35kV城市軌道交通用電力電纜的設(shè)計分析

豆蕊 段拓 王春生

西安西電光電纜有限責(zé)任公司 陜西 西安 710082

引言

35kV電纜參數(shù)選擇會影響工程投資和供電系統(tǒng)安全。參數(shù)選得好可以節(jié)約工程投資，但是當電纜出現(xiàn)故障或者是出現(xiàn)火災(zāi)等意外情況時會對整個供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行以及行車安全造成影響。若參數(shù)選得太高，雖然增加了系統(tǒng)安全，但是投資太大則建設(shè)單位難以負擔(dān)。所以需要合理選擇35kV電纜參數(shù)。結(jié)合既有工程情況對城市軌道交通供電系統(tǒng)用35kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜絕緣水平，屏蔽，阻燃和外護套性能進行了參數(shù)分析，提出了建議，可為設(shè)計和訂貨提供參考。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

電力電纜是輸送電力的媒介，若不經(jīng)過專門設(shè)計結(jié)構(gòu)將是安全隱患。本文根據(jù)我國地鐵建設(shè)項目的要求和相關(guān)國家標準，對35kV電力電纜的整體結(jié)構(gòu)進行了如下的分析（其結(jié)構(gòu)如圖1所示）。

圖1 電纜截面圖

電纜選型采用單芯銅導(dǎo)體結(jié)構(gòu)有利于提高電纜載流量、增強系統(tǒng)負荷、減少了電纜在發(fā)生故障時的相間短路。此外，采用單一核心構(gòu)造，可減少單個鋼索的自重，增加鋼托盤的長度，方便搬運和建造。

電纜所用材料全部采用低煙無鹵阻燃材料設(shè)計隔熱層達到阻燃A級標準，同時可避免火災(zāi)中電纜在燃燒過程中排放出大量煙霧及有毒氣體阻礙人員撤離及營救，酸性氣體危害人員及設(shè)備。

2 導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計

導(dǎo)線采用緊密絞合的圓形銅導(dǎo)線，導(dǎo)線采用GB/T 3953-2009標準，導(dǎo)體性能達到GB/T 3956-2008標準。導(dǎo)線絞制是在有框架絞盤上進行的，在生產(chǎn)過程中可有效地去除導(dǎo)體表面銅灰和銅屑。采用納米金剛石復(fù)合鍍膜，可以實現(xiàn)導(dǎo)線的整體形狀和表面的光滑。在緊壓工藝中，采用分層拉伸模具，減小導(dǎo)線的纏繞和導(dǎo)線損失，從而提高導(dǎo)線的抗拉強度，從而提高導(dǎo)線的抗拉強度。

3 電纜絕緣測定

電纜絕緣耐壓水平由電纜設(shè)計時U0，U，Um，Up值決定。Uo是用于電纜設(shè)計用導(dǎo)體對地或金屬屏蔽之間的額定工頻電壓；U電纜設(shè)計用導(dǎo)體間的額定工頻電壓，而系統(tǒng)的最高工作電壓Um，各線芯至屏蔽層或者金屬套間雷電沖擊耐受電壓峰值為Up。

Uo值由電纜所處系統(tǒng)單相接地故障允許時間決定。在GB/T12706中-2020規(guī)定有兩種電纜：第一種，Uo是21kV，適合每發(fā)生一次單相接地故障持續(xù)時間不超過1min，也可應(yīng)用在單相接地故障最多持續(xù)8h，年累計125h以內(nèi)，第二種，Uo是26kV，適合接地故障持續(xù)時間較長，且要求電纜絕緣性能比較好的情況。

《高壓電纜選用導(dǎo)則》（JB/T8996-19995）第6條，將Uo選用分為甲、乙、丙3類體系進行規(guī)定。A類系統(tǒng)是指單相接地故障1min內(nèi)能快速消除，而B類系統(tǒng)只包含單相接地故障時間較短，通常接地故障時間為1min～2h，個別故障時間為2～8h。C類系統(tǒng)是指非A類與B類中的全部。

35kV線路在城市地鐵供電中采用的是低阻接地方式。比如，上海的三號線、莘閔的地鐵、5號線等35kV的電纜，都采用了線路縱差法，在一次故障后，35kV的開關(guān)會出現(xiàn)亳秒量級的短路。在不進行線縱差動的情況下，過流保護也能達到秒級的失效絕緣。對這類系統(tǒng)而言，電纜導(dǎo)體與地面間I頻電壓達20.2kV，根據(jù)第一類電纜選用Uo值（21kV），達到了本課題的設(shè)計需求。然而，是否也能夠滿足電纜的抗沖擊性標準，還有待于進一步的研究。入侵線纜線路的雷電壓幅度，主要取決于其特征，也就是說，雷電的幅度與其防護級別 Ubh大致相同。

式中： Klbh─ 避雷裝置的防雷防護比率， Uml─ 當某一相位正常時，該體系會發(fā)生的過載，是（0.8～1.0）Um，Um是

40.5kV。

磁吹避雷器Klbh是2.7，普通閥型避雷器Klbh則是3.4，對金屬氧化鋅避雷器Klbh是：

式中：Ublc─ 最大的閃電撞擊殘余電壓，其額定電壓為132kV。但電纜線路基本絕緣水平應(yīng)是Up=（1.4～1.5）Ubh。

測量材料光滑性最重要的指標之一是粒結(jié)，它是一種非常小的突起，高度比周圍粗糙程度至少大一個量級，且粒結(jié)要獨立存在，且數(shù)量有限，粒結(jié)存在會造成局部電場強度過大而影響電纜壽命[1]。超光滑料和普通料粒結(jié)數(shù)目對比如表1所示。

表1 超光滑料和普通料粒結(jié)個數(shù)

4 金屬屏蔽電纜設(shè)計

關(guān)于電纜金屬屏蔽層的設(shè)計，建議采用銅絲銅帶屏蔽，但由于各種截面電纜的不同故障和短路能力的影響，招標要求金屬屏蔽截面應(yīng)小于16mm2。所以，金屬屏蔽為銅絲銅屏蔽，由一種疏繞軟銅線組成，它的表面反側(cè)空腔用軟銅膠條纏繞而制成，每根疏繞銅線的空隙不大于4mm。屏蔽銅絲直徑為0.8mm。其他常見銅絲屏蔽截面有25mm2，35mm2和50mm2。

但是疏繞后銅絲在制造及使用過程中極易勒入絕緣屏蔽層內(nèi)，由此對絕緣線的外形產(chǎn)生一定的影響，使其局部放電功率增大，甚至出現(xiàn)超標現(xiàn)象，嚴重時還會導(dǎo)致電纜發(fā)生擊穿。為避免銅絲疏繞造成絕緣線芯損壞，在設(shè)計中可采取2種辦法：一是將1～2層厚度為0.2 mm的半導(dǎo)體尼龍帶包裹在該絕緣線的外側(cè)；二是在三次共擠出工藝中增加屏蔽層的厚度，使其厚度從一般0.6mm提高至1.0～1.2mm。

銅絲疏繞屏蔽截面S式如下：

式中，n ─ 銅線的根數(shù)，d ─ 以mm為單位的銅線的單絲直徑。公式中不考慮疏繞銅帶截面，疏繞銅絲絞入率等因素。

金屬屏蔽層具有2種功能：一是補償半導(dǎo)電層在屏蔽方面的缺陷；其二，用作事故電流之通道。當中性點接地系統(tǒng)為單相接地故障或者中性點不接地系統(tǒng)為不同位置兩個相同的情況下，故障電流應(yīng)流過金屬屏蔽層。為不至于燒損金屬屏蔽層，金屬屏蔽層截面應(yīng)合理選擇。

對于35kV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1000A以內(nèi)。此類系統(tǒng)電纜線路發(fā)生單相接地故障時，一般有以下幾種情況：①當線路發(fā)生單相接地故障時，線路縱差保護動作跳閘，系統(tǒng)在毫秒級（一般不超過100ms）內(nèi)脫離故障。②當線路出現(xiàn)單相接地故障時，線路縱差保護不動作，依靠過流保護跳開，系統(tǒng)從秒級（一般不超過3s）中脫離故障。③中性點接地電阻短接不能及時分離，這時電路出現(xiàn)單相接地故障時，電路縱差保護動作跳開，系統(tǒng)從毫秒級（一般不超過100ms）脫離故障。④中性點接地電阻短接不能及時分離，這時線路出現(xiàn)單相接地故障時，線路縱差保護不動作，依靠過流保護跳開，系統(tǒng)秒級（一般不超過3s）脫離故障。⑤中性點接地電阻接點斷線不能及時修復(fù)，電纜等設(shè)備在不同的位置構(gòu)成兩個相同的情況下出現(xiàn)接地故障。

在這幾種故障中，①、②比較常見；第③類出現(xiàn)概率低；④、⑤已經(jīng)是三重故障了，可以不做考證。

5 電纜燃燒過程中煙密度和外護套材料特性的設(shè)計

GB/T 17651-1998中對電纜的煙密度作了明確的說明，即當測試所得透光率大于等于1時可以稱之為低煙。對取自成纜之護套材料在燃燒過程中之無鹵與低鹵特性尚無相關(guān)標準界定[2]。通常業(yè)內(nèi)人士都認為，電纜在燃燒過程中，析出氣體中鹵酸頗量低于5mg，屬于無鹵，鹵酸頗量在5～100mg，屬于低鹵。

通過對纜線的燃燒實驗，發(fā)現(xiàn)在只有5mg/g的燃用燃氣中的鹵酸鹽含量小于5mg/g-1時，滿足高透射性要求、低煙標準。低鹵產(chǎn)品在燃燒過程中，煙濃度的透光率通常處于高～低的范圍內(nèi)，不能滿足低煙標準的要求。通常所提出的低煙低鹵阻燃電纜不夠確切，選用低煙、低鹵素、耐火的線纜。

35kV交聯(lián)聚乙烯絕緣防火電纜外護一般是由無鹵阻燃聚烯烴和低鹵PVC制成的。在使用時，由于使用了大量的鹵酸類物質(zhì)，會對人體產(chǎn)生一定的危害，嚴重時會對人體產(chǎn)生危害。因此，電纜外殼的煙霧濃度和氣體的濃度也是有規(guī)定的。

6 電纜的金屬鎧裝層的設(shè)計

城市軌道交通用電纜需設(shè)置金屬鎧裝層以抵御某些外力作用下電纜受到的損傷以及避免老鼠，白蟻等危害電纜，與此同時金屬鎧裝層還可以增強電纜阻燃性。單芯光纜的金屬護罩必須使用無磁材質(zhì)，避免因磁場產(chǎn)生的磁場而造成的電流過大而造成的高溫。無磁材料中常用的原材料有無磁的不銹鋼帶、鋁合金帶、軟銅帶等。因銅帶柔軟于不銹鋼帶，采用銅帶鎧裝電纜彎曲性能更好，在施工時敷設(shè)方便，通常較為普遍使用。電纜的設(shè)計為：軟銅帶厚度為0.12mm，采用單層重疊繞包，繞包重疊不小于15%。

7 電纜隔火層的設(shè)計

為了改善阻燃性能，將隔熱層由常規(guī)擠壓高耐火隔熱材料換為0.4 mm厚度的陶瓷橡膠橡膠復(fù)合板，可在350℃至3000℃高溫下或無火焰條件下進行燒結(jié)，形成具有良好的結(jié)殼能力，具有良好的防火和良好的阻燃特性。與擠出氧氣隔離層相比，纏繞陶瓷化硅橡膠膠條還明顯減小了成品電纜的外徑，降低了電纜的重量，提高了電纜的抗折能力[3]。

8 電纜外護層的設(shè)計

電纜外護層包覆黑色低煙，無鹵阻燃；采用聚乙烯等材料，在配方中加入抗白蟻的化學(xué)物質(zhì)，無毒無害，不污染環(huán)境。黑色護套還可達到電纜的抗紫外要求，延長護套在露天鋪設(shè)過程中壽命。

9 結(jié)束語

隨著中國的快速發(fā)展，鐵路對有線的需求量日益增大。由于其特殊用途，對電纜的潔凈、防火、防水、抗紫外線、抗蟲蛀等特性都提出了新的需求。