淺析高速鐵路27.5 kV高壓電纜附件安裝與試驗(yàn)

叢顯成

(哈爾濱鐵路局哈西客站建設(shè)工程指揮部)

0 概述

27.5kV高壓電纜附件即電纜頭是高速鐵路牽引供電系統(tǒng)重要組成部分，目前客運(yùn)專線和高速鐵路大量使用單項(xiàng)交流交聯(lián)聚氯乙烯絕緣電纜及其附件，從牽引變電所牽引變壓器二次電纜電能輸出至GIS中壓開關(guān)柜，到GIS中壓開關(guān)柜通過電纜饋出到供電線，這接續(xù)都是通過電纜附件實(shí)現(xiàn)的，采用27.5kv高壓電纜及其附件進(jìn)行牽引供電電能輸送，在節(jié)省建設(shè)用地、布置美觀的同時(shí)，也因電纜附件的選型、安裝工藝、試驗(yàn)相繼出現(xiàn)過一些問題，給客運(yùn)專線和高速鐵路安全可靠運(yùn)行帶來隱患，電纜附件已成為牽引供電系統(tǒng)最薄弱環(huán)節(jié)。近年無論是武廣先期投產(chǎn)高鐵與運(yùn)行還是正在聯(lián)調(diào)的哈大客運(yùn)專線，在牽引供電故障統(tǒng)計(jì)，電纜附件引起故障(事故)概率較高。目前高鐵牽引供電從設(shè)計(jì)單位的技術(shù)要求、到建設(shè)單位的招標(biāo)采購以及施工單位的安裝對(duì)電纜附件均高度重視，故障概率雖然逐漸降低，但應(yīng)然是建設(shè)、運(yùn)行管理者控制的重點(diǎn)。

27.5kV高壓電纜附件分為內(nèi)錐型插入式可分離連接器、戶內(nèi)外終端、中間接頭。

1 27.5 kV高壓電纜附件技術(shù)關(guān)鍵要素

1.1 電纜附件的額定電壓U0值的確定

對(duì)于單相工頻交流牽引系統(tǒng)，規(guī)定系統(tǒng)電壓標(biāo)稱值及允許波動(dòng)限值為:系統(tǒng)標(biāo)稱電壓值為25 kV、最高電壓值27.5 kV和瞬時(shí)最大電壓值29 kV(不大于5 min)，與 IEC 60850的規(guī)定一致，IEC 60850對(duì)交流單相系統(tǒng)電壓值的規(guī)定見表1。

表1 電壓值的規(guī)定

對(duì)于電纜及附件的額定電壓U0值，我國(guó)現(xiàn)采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定與IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)存在差異，在IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)外目前在電纜及附件的選用時(shí)都是按照其額定電壓U0為25 kV執(zhí)行。根據(jù)我國(guó)電氣化鐵路的特點(diǎn)，為保證設(shè)備能夠安全運(yùn)行，并考慮到實(shí)際工況，在確定設(shè)備技術(shù)參數(shù)時(shí)，設(shè)備的額定電壓U0的值確定為27.5 kV，因此在我國(guó)規(guī)定電纜及附件的額定電壓U0值為27.5 kV。

1.2 電纜附件的絕緣材料選取

結(jié)合工程實(shí)際和國(guó)內(nèi)外附件產(chǎn)品現(xiàn)狀，附件的主要材料采用低煙、無鹵阻燃材料。對(duì)于戶外終端，主要是用于電氣化鐵路27.5 kV饋出線與接觸網(wǎng)及供電線連接處，戶外終端長(zhǎng)期處于露天環(huán)境中，持久的日照再加上客專、高鐵上污穢物的積累，特別是我國(guó)北方嚴(yán)寒地區(qū)附件要承受-40℃低溫，這些都會(huì)造成終端的損壞并影響供電及行車安全。所以附件外絕緣材料應(yīng)具有耐氣候老化、耐低溫、耐電痕化和蝕損性能要求，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)戶外終端的外絕緣料的耐氣候老化性能，都只提出試驗(yàn)方法，對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果如何考核沒有明確，需在以后工作實(shí)踐解決。

1.3 電纜附件的爬電距離

通常戶外終爬電距離依照31 mm/kV、內(nèi)錐型插入式可分離連接器25 mm/kV選取，由于用于鐵路戶外終端經(jīng)常處在重污穢或鹽堿等環(huán)惡劣境中，為滿足安全可靠及絕緣配合要求，目前客專、高鐵接觸網(wǎng)設(shè)備的外絕緣的爬電距離都按不小于1 400 mm選取，從設(shè)備絕緣匹配要求考慮，戶外終端、中間接頭的外爬電距離也考慮應(yīng)不小于1 400 mm。

2 27.5 kV高壓電纜附件的安裝

2.1 電纜附件與電纜配合

電纜附件、電纜擊穿故障中，除電纜附件質(zhì)量問題外，還有電纜附件與電纜的匹配及選型與安裝問題。即我們?cè)谔岣唠娎|附件本身質(zhì)量的同時(shí)，還必須對(duì)電纜附件的質(zhì)量控制和附件安裝控制高度重視。電纜與附件是一個(gè)不可分割的整體，只有這兩方面配合得當(dāng)，電纜系統(tǒng)供電的可靠性才能得到保證。

(1)附件選型不當(dāng)。早些時(shí)候市場(chǎng)上并沒有專用的27.5 kV電纜附件，出現(xiàn)過用電力系統(tǒng)35 kV電纜附件代替的情況。造成絕緣水平不足而造成事故。

(2)安裝問題。電纜附件的安裝工藝要求非常嚴(yán)格，而現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)對(duì)電纜附件的安裝重視不夠，留下了事故隱患，造成運(yùn)行一段時(shí)間后事故頻繁發(fā)生。

2.2 電纜附件的安裝

通過近年我國(guó)客運(yùn)專線和高鐵牽引供電系統(tǒng)電纜附件事故的分析得知;電纜附件安裝問題而引起的供電事故占有較大比例。電纜附件的安裝首先要對(duì)安裝人員進(jìn)行專項(xiàng)技術(shù)培訓(xùn)，培訓(xùn)合格后方可作業(yè)，其次施工人員要嚴(yán)格按照生產(chǎn)廠家提供的安裝指導(dǎo)說明書進(jìn)行(不同廠家有所不同)安裝，附件的安裝時(shí)應(yīng)注意以下內(nèi)容。

(1)電纜附件安裝注意事項(xiàng)。安裝前首先要檢查電纜與提供的附件規(guī)格型號(hào)是否匹配，然后仔細(xì)檢查電纜是否受潮，特別應(yīng)檢查線芯是否進(jìn)水;附件安裝時(shí)環(huán)境應(yīng)清潔，注意防塵、防潮、防水;嚴(yán)格按照廠家安裝指導(dǎo)書工藝要求控制剝切尺寸，每剝除一層不可傷及內(nèi)層結(jié)構(gòu);外半導(dǎo)電層斷開處應(yīng)平滑過渡;絕緣層表面應(yīng)無軸向劃痕、無半導(dǎo)電顆粒，要求打磨光滑，并應(yīng)進(jìn)行清潔、干燥處理;金具壓接后應(yīng)清除表面尖角及毛刺。

(2)戶外終端吊裝注意事項(xiàng)。在吊裝之前不能去掉終端上的保護(hù)塑料袋，避免終端在吊裝過程中劃傷或者碰傷，因?yàn)楣柘鹉z材料耐撕裂強(qiáng)度較差，尖銳物很容易刺傷電纜頭，吊裝過程不能使電纜過度晃動(dòng)，容易碰傷戶外終端。終端安裝位置較高，電纜頭吊裝作業(yè)時(shí)即不能直接用繩子捆綁在終端上進(jìn)行吊裝，因吊裝過程中終端受力過大后還會(huì)使終端產(chǎn)生位移、產(chǎn)生嚴(yán)重的形變，從而使其應(yīng)力錐受損。也不能采用吊繩穿過接線端子孔來進(jìn)行戶外終端安裝，避免纜接線端子孔與安裝位置進(jìn)行螺栓連接。當(dāng)?shù)跹b高度在5 m以內(nèi)時(shí)，可以用一個(gè)吊裝卡子(電纜固定夾具)，固定在電纜頭密封管之外約200 mm處，注意一定要固定在有電纜鎧裝層的外護(hù)套上，卡子的安裝要牢固，同時(shí)不能損傷接地線，卡子安裝完畢后，在卡子的下部將吊裝用的繩索固定在電纜上。吊裝高度5～10 m范圍內(nèi)時(shí)，一般采用2個(gè)吊裝卡子來進(jìn)行吊裝，吊裝高度更高應(yīng)采用多個(gè)卡子固定電纜(卡子數(shù)量要保證電纜吊裝不能過渡彎曲)，在吊裝時(shí)應(yīng)對(duì)電纜頭進(jìn)行保護(hù)處理。

(3)內(nèi)錐型插入式可分離連接器安裝注意事項(xiàng)。內(nèi)錐形插入式可分離連接器主要用于電纜與GIS中壓開關(guān)柜的連接，安裝時(shí)既要注意內(nèi)錐型插入式可分離連接器(含滑動(dòng)式頂部連接金具、應(yīng)力錐的橡膠絕緣主體、頂推彈簧機(jī)構(gòu)、密封尾管等主要部件)應(yīng)與內(nèi)錐式套管匹配，也要保證可分離連接器與電纜導(dǎo)體(芯線)應(yīng)具有相同的截面，連接器本體插入套管并緊固后，應(yīng)再次檢查電纜并校正垂直。將屏蔽銅絲擰在一起與接地線端子連接至接地裝置。

關(guān)于內(nèi)錐形插入式可分離連接器在正常操作情況下的可插/拔次數(shù)，可分離連接器至少應(yīng)可以保證通電試驗(yàn)時(shí)的插/拔，以及開關(guān)柜每年一次的斷電檢修，可分離連接器在正常操作情況下的可插/拔次數(shù)不應(yīng)小于30次。

3 電纜附件的接地

附件的接地:當(dāng)電纜的導(dǎo)體通過交流電流時(shí)，其周圍產(chǎn)生的一部分磁力線與金屬屏蔽層鉸鏈，使金屬屏蔽層產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓的大小與電纜線路的長(zhǎng)度和流過導(dǎo)體的電流成正比。

當(dāng)電纜很長(zhǎng)時(shí)，護(hù)套上的感應(yīng)電壓疊加起來可能達(dá)到危及人身安全的程度，在線路發(fā)生短路故障、操作過電壓或雷擊時(shí)，金屬屏蔽層上會(huì)形成很高的感應(yīng)電壓，甚至可能擊穿護(hù)套絕緣。因此，電纜外護(hù)套應(yīng)有良好的絕緣，應(yīng)對(duì)電纜金屬屏蔽層采取可靠合理接地，接地在電纜附件上進(jìn)行，當(dāng)電纜長(zhǎng)度為一段(一盤)，可采用一端通過直接接地箱接地，另一端通過接地保護(hù)箱接地;當(dāng)電纜長(zhǎng)度為兩段(兩盤)，采用金屬屏蔽中點(diǎn)接地的方式，電纜線路中間位置安裝一個(gè)“直接接頭(或接地箱合”接地，可采用一端通過直接接地箱接地，另一端通過接地保護(hù)箱接地。

附件接地應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

(1)附件接地線和過橋線截面積應(yīng)按與之相適應(yīng)的電纜金屬屏蔽層和鎧裝層截面積相一致的原則選取，鎧裝接地與屏蔽接地應(yīng)分開處理。

(2)如果金屬屏蔽層兩端(兩側(cè)電纜附件)不能同時(shí)接地，這樣會(huì)使屏蔽線路形成閉合通路，金屬屏蔽層上的環(huán)流與導(dǎo)體的負(fù)荷電流基本上為同一數(shù)量級(jí)，將產(chǎn)生很大的環(huán)流損耗，減短電纜的使用壽命，甚至發(fā)生火災(zāi)。

4 電纜附件的試驗(yàn)

電纜附件安全穩(wěn)定運(yùn)行是牽引供電和高鐵行車重要保證，電纜附件在制造、出廠、安裝等過程必須進(jìn)行試驗(yàn)，檢驗(yàn)電氣性能、檢驗(yàn)附件絕緣性能、防水防酸性能、抗拉抗壓性能、過熱老化性能、等重要部件，通過試驗(yàn)檢驗(yàn)生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)、安裝是否有薄弱環(huán)節(jié)，以此確定附件達(dá)到安全運(yùn)行。

電氣性能的好壞是評(píng)判電纜附件品質(zhì)的首要原則，電氣性能方面，主要考慮電纜附件的電場(chǎng)分布是否合理，改善電場(chǎng)分布的措施是否恰當(dāng)，以及的電氣強(qiáng)度，介質(zhì)損耗和產(chǎn)品的絕緣裕度等因素，同時(shí)，還要考慮電氣性能的穩(wěn)定性，包括電纜附件材料的化學(xué)、物理性能等，例如應(yīng)力控制材料是否穩(wěn)定，應(yīng)力錐是否易變形，電纜絕緣回縮對(duì)電纜附件的電場(chǎng)分布的影響及防止措施，各種材料結(jié)合的相容性，結(jié)合面性能的穩(wěn)定性等。

電纜附件試驗(yàn)包括型式試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)、抽樣試驗(yàn)、安裝后的電氣試驗(yàn)，電纜附件試驗(yàn)均參照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行，但增加終端的浸水試驗(yàn)是按IEC 61442-2007的規(guī)定。

(1)附件型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)。通過型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)檢驗(yàn)附件生產(chǎn)質(zhì)量是否合格，附件的型式試驗(yàn)應(yīng)有國(guó)內(nèi)具有資質(zhì)(權(quán)威)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行，由檢測(cè)機(jī)構(gòu)出具型試試驗(yàn)報(bào)告;附件生產(chǎn)完出廠前要進(jìn)行逐一出廠試驗(yàn)，并由生產(chǎn)廠家質(zhì)量檢驗(yàn)部門檢驗(yàn)合格，在每個(gè)出廠的包裝件上應(yīng)附有產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)合格證。

(2)附件的抽樣試驗(yàn)。附件的抽樣試驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)依據(jù)“電氣化鐵路27.5 kV單相交流交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜及附件(報(bào)批稿)”中抽樣試驗(yàn)程序和要求，應(yīng)在交貨批的電纜附件樣品上進(jìn)行，若僅有一個(gè)試樣未通過系列程序試驗(yàn)，允許重新取樣進(jìn)行試驗(yàn)，若仍未通過，則認(rèn)為該試樣未通過抽樣試驗(yàn)。

(3)安裝后的現(xiàn)場(chǎng)電氣試驗(yàn)。電纜附件與電纜連接安裝完成后進(jìn)行電氣試驗(yàn)，以此檢驗(yàn)電纜與附件安裝是否合格，同時(shí)對(duì)檢驗(yàn)電纜及附件在運(yùn)輸、搬運(yùn)、敷設(shè)時(shí)是否受到外力損傷，此項(xiàng)試驗(yàn)必須交流試驗(yàn)，多年實(shí)踐證明了采用直流耐壓試驗(yàn)不能有效發(fā)現(xiàn)交流電壓作用下的某些缺陷。

附件絕緣有機(jī)械損傷等缺陷，交流電壓作用下絕緣易擊穿，直流電壓作用往往不擊穿。對(duì)金屬屏蔽/鎧裝一端接地，另一端裝有護(hù)層過電壓保護(hù)器的單芯電纜主絕緣做耐壓試驗(yàn)時(shí)，必須將護(hù)層過電壓保護(hù)器短接，使這一端的電纜金屬屏蔽/鎧裝臨時(shí)接地。試驗(yàn)應(yīng)施加55 kV(2U0)電壓，持續(xù)60 min。

4 結(jié)束語

電纜附件是客運(yùn)專線和高速鐵路牽引供電系統(tǒng)一項(xiàng)重要材料，為客運(yùn)專線和高速鐵路安全、可靠供電，本文結(jié)合附件技術(shù)要求和安、運(yùn)行實(shí)際出發(fā)，從電纜關(guān)鍵技術(shù)要素、附件的安裝與接地、附件試驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了剖析，解決生產(chǎn)、安裝、運(yùn)行維護(hù)存在的實(shí)際問題。對(duì)于戶外終端的外絕緣料的耐氣候老化性能試驗(yàn)結(jié)果和考核標(biāo)準(zhǔn)有待于實(shí)踐給予完善。

目前在牽引供電施工中，為提高電纜附件安裝質(zhì)量，電纜附件與電纜接續(xù)安裝工作通常由生產(chǎn)廠家承擔(dān)，生產(chǎn)廠家往往又沒有取得安裝、試驗(yàn)資質(zhì)，該問題需在日后工作中得到解決。