供电线电缆布置图、工程现场调查资料、现场测量数据，制定电缆改造方案。
4.2.1由于电缆长度均远远超过2000m，因此采用分段保护接地方式，每一段电缆长度都不能超过1000m，并按照每段电缆一端直接接地，一端经护层保护器接地的方式进行多倍延伸。通过护层保护器接地处，采用绝缘电缆中间头，在绝缘电缆中间头两侧分别通过护层保护器后连接共同接地体。对长度超过1000m的电缆新增电缆中间头，华苑变电所221馈线电缆改造接地方案如图9所示，并按图施工。
图9华苑变电所221馈线电缆改造接地示意图
4.2.2根据事故现场分析得出，电缆施工在直接将金属屏蔽层和铝包引出接地线时施工工艺不符合要求，所以对221馈线2条电缆的原直接接地点全部改为电缆中间头，并保证高的施工质量。
4.3应用改进效果
京沪高铁华苑牵引变电所221路馈线2条牵引供电电缆自2013年1月完成改造运行至今已三年多时间，未发生任何故障，对电缆进行巡视检查，也未发现不良状况，说明应用改造后电缆运行良好。
5.结束语
电气化铁路牵引供电电缆应用施工方案和既有供电电缆改造方案应按照以下原则设计：
5.1当电缆长度较短小于1000m时，采用一端直接接地，一端经保护器接地方式。
5.2当电缆长度超过1000m，小于2000m时，采用"护层中点直接接地，两端通过护层保护器接地"的方式或"护层中点通过护层保护器接地，两端直接接地"的方式，"护层中点通过护层保护器接地，两端直接接地"方式必须装设绝缘电缆中间头（断开外屏蔽），在绝缘电缆头两侧各加一组保护器接地。
5.3当电缆长度长超过2000m时，采用分段保护接地方式，此时每一段电缆长度都不能超过1000m，在两段电缆间必须装设绝缘中间头，保证不形成多点接地。
5.4在电缆头制作、接地线直接引出等施工中要保证高的施工工艺，并做好防护措施。
参考文献：
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[7]杨柳，高速铁路馈线电缆的优化设计，电气化铁道，2012，（5）
[8]GB50217-2007《电力工程电缆设计规程》
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西南交通大学电气工程学院副院长