城市軌道交通專用B1級(jí)環(huán)網(wǎng)電纜的研制

　　[摘要]城市軌道交通牽引供電環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)采用小電阻接地的運(yùn)行方式，使得系統(tǒng)單相短路故障電流高達(dá)1000A以上。為了確保地鐵35kV中壓電纜的允許短路電流滿足系統(tǒng)要求，對(duì)電纜原有的金屬屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。地鐵35kV中壓電纜用于牽引變電站供電，大部分敷設(shè)于區(qū)間隧道，為了確保供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，對(duì)電纜原有的結(jié)構(gòu)和燃燒性能進(jìn)行了提升。由此，成功研發(fā)了城市軌道交通專用B1級(jí)環(huán)網(wǎng)電纜。該電纜通過(guò)采用銅絲疏繞結(jié)構(gòu)金屬屏蔽層，當(dāng)銅絲屏蔽截面不小于16mm2時(shí)，即可滿足3000A、1s的單相短路故障電流設(shè)計(jì)容量;采用在50kW熱源輻射下熱釋放速率峰值可以控制在80kW/m2以下且具有較好的炭化結(jié)殼特性的B1級(jí)環(huán)網(wǎng)電纜專用內(nèi)護(hù)套料和外護(hù)套料，電纜燃燒等級(jí)達(dá)到B1級(jí)，一旦出現(xiàn)火災(zāi)事故，在燃燒開始后12min內(nèi)，電纜的產(chǎn)煙和產(chǎn)熱均可控。

　　[關(guān)鍵詞]環(huán)網(wǎng)電纜;中壓電纜;城市軌道交通;B1級(jí);短路故障電流

　　0引言

　　城市軌道交通牽引供電環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的電容電流較大，一旦發(fā)生單相接地故障，可能會(huì)引起工頻過(guò)電壓和弧光接地過(guò)電壓，造成系統(tǒng)絕緣薄弱點(diǎn)擊穿，擴(kuò)大事故，甚至引起火災(zāi)，而中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的運(yùn)行方式可以降低工頻過(guò)電壓和弧光接地過(guò)電壓倍數(shù)，消除對(duì)地諧振過(guò)電壓的發(fā)生條件[1]。但當(dāng)采用小電阻接地的運(yùn)行方式時(shí)，單相短路故障電流變得非常大，一般可達(dá)1000A以上。

　　一般采用一層紫銅帶作為金屬屏蔽層的單芯中壓電纜是很難承受如此大的短路電流，很可能會(huì)造成系統(tǒng)故障，甚至引起火災(zāi)。由于電纜本身的可燃物很多，燃燒后會(huì)放出大量的熱量和濃煙，會(huì)給站場(chǎng)內(nèi)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)很大的危害。針對(duì)地鐵35kV單芯中壓電纜存在的上述問(wèn)題，通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選用新材料，研發(fā)了滿足城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)安全運(yùn)行的B1級(jí)環(huán)網(wǎng)電纜。

　　1地鐵35kV中壓電纜存在的問(wèn)題

　　1.1電纜金屬屏蔽結(jié)構(gòu)問(wèn)題

　　當(dāng)?shù)罔F環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)采用小電阻接地的運(yùn)行方式時(shí)，接地電阻值因區(qū)域電網(wǎng)的不同要求稍有差異，一般在15～30Ω，由此可得短路故障電流ID(=U/(槡3Rg)，其中U為電壓，Rg為接地電阻)最高可達(dá)1300A左右。銅帶屏蔽層可承受的短路電流剛剛能滿足系統(tǒng)短路故障電流容量要求。然而，很多地鐵項(xiàng)目為確保系統(tǒng)的絕對(duì)安全，預(yù)防接地小電阻因部分旁路而導(dǎo)致單相短路回路的阻抗變小，短路電流的設(shè)計(jì)容量一般高達(dá)3000A、1s。在這種情況下，采用銅帶屏蔽是行不通的。

　　1.2電纜燃燒產(chǎn)煙產(chǎn)熱問(wèn)題

　　地鐵35kV中壓電纜大部分敷設(shè)于區(qū)間隧道的橋架上，盡管其屬于成束A類低煙無(wú)鹵阻燃電纜，具有良好的阻止火焰蔓延性能，但一旦出現(xiàn)故障引起火災(zāi)，其燃燒產(chǎn)生的煙氣、熱量和滴落物是不可控的，大量有毒濃煙和高溫很快就會(huì)蔓延開來(lái)，對(duì)乘客和工作人員的生命安全造成很大的危害。

　　2地鐵35kV中壓電纜的改進(jìn)措施

　　2.1電纜金屬屏蔽結(jié)構(gòu)改進(jìn)

　　為了滿足系統(tǒng)短路故障電流容量要求，地鐵35kV中壓電纜金屬屏蔽采用銅絲疏繞結(jié)構(gòu)代替原有的銅帶重疊繞包結(jié)構(gòu)，再在銅絲屏蔽外間隙繞包一層銅帶扎緊銅絲，控制屏蔽銅絲疏繞間隙，確保銅絲屏蔽間平均間隙不大于4mm，任意兩根銅絲間的最大間隙不大于8mm。地鐵35kV中壓電纜是隧道橋架敷設(shè)，電纜不承受徑向重壓，原有用于承壓的非磁性不銹鋼帶起不到應(yīng)有的作用，因此將電纜鎧裝材料調(diào)整為銅鋅合金帶，一方面可以起到防鼠咬作用，另一方面接地后可以作為銅絲金屬屏蔽的補(bǔ)充，用作故障電流通道。

　　2.2電纜燃燒產(chǎn)煙產(chǎn)熱改進(jìn)

　　地鐵35kV中壓電纜的絕緣層、半導(dǎo)電屏蔽層均為熱釋放速率很高的聚合物材料，電纜內(nèi)部的屏蔽銅絲、扎繞銅帶、鎧裝銅鋅合金帶都是熱容很高的高導(dǎo)熱材料，這些均給電纜燃燒性能帶來(lái)負(fù)面影響。為此，電纜燃燒產(chǎn)煙產(chǎn)熱問(wèn)題的改進(jìn)主要聚焦在電纜的內(nèi)外護(hù)材料。

　　借助錐形量熱儀等設(shè)備，對(duì)電纜料的熱釋放和炭化結(jié)殼特性進(jìn)行了深入的研究，并確定了B1級(jí)環(huán)網(wǎng)電纜專用電纜料的配方。該電纜料在50kW熱源輻射下，其熱釋放速率峰值[3]可以控制在80kW/m2以下，比普通低煙無(wú)鹵阻燃材料動(dòng)輒200kW/m2的水平低很多，同時(shí)也具有較好的炭化結(jié)殼特性。

　　3地鐵35kV中壓電纜的性能驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證研發(fā)的城市軌道交通專用B1級(jí)環(huán)網(wǎng)電纜的允許短路電流和產(chǎn)煙產(chǎn)熱特性，對(duì)電纜的單相短路故障電流容量進(jìn)行了驗(yàn)算，對(duì)電纜的B1級(jí)燃燒性能進(jìn)行了測(cè)試。

　　3.1電纜短路故障電流容量驗(yàn)算

　　地鐵35kV中壓電纜金屬屏蔽層采用銅絲結(jié)構(gòu)時(shí)，當(dāng)屏蔽銅絲截面積達(dá)到15.89mm2時(shí)，即可滿足單相短路故障電流3000A、1s的設(shè)計(jì)容量。

　　3.2電纜B1級(jí)燃燒試驗(yàn)驗(yàn)證

　　委托權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)該城市軌道交通專用B1級(jí)環(huán)網(wǎng)電纜進(jìn)行了B1級(jí)燃燒試驗(yàn)，熱釋放和煙釋放特性曲線。從試驗(yàn)曲線看，該電纜在燃燒進(jìn)行到750s左右時(shí)，可燃材料的燃燒和分解達(dá)到峰值，之后熱釋放速率振蕩下降直至試驗(yàn)結(jié)束，整個(gè)燃燒過(guò)程非常穩(wěn)定;產(chǎn)煙速率比標(biāo)準(zhǔn)值低一個(gè)數(shù)量級(jí)，保持在0.022m2/s以下，試驗(yàn)箱的能見度基本無(wú)變化。另外，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，該電纜的B1級(jí)試驗(yàn)結(jié)果均低于標(biāo)準(zhǔn)值，且有較大的裕度。

　　4總結(jié)

　　地鐵35kV中壓電纜的金屬屏蔽層宜采用銅絲疏繞結(jié)構(gòu)，當(dāng)銅絲屏蔽截面積不小于16mm2時(shí)，即可滿足3000A、1s的單相短路故障電流設(shè)計(jì)容量。

　　地鐵35kV中壓電纜的燃燒性能宜設(shè)計(jì)為B1級(jí)，當(dāng)電纜燃燒等級(jí)達(dá)到B1級(jí)時(shí)，一旦出現(xiàn)火災(zāi)事故，在燃燒開始后12min內(nèi)，電纜的產(chǎn)煙和產(chǎn)熱均可控，為人員逃生或消防救援爭(zhēng)取了寶貴的時(shí)間。研發(fā)的城市軌道交通專用B1級(jí)環(huán)網(wǎng)電纜綜合考慮了系統(tǒng)短路故障電流容量和電纜產(chǎn)煙產(chǎn)熱特性，電纜的燃燒性能達(dá)到B1級(jí)且性能穩(wěn)定，電纜的短路電流滿足系統(tǒng)故障短路電流的設(shè)計(jì)容量，能確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

　　[參考文獻(xiàn)]

　　[1]宋大治，汪理.35kV環(huán)網(wǎng)電纜單相短路故障分析[J].都市快軌交通，2009(6)：90-93.

　　[2]IEC.Calculationofthermallypermissibleshort-circuitcurrents，takingintoaccountnon-adiabaticheatingeffects：IEC60949：1988[S].Geneva：IEC，1988.

　　[3]公安部.電纜或光纜在受火條件下火焰蔓延、熱釋放和產(chǎn)煙特性的試驗(yàn)方法：GB/T31248—2014[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

　　作者：鄭建平1，張中云1，楊夏喜2，任虹光1，劉鑫1，張峰1，康慧1，許驚鴻1

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