城市轨道交通供电系统直流电缆的应用概况

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摘要: 本文介绍了城市轨道交通供电系统直流电缆的应用情况。从直流电缆的种类、特性、使用要求和直流电缆的结构和设计等几方面作了介绍和阐述。

论文关键字:   电缆  直流电缆  轨道交通

引 言
     随着我国城市轨道交通事业的高速发展,轨道交通用电缆的需求量也不断增加。据资料显示,在未来几年内,我国将有20多个城市计划修建地铁与轻轨,总里程达850公里; 到2020年,我国的轨道交通线路总长将达到2200 公里左右。这对电线电缆行业来说既是机遇,又是挑战。
     城市轨道交通直流电力电缆是指地铁、轻轨供电系统中直接对牵引机车进行供电的1500 V及低于1500 V的低压正极电缆、连接电缆和负极电缆。直流输电有许多优点,线路成本纸、损耗小、没有无功功率、电力连接方便、容易控制和调节,尤其是在长距离输电中直流电力系统已经广泛被采用。
直流电力电缆具有下列优点: 绝缘的工作电场强度高,绝缘厚度薄,电缆外径小、重量轻、柔软性好和制造安装容易; 介质损耗和导体损耗低,载流量大; 没有交流磁场,有环保方面的优势。直流电缆特性与交流电缆有本质区别,后者除芯线电阻损耗外,还有绝缘介损及铅包、铠装的磁感应损耗,而前者基本上只有芯线电阻损耗且绝缘老化也较后者缓慢得多,因而运行费用也较低。在输送功率相同和可靠性指标相当的可比条件下,直流电缆输电线路的投资比交流线路要低 (特别是当线路长度20—40公里时),而在输电技术上更能提高电力系统的运行可靠性和调度灵活性。
直流电缆的种类
     轨道交通的牵引供电系统采用直流1500 V电压,因此1500 V直流电缆的选择直接关系着地铁车辆的安全可靠性。目前我国1500 V直流供电的地铁比较多,己经建成的有广州地铁一、二号线和上海地铁一、二号线、明珠线,莘闵线、M8线,深圳地铁一期工程、南京地铁、重庆轻轨等。
     随着轨道交通系统的迅速发展,越来越多的直流电缆投入了使用。直流牵引电缆用于连接高速直流开关和接触网,是直流供电系统的“瓶颈”。电缆一般采用交联聚乙烯(XLPE)电缆或乙丙橡胶(EPR)柔性电缆。轨道交通的发展历史比较长,不同时期不同方式的直流牵引电力电压等级多种多样,一般在DC600-3000V之间,其中常用的电压等级有DC750V, DC1500V和DC3000V。轨道交通牵引直流系统采用悬浮供电方式,整流变压器和整流器组成的整流机组将33kV或35kV ,  l 0kV电压转换成机车运行电压,通过高速直流开关给接触网(第三轨)供电,通过钢轨(回流轨)、回流电缆返回整流机组负极。直流牵引电缆用于直流高速开关到接触网的供电,直流牵引电缆主要选用高性能的低烟、无卤、阻燃的XLPE或EPR电力电缆,有时为了防止鼠咬及增加机械强度等采用软铜带铠装。
轨道交通用直流牵引电缆主要适用于额定电压3000 V及以下的城市轨道交通的直流电力传输。具体有: XLPE绝缘PVC护套直流牵引(软)电缆; XLPE绝缘聚烯烃护套低烟无卤阻燃直流牵引(软)电缆; XLPE绝缘聚烯烃护套低烟低卤阻燃直流牵引(软)电缆; XLPE绝缘聚烯烃护套低烟无卤阻燃防紫外线直流牵引(软)电缆; EPR绝缘弹性体护套直流牵引软电缆; EPR绝缘弹性体护套低烟无卤阻燃直流牵引软电缆; XLPE绝缘防蚁防鼠低烟无卤A类阻燃直流牵引电缆等。
直流电缆的特性和使用要求
      轨道交通用电缆为各种中、低压电缆,属于固定敷设类型,传输功率也比较大,既属于电气装备电缆类,也属于电力电缆类。还有一种电缆用于输送1 500 V直流电压,是机车的供电电缆。1500 V直流电压相当于600 V交流电压,在国家标准GB 12706 -2002(等同IEC60502)中,低压交直流比为2. 4倍。为此电缆的绝缘厚度可按0. 6/IkV的电缆选用。轨道交通用电缆一般均为单芯电缆。
     轨道交通电缆对导体要求很高,希望采用紧压束绞细铜丝为单元,再绞合成导体,截面一般都比较大,400--630 mm2是常用的规格,要求有内外半导电屏蔽层,在绝缘半导电屏蔽层外用铜带屏蔽,铜带要求采用硬度较高的黄铜带,因为地铁工程要求防老鼠,防止老鼠将电缆咬坏。还有一项重大的要求是防火,故采用A类阻燃电缆。另外根据项目具体情况,电缆一般应具有防水、防油、防紫外线、防鼠、防白蚁等性能。地铁项目中直流牵引电缆敷设空间有限,一般要求其重量轻,柔软性好,易弯曲,便于安装及维护。电缆敷设时的弯曲半径规定为:非软结构电缆为电缆外径的12倍;交联聚乙烯绝缘软结构电缆为电缆外径的6倍;乙丙橡胶绝缘软结构电缆为电缆外径的4倍。
      直流供电一般为双极传输,具有两根导线,一根为正极,另一根为负极。正极电缆为绝缘加护套的结构,负极电缆为护套兼具有绝缘功能。所有正、负极电缆护套都选用低烟无卤阻燃材料构成,这样电缆在火灾环境中不但自己具有阻燃性能,而目不释放浓烟和有毒气体,减少对人员和电气设备的损害。具体要求为: (1) 电缆燃烧时的阻燃性能应满足GB18380. 3规定的A类、B类或C类要求,( 2)对于低卤低烟阻燃电缆,透光率≥30%; 电缆燃烧时低卤性能应满足:卤酸气体逸出量≤100 mg/ g; pH值≥2. 5,电导率≤30 uS/ mm;  ( 3)对于低烟无卤阻燃型电缆:无卤性能应满足pH值≥4. 3,电导率≤10 uS/ mm和透光率≥60%。
      
直流电缆的结构和设计
4.1  导体
地铁中牵引电缆敷设空间有限,要求直流电缆轻量化、柔性好、转弯半径小。硬性电缆导体(1、2类导体)由紧压型的多股圆铜线组成,不必镀锡,导体紧压系数较大,生产成本较低。柔性电缆的导体 (5类导体) 由非紧压型的多股圆铜线组成,采用镀锡退火处理,生产成本较高。
正、负极电缆通常可选择400 mm2的铜导体,线芯直径不大于3 mm。对于敷设空间特别狭小且敷设处存在强烈震动的连接电缆,应选择柔性电缆。如果连接电缆中120 mm2规格的电缆约占连接电缆总长的25%,可以将其截面加大,即整个工程都采用150 mm2的连接电缆,便于设备的统一和施工以及运营维护的方便。
4.2   绝缘
     电缆在直流电压下绝缘内的电场强度与其电阻率成正比分布,电缆在运行中,电缆内温度升高,电阻率会受温度的影响而发生变化。当电缆负载为零时,最大电场强度出现在导电线芯表面;加上负载后,最大电场强度有向绝缘表面移动的趋势。因此,在绝缘材料选择和厚度设计时不仅应保证在空载时线芯表面场强不能超过其允许值,而目还应保证电缆在允许最大负载时,绝缘层表面的电场强度不超过其允许值。
     直流牵引电缆的绝缘一般采用电性能优良的XLPE或EPR材料,直流电缆对工频耐压和冲击耐压的要求不高,正极电缆的电压在各个工程中没有差别,而负极电缆的电压有较大区别。地铁工程中负极电缆的数量约占直流电缆数量的40%,考虑设备的统一、施工和运营维护的方便以及运营的可靠,负极电缆宜采用与正极电缆相同的结构。
4.3  防水
     因地下环境和大气的影响,电缆长期敷设在潮湿的环境下,水分子会通过橡胶或塑料层渗透到电缆的内部,引起绝缘电气性能下降,甚至造成安全事故。因此,直流牵引电缆应具有防水、防潮性能。电缆防水一般以径向防水为主,采用一层不能渗水或难以透水的材料,将水分阻挡在绝缘以外,从而达到保护绝缘的目的。通常可采用铝/塑粘接综合护层;也可以在绝缘和护层之间单独设计一层线性低密度聚乙烯材料作为防水层,因为线性低密度聚乙烯具有较好的韧度、耐磨及较低的透水性。另外,也可采用膨胀型阻水带缠绕在绝缘层的外表面,以便起到纵向或径向的防水的作用。
4.4  铠装
地下空间鼠害严重,另外电缆敷设空间狭小,施工时容易损伤电缆,地铁系统的电缆应采取措施使电缆免于一般的机械损伤,直流电缆的铠装材料可以选用铜带或不锈钢带。
4.5 外护套
     为了保证电缆优良的电气性能和阻燃特性,绝缘采用非阻燃材料,而外护层要采用具有防紫外线的低烟无卤阻燃材料。在地铁的牵引变电所电缆出口处敷设的直流电缆数可达20多根。按电缆成束燃烧试验要求,地铁直流电缆通常要求达到A类阻燃。
对于C类阻燃直流牵引电缆,采用乙丙橡胶和交联聚乙烯材料作绝缘,外护套采用阻燃材料是能够实现的,但对于A,B类阻燃要求来说就比较困难。为了使电缆达到不同的阻燃级别要求,可以采取在绝缘和护层之间增加了一层厚度为1--2 mm的高阻燃隔氧层,以提高电缆的阻燃等级。
结 论
5.1   目前人们对轨道交通用直流电缆的特性和要求还没有统一的标准,给使用和生产单位带来很大的不便。建议相关部门有必要尽快制订出相应的行业标准,作为设计、生产和选用的准则,从而适应我国轨道交通快速发展的需要。
5.2   地铁通常是城市最大的基础设施之一,也是城市客运的大动脉和生命线。所以要求地铁供电直流电缆不仅要防水、防鼠和安全可靠;同时还要考虑消防的要求,应采用阻燃型的低烟无卤电缆;对于地铁应急和消防设备,采选用低烟无卤耐火型的电缆。
 
6.  参考文献
   [1]. 王彦利. 地铁直流电力电缆现状、发展和选择[J]. 电气化铁道,  2002, (2): 45-48
   [2]. 谢红,夏金凤. 城市轨道牵引供电电缆选型分析[J].机车电传动,2003,(2): 33-35
   [3]. 唐崇健,庞玉春. 轨道交通用直流牵引电缆的特性和要求[J]. 电线电缆,2003,(3): 23-26

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