城市轨道交通专用B1级环网电缆的研制

　　[摘要]城市轨道交通牵引供电环网系统采用小电阻接地的运行方式，使得系统单相短路故障电流高达1000A以上。为了确保地铁35kV中压电缆的允许短路电流满足系统要求，对电缆原有的金属屏蔽结构进行了改进。地铁35kV中压电缆用于牵引变电站供电，大部分敷设于区间隧道，为了确保供电系统的安全运行，对电缆原有的结构和燃烧性能进行了提升。由此，成功研发了城市轨道交通专用B1级环网电缆。该电缆通过采用铜丝疏绕结构金属屏蔽层，当铜丝屏蔽截面不小于16mm2时，即可满足3000A、1s的单相短路故障电流设计容量;采用在50kW热源辐射下热释放速率峰值可以控制在80kW/m2以下且具有较好的炭化结壳特性的B1级环网电缆专用内护套料和外护套料，电缆燃烧等级达到B1级，一旦出现火灾事故，在燃烧开始后12min内，电缆的产烟和产热均可控。

　　[关键词]环网电缆;中压电缆;城市轨道交通;B1级;短路故障电流

　　0引言

　　城市轨道交通牵引供电环网系统的电容电流较大，一旦发生单相接地故障，可能会引起工频过电压和弧光接地过电压，造成系统绝缘薄弱点击穿，扩大事故，甚至引起火灾，而中性点经小电阻接地的运行方式可以降低工频过电压和弧光接地过电压倍数，消除对地谐振过电压的发生条件[1]。但当采用小电阻接地的运行方式时，单相短路故障电流变得非常大，一般可达1000A以上。

　　一般采用一层紫铜带作为金属屏蔽层的单芯中压电缆是很难承受如此大的短路电流，很可能会造成系统故障，甚至引起火灾。由于电缆本身的可燃物很多，燃烧后会放出大量的热量和浓烟，会给站场内人们的生命财产安全带来很大的危害。针对地铁35kV单芯中压电缆存在的上述问题，通过改进结构设计、选用新材料，研发了满足城市轨道交通牵引供电系统安全运行的B1级环网电缆。

　　1地铁35kV中压电缆存在的问题

　　1.1电缆金属屏蔽结构问题

　　当地铁环网系统采用小电阻接地的运行方式时，接地电阻值因区域电网的不同要求稍有差异，一般在15～30Ω，由此可得短路故障电流ID(=U/(槡3Rg)，其中U为电压，Rg为接地电阻)最高可达1300A左右。铜带屏蔽层可承受的短路电流刚刚能满足系统短路故障电流容量要求。然而，很多地铁项目为确保系统的绝对安全，预防接地小电阻因部分旁路而导致单相短路回路的阻抗变小，短路电流的设计容量一般高达3000A、1s。在这种情况下，采用铜带屏蔽是行不通的。

　　1.2电缆燃烧产烟产热问题

　　地铁35kV中压电缆大部分敷设于区间隧道的桥架上，尽管其属于成束A类低烟无卤阻燃电缆，具有良好的阻止火焰蔓延性能，但一旦出现故障引起火灾，其燃烧产生的烟气、热量和滴落物是不可控的，大量有毒浓烟和高温很快就会蔓延开来，对乘客和工作人员的生命安全造成很大的危害。

　　2地铁35kV中压电缆的改进措施

　　2.1电缆金属屏蔽结构改进

　　为了满足系统短路故障电流容量要求，地铁35kV中压电缆金属屏蔽采用铜丝疏绕结构代替原有的铜带重叠绕包结构，再在铜丝屏蔽外间隙绕包一层铜带扎紧铜丝，控制屏蔽铜丝疏绕间隙，确保铜丝屏蔽间平均间隙不大于4mm，任意两根铜丝间的最大间隙不大于8mm。地铁35kV中压电缆是隧道桥架敷设，电缆不承受径向重压，原有用于承压的非磁性不锈钢带起不到应有的作用，因此将电缆铠装材料调整为铜锌合金带，一方面可以起到防鼠咬作用，另一方面接地后可以作为铜丝金属屏蔽的补充，用作故障电流通道。

　　2.2电缆燃烧产烟产热改进

　　地铁35kV中压电缆的绝缘层、半导电屏蔽层均为热释放速率很高的聚合物材料，电缆内部的屏蔽铜丝、扎绕铜带、铠装铜锌合金带都是热容很高的高导热材料，这些均给电缆燃烧性能带来负面影响。为此，电缆燃烧产烟产热问题的改进主要聚焦在电缆的内外护材料。

　　借助锥形量热仪等设备，对电缆料的热释放和炭化结壳特性进行了深入的研究，并确定了B1级环网电缆专用电缆料的配方。该电缆料在50kW热源辐射下，其热释放速率峰值[3]可以控制在80kW/m2以下，比普通低烟无卤阻燃材料动辄200kW/m2的水平低很多，同时也具有较好的炭化结壳特性。

　　3地铁35kV中压电缆的性能验证

　　为了验证研发的城市轨道交通专用B1级环网电缆的允许短路电流和产烟产热特性，对电缆的单相短路故障电流容量进行了验算，对电缆的B1级燃烧性能进行了测试。

　　3.1电缆短路故障电流容量验算

　　地铁35kV中压电缆金属屏蔽层采用铜丝结构时，当屏蔽铜丝截面积达到15.89mm2时，即可满足单相短路故障电流3000A、1s的设计容量。

　　3.2电缆B1级燃烧试验验证

　　委托权威检测机构对该城市轨道交通专用B1级环网电缆进行了B1级燃烧试验，热释放和烟释放特性曲线。从试验曲线看，该电缆在燃烧进行到750s左右时，可燃材料的燃烧和分解达到峰值，之后热释放速率振荡下降直至试验结束，整个燃烧过程非常稳定;产烟速率比标准值低一个数量级，保持在0.022m2/s以下，试验箱的能见度基本无变化。另外，从试验数据看，该电缆的B1级试验结果均低于标准值，且有较大的裕度。

　　4总结

　　地铁35kV中压电缆的金属屏蔽层宜采用铜丝疏绕结构，当铜丝屏蔽截面积不小于16mm2时，即可满足3000A、1s的单相短路故障电流设计容量。

　　地铁35kV中压电缆的燃烧性能宜设计为B1级，当电缆燃烧等级达到B1级时，一旦出现火灾事故，在燃烧开始后12min内，电缆的产烟和产热均可控，为人员逃生或消防救援争取了宝贵的时间。研发的城市轨道交通专用B1级环网电缆综合考虑了系统短路故障电流容量和电缆产烟产热特性，电缆的燃烧性能达到B1级且性能稳定，电缆的短路电流满足系统故障短路电流的设计容量，能确保系统可靠运行。

　　[参考文献]

　　[1]宋大治，汪理.35kV环网电缆单相短路故障分析[J].都市快轨交通，2009(6)：90-93.

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

　　[3]公安部.电缆或光缆在受火条件下火焰蔓延、热释放和产烟特性的试验方法：GB/T31248—2014[S].北京：中国标准出版社，2015.

　　作者：郑建平1，张中云1，杨夏喜2，任虹光1，刘鑫1，张峰1，康慧1，许惊鸿1

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