重载铁路27.5 kV高压电缆关键施工工艺及运维模式探讨

摘要：结合重载铁路27.5kV电缆施工介入及运营管理实践，从设备管理单位的角度分析了27.5kV电缆构造及运行特性，重点阐述了27.5kV电缆金属屏蔽层接地方式及电缆敷设2项应关键卡控的施工项点，同时对运营管理中27.5kV高压电缆应注意的问题进行了探讨。关键词：重载铁路；27.5kV电缆；接地方式；电缆敷设；运营管理Abstract:Withconnectiontotheconstructioninputandoperationalmanagementpracticefor27.5kVcablesforheavyhaulrailway,thepaperanalyzestheconfigurationandoperationcharacteristicsof27.5kVcablesfromtheviewofequipmentmanagingdepartment,illustrateswithemphasisonthemetalshieldlayerearthingmodefor27.5kVcablesandthetwoconstructionitemswhichrequirecriticalcontrolduringlayingofcables,anddiscussesatthesametimetheprecautionsrequiredforoperationandmanagementofthehighvoltagecables.Keywords:Heavyhaulrailway;27.5kVcable;earthingmode;cablelaying;operationalmanagement中图分类号：U227+.3文献标识码：B文章编号：1007-936X(2019)04-0084-04量大的特点，因此重载铁路27.5kV高压电缆正常工况下承受较大的负荷电流。相比高速铁路成熟的施工工艺与严格的施工、运维管理，重载铁路27.5kV高压电缆在施工工艺与运行维护方面存在差距，加之重载铁路供电设备长期处在重污染、强震动环境下，因此对于重载铁路27.5kV电缆相关施工工艺及运维应给予更多关注。本文结合近年来大秦线、瓦日线、朔准线27.5kV电缆施工及运维过程中出现的问题，总结经验，重点对重载铁路27.5kV高压电缆施工工艺及运营维护模式进行探讨。0引言

我国重载铁路自1988年12月大秦线大同—大石庄Ⅰ期工程开通运行，已有30年的发展历程，其供电设备也经历了从探索到发展，再到成熟的过程，一些新设备、新技术也不断被应用到重载铁路牵引供电系统中。到2020年，我国将拥有大秦、唐呼、瓦日、蒙华4条万吨级重载铁路通道。27.5kV高压电缆作为我国电气化铁路的专用电缆，被广泛应用于高速铁路牵引供电系统中，并纳入到我国高速客运专线技术平台体系。电气化铁路高压电缆的使用解决了GIS高压柜进/出线接口连接、特殊地段架空线架设困难等一系列问题，具有受外界环境干扰小、占用空间小、架设方便、安全可靠性高等优点。重载铁路27.5kV高压电缆最早应用在大秦线茶坞-下庄区间下庄2#隧道内。近年来随着重载铁路建设步伐的加快，新开通运行的瓦日线及朔准线更有大量27.5kV高压电缆投入使用，其主要在不具备架空条件的隧道内作为正馈线使用（表1）。表1部分重载铁路27.5kV电缆使用情况线路名称电缆总长/hm使用地点及用途大秦线隧道内供电线5.35瓦日线隧道内正馈线459朔准线隧道内正馈线675.53127.5kV电缆构造及特性分析

电气化铁路使用的27.5kV电缆区别于普通三相电力电缆，主要表现在其构造上为带有金属屏蔽层的单芯电缆；另一方面因其特殊构造，在正常运行工况下，其金属屏蔽层会产生感应电压，从而在施工及运营维护中具有特殊性。1.127.5kV电缆构造图1所示为27.5kV电缆的典型构造。在保证绝缘强度的条件下，主绝缘层厚度主要取决于材料性能及制造工艺，其标称厚度不应小于11mm；金属屏蔽层主要起到电磁屏蔽的作用，以防止强电场辐射对铁路机车通信信号的干扰；为避免变换磁场产生的涡流损耗，铠装层的材质应为非磁性材料。重载铁路相较高速铁路同样具有接触网载流作者简介：陈廷柱.大秦铁路股份有限公司大同西供电段，高级工程师。84重载铁路27.5kV高压电缆关键施工工艺及运维模式探讨陈廷柱运营维护1.铜导体；一般采用多股铜导线；2.导体屏蔽层；3.主绝缘层；4.绝缘屏蔽层；5.金属屏蔽层；6、7.隔离；8.铠装层；9.外护层。图1电气化铁路27.5kV电缆剖面1.227.5kV电缆金属屏蔽层感应电压分析计算对于普通三相电力电缆，当其三相负载对称时，流过其3根芯线的电流向量和为零，故而不会在其金属护套中产生感应电动势[2]。区别于普通电力电缆，电气化铁路27.5kV电缆由于其为单芯电缆，在正常运行工况下，导体中流过的交流电会产生变换的磁场，从而形成与电缆金属屏蔽层相交链的磁通，进而在金属屏蔽层上产生感应电压，感应电压的大小与通过电缆的电流大小及电缆长度有关。以在朔准线被广泛使用的TDWD-YJY7327.5kV1×240电缆为例，参照文献[3]，在电缆最大运行负荷工况下，电缆金属屏蔽层单位长度所产生的最大感应电压为U1=4×10-7fI1lnR

r(V/m)（1）式中，f为电源频率50Hz；I1为通过该电缆的最大负荷电流，取其值为800A；R为电缆金属层平均几何半径，取其值为27mm；r为电缆芯线半径，取其值为8.7mm。将相关数据代入式（1）可得TDWD-YJY7327.5kV1×240电缆在通过最大负荷电流情况下，其金属屏蔽层单位长度所产生的最大感应电压为0.06V/m。由于在金属屏蔽层上产生的感应电压大小与电缆长度成正比，所以当电缆达到一定长度时，其感应电压幅值将超过规定安全值，必须采取相应措施限制该感应电压。2重载铁路27.5kV电缆关键施工工艺卡控

区别于高速铁路成熟的施工工艺与严格的施工管理，为了保证重载铁路27.5kV高压电缆的运行安全和使用寿命，施工阶段必须做好各环节的质量控制，设备管理单位及施工单位应对相关关键施工工艺进行严格卡控。总结近年来瓦日线、朔准线设备管理单位施工介入经验，对朔准线施工介入及静态验收期间发现的涉及27.5kV电缆施工工艺问题进行了分类统计，统计结果见表2。表2朔准线27.5kV电缆问题统计问题类别问题数量占比/%电缆接地2060.6电缆敷设927.3其他412.1通过表2中数据可以发现，电缆接地及电缆敷设问题占问题总数的87.9%。因此在重载铁路27.5kV电缆施工作业中，电缆接地与电缆敷设应作为关键施工项目，需对施工工艺进行卡控，避免后续运营中发生问题。2.127.5kV电缆金属屏蔽层与铠装层接地方式按照《电力工程电缆设计规范》（GB50217-2007）要求：在未采取能有效防止人员任意接触金属防护层的安全措施时，交流单芯电力电缆线路金属层的非直接接地任一点的感应电压不超过50V。通过1.2节中已经计算出对于27.5kV电缆金属屏蔽层单位长度所产生的最大感应电压为0.06V/m，因此27.5kV电缆金属屏蔽层与铠装层应做接地处理。在27.5kV电缆单端直接接地的情况下，在其金属屏蔽与铠装层上不会形成电流，但如果在该情况下由于施工或外力造成电缆其他部位外护层破损，导致电缆金属屏蔽层或铠装层接地，则此时会在两相邻接地点的金属屏蔽与铠装层上形成电流通路，产生环流。环流的大小与接地电阻值及接地点处感应电的电压差相关，甚至可以达到电缆额定载流值的1/3[4]。较大的环流将造成电缆局部过热，绝缘层烧融，从而造成电缆绝缘击穿，将对正常供电运行造成极大影响。因此对27.5kV电缆需采用单点直接接地或与护层保护器间隔接地形式进行保护，禁止两端直接接地。依据《普速铁路接触网运行维修规则》（铁总运[2017]9号）第一百五十二条规定：电缆长度100m及以上时，宜每隔400m（直供方式）或800m（AT供电方式）划分区段且应在每个区段实施接地绝缘分隔。此时对于上述800m长度电缆，其金85运营维护电气化铁道2019年第4期属屏蔽层产生的最大感应电压为0.06×800=48V，满足GB50217-2007的相关要求。对于AT供电区段，其具体接地形式应按如下情况设置：（1）当电缆长度小于800m时，电缆头一端直接接地，另一端经电缆护层保护器接地，具体接地形式见图2。电缆终端L≦800m27.5kV电缆需在不破坏主绝缘的情况下在其中间800m位置处引出接地线，增加电缆绝缘接头，同时接地必须符合一端电缆头直接接地，另外一端经护层保护器接地，两端接地不得形成电气回路的原则，具体接地形式见图3。电缆终端

电缆绝缘接头

L≦800m电缆金属层

直接接地

L≦800m27.5kV电缆

电缆护层保护器

电缆金属层直接接地电缆护层保护器图3电缆长度介于800～1600m接地形式（3）当电缆长度大于1600m时可看作上述2图2电缆长度小于800m接地形式种接地形式的延伸，同时需符合两端接地不得形成电气回路的原则，具体接地形式见图4。27.5kV电缆L≦800mL≦800m（2）当电缆长度大于800m小于1600m时，电缆终端L≦800m电缆绝缘接头电缆金属层直接接地电缆护层保护器图4电缆长度大于1600m接地形式2.227.5kV电缆敷设通过梳理朔准线施工介入期间发现的27.5kV单位沟通，提出相关需求，并共同协调配合，针对现场实际情况，就电缆施工关键环节，明确可行的施工技术方案并加强实施过程控制。严格按照相关规程规定进行敷设施工，防止由于施工不当造成影响设备后续安全运行的问题。电缆施工问题，其中与电缆敷设相关的典型问题主要有：（1）施工单位对施工整体进度安排不合理，在隧道内电缆抱箍未安装到位情况下即进行电缆敷设，导致电缆被临时放置在路基侧，施工现场存在交叉施工，同时部分隧道路基侧存在积水，这些因素极有可能造成电缆外护套破损，或造成电缆进水受潮；（2）部分区段电缆采用人工拖拽敷设的方式，极易造成电缆与线路道砟、其他设备相磨或超拉力拉伤电缆主绝缘或因弯曲半径小造成电缆损伤等问题；（3）朔准线隧道内正馈线电缆通过托架在线路强电电缆沟同侧沿隧道壁敷设，由于施工周期紧张等因素造成部分区段电缆抱箍安装不符合要求，施工人员在部分电缆固定时采用镀锌铁线临时固定或者抱箍内未加装保护垫，这些问题如果未整改到位，必将为电缆后续的安全运行留下隐患。针对以上存在的问题，供电设备管理单位应在施工期间即做好提前介入工作，积极与设计、施工863重载铁路27.5kV电缆的运营管理

在施工阶段做好27.5kV高压电缆关键施工工艺卡控后，在设备运行阶段，供电设备管理单位需做好相应的专业化管理。通常情况下，27.5kV高压电缆的运行寿命周期可以分为早期故障期、稳态期、老化期3个阶段。图5所示为27.5kV高压电缆全寿命周期故障率曲线。为了降低27.5kV高压电缆在全寿命周期内的故障率，设备管理单位需建立一套合理、有效的运营管理制度，以对高压电缆的整个寿命周期进行精细化科学管理。为此大同西供电段针对管内高压电缆管理现状制定了《大同西供电段27.5kV牵引供电电缆使用管理办法》。结合该办法，参考其他单位电缆预防性管理经验，需在重载铁路27.5kV电重载铁路27.5kV高压电缆关键施工工艺及运维模式探讨陈廷柱运营维护缆的运营管理中做到如下几点：（1）摸清底数。施工介入期间供电设备管理单位在做好关键施工盯控的同时，还要做好基础资料的收集。针对电缆敷设情况建立电缆档案，形成一缆一档，做到对电缆走向、电缆终端、中间绝缘头、电缆接地线位置、试验数据等关键信息的准确掌握，为后续的电缆维护管理提供有力的基础信息支撑。故障率早期故障期稳态期老化期3年20年时间图527.5kV高压电缆全寿命周期故障率曲线（2）定期检测。电缆除需纳入日常设备巡视重点范围外，每半月还需对电缆进行一次夜间巡视，观察电缆、电缆头有无过热变色、放电现象。对27.5kV电缆，还需要利用科学的仪器和手段，做好定期检测，防患于未然。例如：某单位利用红外成像仪开展日常高压电缆巡视时（图6），多次发现27.5kV高压电缆局部运行温度过高的问题，经检查发现为电缆头放电引起；巡视电缆时发现护层保护器运行温度达125℃，超过警戒值，经后期检查处理发现是由于电缆的一个过电压保护器损坏引起。图6利用红外成像仪发现电缆头局部过热问题由此可以看出利用先进的仪器，做好电缆关键点的定期检测，有益于发现电缆的隐性问题。因此应根据电缆运行状况定期开展电缆巡视，特别是利用红外线成像设备对电缆本体及电缆头进行测温，对温升异常的电缆应进行彻底试验、整治、处理。利用配套的电缆试验设备，按照周期性预防修理念对电缆进行预防性体检试验，并提出下次检修、试验周期，以确保电缆状态良好。（3）应急处置。在做好日常电缆检查、维修的同时，需提高电缆故障状态下的应急处置能力。为此，参考大秦铁路27.5kV电缆运行经验，同时考虑运营成本，为提高电缆运行的可靠性，在对电缆做好周期性状态评估的基础上，建议对1000m以下电缆并联备用电缆，同时在所有电缆终端外侧加装带远动功能的隔离开关，确保故障电缆快速退出运行。设备管理单位还应加强人员业务培训，不断完善电缆故障应急预案及迂回供电方案，做到电缆出现故障时妥善、及时处理，缩短故障延时。4结语

重载铁路27.5kV电缆的使用进一步拓宽了重载铁路的供电模式。本文结合重载铁路27.5kV电缆施工介入及运营实践，从设备管理单位的角度，重点阐述了电缆接地及电缆敷设2项应关键卡控的施工项点，同时对27.5kV高压电缆运营管理中应注意的项点进行了探讨，确保对电缆的结构、关键工艺、敷设安装等方面控制到位，同时加强运营管理，保证27.5kV电缆安全稳定运行，为重载牵引供电系统提供保障。参考文献：[1]邵健强，李汉卿.电气化铁道27.5kV电缆技术参数研究[J].信息系统工程，2011（8）：71-72+78.[2]张倩，李文豪，陈维荣.高速铁路27.5kV单芯电缆接地方式的研究[J].电气化铁道，2009（2）：10-13.[3]程杰.高速铁路27.5kV馈线电缆护层感应电压与接地方式研究[D].西南交通大学，2016.[4]卓金玉.电力电缆设计原理[M].北京：机械工业出版社，1999.[5]中国铁路总公司.TG/GD116-2017普速铁路接触网运行维修规则[S].北京：中国铁道出版社，2017.收稿日期：2019-06-1787