城市軌道交通專用B1級環(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行方式，使得系統(tǒng)單相短路故障電流高達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，對電纜原有的金屬屏蔽結(jié)構(gòu)進行了改進。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)的安全運行，對電纜原有的結(jié)構(gòu)和燃燒性能進行了提升。由此，成功研發(fā)了城市軌道交通專用B1級環(huán)網(wǎng)電纜。該電纜通過采用銅絲疏繞結(jié)構(gòu)金屬屏蔽層，當銅絲屏蔽截面不小于16mm2時，即可滿足3000A、1s的單相短路故障電流設(shè)計容量;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級環(huán)網(wǎng)電纜專用內(nèi)護套料和外護套料，電纜燃燒等級達到B1級，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;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，可能會引起工頻過電壓和弧光接地過電壓，造成系統(tǒng)絕緣薄弱點擊穿，擴大事故，甚至引起火災(zāi)，而中性點經(jīng)小電阻接地的運行方式可以降低工頻過電壓和弧光接地過電壓倍數(shù)，消除對地諧振過電壓的發(fā)生條件[1]。但當采用小電阻接地的運行方式時，單相短路故障電流變得非常大，一般可達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，燃燒后會放出大量的熱量和濃煙，會給站場內(nèi)人們的生命財產(chǎn)安全帶來很大的危害。針對地鐵35kV單芯中壓電纜存在的上述問題，通過改進結(jié)構(gòu)設(shè)計、選用新材料，研發(fā)了滿足城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)安全運行的B1級環(huán)網(wǎng)電纜。

　　1地鐵35kV中壓電纜存在的問題

　　1.1電纜金屬屏蔽結(jié)構(gòu)問題

　　當?shù)罔F環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)采用小電阻接地的運行方式時，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，很多地鐵項目為確保系統(tǒng)的絕對安全，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)計容量一般高達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蔓延開來，對乘客和工作人員的生命安全造成很大的危害。

　　2地鐵35kV中壓電纜的改進措施

　　2.1電纜金屬屏蔽結(jié)構(gòu)改進

　　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充，用作故障電流通道。

　　2.2電纜燃燒產(chǎn)煙產(chǎn)熱改進

　　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負面影響。為此，電纜燃燒產(chǎn)煙產(chǎn)熱問題的改進主要聚焦在電纜的內(nèi)外護材料。

　　借助錐形量熱儀等設(shè)備，對電纜料的熱釋放和炭化結(jié)殼特性進行了深入的研究，并確定了B1級環(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，比普通低煙無鹵阻燃材料動輒200kW/m2的水平低很多，同時也具有較好的炭化結(jié)殼特性。

　　3地鐵35kV中壓電纜的性能驗證

　　為了驗證研發(fā)的城市軌道交通專用B1級環(huán)網(wǎng)電纜的允許短路電流和產(chǎn)煙產(chǎn)熱特性，對電纜的單相短路故障電流容量進行了驗算，對電纜的B1級燃燒性能進行了測試。

　　3.1電纜短路故障電流容量驗算

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

　　3.2電纜B1級燃燒試驗驗證

　　委托權(quán)威檢測機構(gòu)對該城市軌道交通專用B1級環(huán)網(wǎng)電纜進行了B1級燃燒試驗，熱釋放和煙釋放特性曲線。從試驗曲線看，該電纜在燃燒進行到750s左右時，可燃材料的燃燒和分解達到峰值，之后熱釋放速率振蕩下降直至試驗結(jié)束，整個燃燒過程非常穩(wěn)定;產(chǎn)煙速率比標準值低一個數(shù)量級，保持在0.022m2/s以下，試驗箱的能見度基本無變化。另外，從試驗數(shù)據(jù)看，該電纜的B1級試驗結(jié)果均低于標準值，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)，當銅絲屏蔽截面積不小于16mm2時，即可滿足3000A、1s的單相短路故障電流設(shè)計容量。

　　地鐵35kV中壓電纜的燃燒性能宜設(shè)計為B1級，當電纜燃燒等級達到B1級時，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取了寶貴的時間。研發(fā)的城市軌道交通專用B1級環(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，電纜的燃燒性能達到B1級且性能穩(wěn)定，電纜的短路電流滿足系統(tǒng)故障短路電流的設(shè)計容量，能確保系統(tǒng)可靠運行。

　　[參考文獻]

　　[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)煙特性的試驗方法：GB/T31248—2014[S].北京：中國標準出版社，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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