城市轨道交通供电系统35 kV 电缆的选择
摘 要 结合现有标准中的有关规定,从电缆的绝缘、屏蔽、阻燃、外护套性能等方面对35 kV 电缆进行分析,并对城市轨道供电系统中35 kV 电力电缆的选择提出建议,供设计、订货时。
关键词 供电可靠性,电力电缆,电缆绝缘,电缆屏蔽, 阻燃电缆
在城市轨道交通供电系统中, 无论是采用110/ 35 (33) kV 的二级供电制式,还是采用110/ 35 (33)/10 kV 的三级供电制式,都有大量的35 kV 电力电缆沿高架区间或电缆沟敷设,将110 kV 主变电所的电源输送到各个牵引、降压变电所。
35 kV 电缆的参数选取,将对工程投资、供电系统的安全性等产生影响。如果参数选得太低,会节省工程投资,但电缆故障或发生火灾等事故时, 将会影响整个供电系统的稳定运行和行车安全。如果参数选得太高,尽管提高了系统的安全性,但过高的投资会使建设单位难以承受。因此,需对35 kV 电缆的参数进行合理的选取。本文结合现有工程情况,对城市轨道交通供电系统中使用的35 kV 交联聚乙烯绝缘电缆的绝缘水平、屏蔽、阻燃及外护套性能等参数进行分析,并提出一些建议供设计、订货时参考。
1 电缆绝缘水平U0 的选择
电缆的绝缘耐压水平是根据电缆设计时所确定的U0 、U、Um 、Up 值确定的。U0 是电缆设计用导体与屏蔽层或金属套之间的额定工频电压;U 是电缆设计用导体之间的额定工频电压(三相线电压); Um 是系统的最高工作电压;Up 是电缆设计用每一线芯和屏蔽层或金属套之间的雷电冲击耐受电压之峰值。
U0 值是根据电缆所在系统发生单相接地故障时的允许持续时间来确定的。在GB 12706. 1 -91 中规定了两类电缆:第1 类电缆,U0 为21 kV ,适用于每次单相接地故障时间不大于1 min 的系统,亦可用于单相接地故障时间最长不超过8 h ,每年累计不超过125 h 的系统;第2 类电缆,U0 为26 kV ,适用于接地故障更长的系统,以及对电缆绝缘性能要求较高的场合。
在JB/ T 8996 -1999 《高压电缆选择导则》中, 对U0 的选择分A 、B 、C 三类系统作了规定。A 类系统为单相接地故障在任何情况下于1 min 内迅速排除的系统;B 类系统仅包括单相接地故障短时运行的系统,一般接地故障持续时间在1 min ～ 2 h 之间,个别情况在2 ～ 8 h 之间。C 类系统包括不属于A 类和B 类的所有系统。
城市轨道交通供电系统中35 kV 侧大都采用小电阻接地。如上海城市轨道交通明珠线(3 号线) 及莘闵轻轨交通线(5 号线) 等,对35 kV 电缆线路也采用了线路纵差保护,电缆线路发生单相接地故障时,变电所35 kV 开关会在毫秒级内跳闸。如果线路纵差保护未动作,过电流保护也会在秒级内使故障隔离。对于此类系统,电缆导体对地之间的工频电压为20. 2 kV , 按第1 类电缆选择U0 值(21 kV) ,是能满足系统要求的。但电缆的冲击耐压水平是否也能满足要求,还需进行分析。
侵入电缆电路的雷电压幅值主要是由保护电缆的避雷器特性所决定的,即雷电波幅值约等于避雷器的保护水平Ubh 。Ubh =Klbh Uml 式中:Klbh 为避雷器的雷电冲击保护比;Uml 为系统一相接地时健全相可能出现的过电压,为(0.8 ～ 1.0)Um ;Um 为40.5 kV 。磁吹避雷器的Klbh 为2.7 ,普通阀型避雷器的Klbh 为3.4 ,对于金属氧化锌避雷器,其Klbh 为: Klbh = Ublc/1.414 Ube 式中:Ublc 为避雷器最大雷电冲击残压,根据绝缘配合原则应不大于132 kV ;Ube 为避雷器的额定电压,为42 kV 。而电缆线路的基本绝缘水平应为: Up =(1.4 ～ 1.5)Ubh 城市轨道交通的供电系统,一般都采用金属氧化锌避雷器。将以上参数代入公式,得电缆线路的基本绝缘水平Up =100.9 ～ 135.1 kV 。而21/35 kV 电缆的雷击冲击耐压水平为200 kV ,因此,是能满足系统要求的。为了提高电缆线路的安全性,还可以要求厂家在电缆的制造工艺上采取措施,如对绝缘厚度进行在线检测及使用进口绝缘材料等,以确保电缆的耐压水平。
2 电缆屏蔽及金属屏蔽层截面的选择
对于35 kV 交联聚乙烯绝缘电缆,除了要有导体屏蔽和绝缘屏蔽外,还要有金属屏蔽。电缆的绝缘屏蔽材料有可剥离和不可剥离之分。GB 12706.3 -91 中规定,额定电压U0 为12 kV 及以下的电缆的挤包绝缘屏蔽应是可剥离的,但对35 kV 电缆没有提具体要求。
使用不可剥离绝缘屏蔽层的主要缺点是施工中安装电缆中间、终端头时较困难。因为在剥除半导电屏蔽层时,不能留下刀痕和凹凸不平的情况, 更不能损伤绝缘。但不可剥离绝缘屏蔽层与绝缘线芯紧密结合,比可剥离绝缘屏蔽具有更高的安全性。从系统长期运行的安全性考虑,建议35 kV 电缆绝缘屏蔽采用不可剥离的半导电层绝缘屏蔽。
电缆的金属屏蔽有铜带屏蔽和铜丝屏蔽两种结构。在GB 12706.3 -91 标准中规定铜带屏蔽由重叠绕包的软铜带组成。铜带的标称厚度:单芯电缆不小于0.12 mm ; 三芯电缆不小于0. 10 mm 。标准中只规定了铜带的标称厚度,而未规定其截面。事实上,铜带宽度不同、绕包层数不同时, 截面是不同的。根据IEC 949 标准规定,重叠绕包的铜带截面可由以下公式:
S=nωδ 式中:n 为铜带层数;ω 为铜带宽度,mm;δ为铜带厚度,mm 。铜丝屏蔽由疏绕的软铜线组成,其表面应用反向铜丝或铜带扎紧。铜丝屏蔽的标称截面分为16 mm2 、25 mm2 、35 mm2 、50 mm2 等4 种,可根据故障电流容量要求选用。
金属屏蔽层的作用有二:其一是弥补半导电层屏蔽的不足;其二则是作为事故电流的通路。在中性点接地系统发生单相接地故障、或中性点不接地系统在不同地点两相同时发生接地故障时,故障电流要从金属屏蔽层流过。为了不使金属屏蔽层烧损,要合理地选择金属屏蔽层的截面。对于35 kV 小电阻接地系统,通过调整接地电阻值,可以将单相接地故障电流值限制在1000 A 以内。此类系统电缆线路发生单相接地故障时,一般有以下几种情况:
(1) 线路发生单相接地故障,线路纵差保护动作跳闸,系统在毫秒级内(一般不超过100 ms) 与故障分离。
(2) 线路发生单相接地故障,线路纵差保护未动作,靠过流保护跳闸,系统在秒级内(一般不超过3 s) 与故障分离。
(3) 中性点接地电阻被短接未能及时分开,此时线路发生单相接地故障,线路纵差保护动作跳闸,系统在毫秒级内(一般不超过100 ms) 与故障分离。
(4) 中性点接地电阻被短接未能及时分开,此时线路发生单相接地故障,线路纵差保护未动作, 靠过流保护跳闸,系统在秒级内(一般不超过3 s) 与故障分离。
(5) 中性点接地电阻接地点断开未能及时恢复,电缆和其它设备形成不同地点两相同时发生接地故障。
以上几种故障中, (1) 、(2) 较常见; 第(3) 种发生的几率较小; (4) 、(5) 已是三重故障,可不予考虑。当起始温度为90 ℃,最终温度为250 ℃ 时,不同截面的铜带或铜丝屏蔽承受的短路电流值(考虑非绝热因素) 见表1 。
表1 不同截面铜带或铜丝屏蔽承受的短路电流值
根据以上分析,系统在不同的工况下发生单相接地故障时,对金属屏蔽层截面的要求是不同的。因此,不论选择铜带金属屏蔽,还是铜丝金属屏蔽, 均应提出截面要求。
在GB 12666. 5 -90 《成束电线电缆燃烧试验方法》中,对电缆试样的根数,按成束电缆每米长度中所含非金属材料的不同体积,分为A 类、B 类、C 类三种类型。
对于城市轨道供电系统,工程中电缆需选择哪类阻燃等级,目前我国还没有相应的标准。从过去的运行实践看, 工程中选择阻燃类别高的电缆,在减少电缆火灾几率、增强系统安全性、减少故障造成的损失等方面更具有优越性。
对于同类型的A 类阻燃电缆和C 类阻燃电缆,价格相差约15 %～20 % 。因此,工程中电缆选取哪类阻燃等级,需结合工程中电缆的数量、电缆敷设的密集度、火灾几率、增强安全性要求和工程的投资等综合考虑。
对于氧指数,这里也简单介绍一下。氧指数是指物体在氮氧混合气体中能维持燃烧的最小的含氧百分比。因此,物体的氧指数越高,物体的阻燃性能就越好。对阻燃电缆选择使用的填充物或绝缘护套等材料有氧指数的考核要求,对成缆不作氧指数考核。
4 电缆燃烧的烟密度及外护套材料性能的选择
对于电缆燃烧时的烟密度,在GB/ T 17651 1998 标准中作了规定,即试验得到的透光率超过60 % 时,可称为低烟。对于取自成缆的护套材料燃烧时的无卤、低卤的性能,目前还没有相关的标准来定义。一般业内人士认为电缆燃烧时析出气体的卤酸相当含量小于5 mg/ g 时,为无卤;卤酸的相当含量为5～100 mg/ g 时,为低卤。
在电缆的燃烧试验中,燃烧气体中的卤酸相当含量只有小于5 mg/ g 时,才能达到透光率60 % 的低烟标准。低卤产品燃烧时烟浓度透光率一般在30 %～50 % 之间,达不到低烟标准要求。一般所提的低烟低卤阻燃电缆是不准确的,应为低烟无卤阻燃电缆或低卤阻燃电缆。
35 kV 交联聚乙烯绝缘阻燃电缆的外护套,一般有无卤聚烯烃等材料和低卤聚氯乙烯等材料。电缆燃烧时产生的卤酸有毒气体会对人身产生危害,甚至会危及人的生命安全。因此,还必须对电缆外护套材料燃烧的烟密度和卤酸气体的含量提出要求。
低卤产品卤酸气体总量的确定可采用GB/ T 17650. 1 -1998 标准中规定的方法,即测定燃烧气体中的卤酸含量。而对于无卤产品,卤酸气体的含量用上述方法是难以测出的。当卤酸的相当含量在5 mg/ g 以下时,应用GB/ T 17650. 2 -1998 标准中规定的方法进行试验,即测定pH 值和电导率来测定气体的酸度。
因此,对于低烟无卤阻燃电缆,要对护套燃烧时逸出气体的p H 值、电导率及电缆燃烧时的透光率提出要求。对于低卤阻燃电缆,要对护套燃烧时卤酸气体的含量提出要求,必要时可对电缆燃烧时的透光率提出要求。对于大部分是高架的城市轨道交通供电系统, 从技术经济的角度考虑,电缆的外护套材料宜选用低卤材料。
5 结论
根据以上分析,在城市轨道交通工程供电系统中,35 kV 电缆宜选用交联聚乙烯绝缘低卤阻燃电缆。对电缆技术参数的选择,提出以下建议:
(1) 采用多股圆形铜线绞合紧压导体,导体的尺寸可从GB/ T 3596 -1997 中的第2 种导体的标准尺寸中选取。
(2) 交联聚乙烯绝缘的标称厚度应不小于9. 3 mm 。
(3) 除有挤包半导电层的导体屏蔽和绝缘屏蔽外,缆芯外还要有金属屏蔽。绝缘、屏蔽要采用3 带),铜带或钢带的结构尺寸应符合GB 2952 的规层共挤的全干式交联生产工艺。金属屏蔽层可采定。用铜带或铜丝屏蔽, 要根据工程情况提出截面要(6) 护套应采用低卤阻燃材料。在GB/ T 求。17650. 1 -1998 中规定的试验条件下,成缆护套燃
(4) 在金属屏蔽层上应有挤包不透水的内衬烧时卤酸气体的含量应不大于100 mg/g , 透光率不层,其材料应符合GB 12706. 1 -91 的规定,具有阻小于30 % 。燃性能。(7) 在GB 12666. 5 -90 规定的试验条件下,至
(5) 电缆应采用重叠绕包的厚度不小于0. 12 少要满足C 类试样垂直燃烧试验要求。mm 的铜带铠装或钢带铠装(单芯电缆用非磁性钢
参 考 文 献
1 谢德林. 城乡电网建设改造新技术与新设备应用手册. 北京:煤炭出版社,1999. 1042 2 国际电工委员会标准( IEC949) . 考虑非绝热效应的允许短路电流. 1998