論地鐵配電干線的安全運行



[摘 要] 地鐵配電干線的安全十分重要。文中介紹了地鐵配電干線的兩種型式，電纜配電和母線槽配電；分析兩種配電方式的優(yōu)缺點；提出了防止母線槽過載的措施；選用母線槽應注意的幾個問題。
[關鍵詞] 地鐵配電干線 電纜配電 母線槽配電設
計 防護等級
地鐵配電干線的安全運行是十分重要的，因為配電干線相當于人的主動脈，一旦發(fā)生故障，會使系統(tǒng)癱瘓，甚至發(fā)生爆炸、引起火災。
目前采用的配電干線有兩種：母線槽或電纜。在母線槽未推廣之前，配電干線都采用電纜。母線槽被人們逐漸認識后，對大容量、高檔、重要的建筑的配電干線開始大量采用母線槽了。
本文通過多年的調(diào)查，在對配電干線的事故分析的基礎上談一點個人的看法，供讀者參考。
1 電纜配電
1，1 影響電纜過載的原因分析
電氣火災中由于電纜過載或短路引起的事故占極大多數(shù)，電纜過載或短路由4個原因造成的：電纜本身的質(zhì)量、施工質(zhì)量、設計容量、負荷故障。
(1)電纜質(zhì)量
在價格激烈競爭的情況下，有些制造廠采取減少電纜截面、用廉價的絕緣材料、減少保護層等辦法來獲得中標，對這種電纜媒體己多次曝光，但仍未能杜絕。
也不要盲目相信進口電纜，上海某極重要的樣板工程，采用歐洲進口的電纜，用了不到一年，不得不全全部更換。
(2)施工質(zhì)量
施工質(zhì)量和電纜的壽命有極大的關系，上海某大學的埋地電纜發(fā)生爆炸，其原因是鎧裝鋼帶埋地電纜施工時，鋼帶吃力使電纜絕緣層受損，加上埋地電纜間

(3)設計容量
國際銅業(yè)協(xié)會和國內(nèi)的電氣專家們在不斷宣傳電纜的經(jīng)濟截面，即加大電纜的截面，減小電纜的容量，這不僅是節(jié)約電能的好方法，而且也是延長電纜壽命的極為有效的措施，但由于涉及到增加初期投資，因此進展速度不快。
用戶任意加大電纜容量也是常見的現(xiàn)象，通常由于設備的增加，也是不得不為之。
(4)負荷故障
任何電氣設備都有出現(xiàn)故障的可能，當出現(xiàn)短路故障時對電纜的損傷是很大的。
以上4個方面容易引起注意，但還有以下2點未能引起重視：
(5)電纜敷設間距
某廠電纜溝內(nèi)有100多根電纜，某天一根絕緣已受損的電纜，在負荷發(fā)生短路時引起爆炸，結(jié)果果造成溝內(nèi)100多根電纜全部燒毀。
埋地敷設的電纜施工規(guī)程規(guī)定：電纜之間要保持至少0．1m的間距，目的是保證一根電纜出現(xiàn)故障時，不殃及相鄰的電纜。但此條規(guī)定在電纜溝內(nèi)或橋架內(nèi)敷設時被忽視了。電纜不僅緊靠在一起敷設，而且相互重疊二至三層。在這種情況下，其中任何一根電纜發(fā)生短路爆炸，必然會引起緊挨在一起的其它電纜也遭到同樣的結(jié)果，短路爆炸。我認為電纜溝或橋架內(nèi)敷設電力電纜，其間距至少不少于1d(d為電纜的外徑)。
據(jù)我調(diào)查的結(jié)果，幾乎所有的電纜溝和橋架內(nèi)的電纜都是緊挨在一起敷設的，在這種情況下，任何人都不能保證每一根電纜都不發(fā)生短路事故；一旦其中一根電纜發(fā)生短路事故后，任何人也不能保證不會使周圍的電纜遭殃。
對如此嚴峻的情況，設計人員采取的消極方法是：降低電纜的載流量至多只用到70%，但你無法阻止用戶因電氣設備增加而加大電纜的載流量，甚至用到滿負荷。即使用戶按設計規(guī)定使用電氣設備，但在輕負荷工作下的電纜，只要電氣設備發(fā)生短路故障而在未解除故障前，電纜也會出現(xiàn)超負荷工作的情況；另一個方法是采用可靠廠家生產(chǎn)的保護裝置，一旦發(fā)生電纜過載或短路就自動切斷電源，這在理論上是成立的，但誰敢保證保護裝置的工作一直是可靠的，任何電氣設備都有損壞的可能，火災往往就是在電氣裝置失效的情況下發(fā)生的。
(6)交聯(lián)聚乙烯電纜的水樹老化
交聯(lián)聚乙烯電纜因為絕緣性能好，允許工作溫度高，有較好的機械強度而受到歡迎，但許多人不知道水樹老化會使電纜絕緣擊穿。
在電纜制造過程中由外面浸入的極微量的水分在電纜絕緣層中是均勻分布的，但電纜投入使用后，在電場的作用下，受到不均勻電場的吸引，產(chǎn)生極化遷移，逐漸積累而產(chǎn)生局部過飽和狀態(tài)，形成水樹。電纜的絕緣層中只要同時存在水和電場就會產(chǎn)生水樹，水樹是直徑在0.1υm到幾微米充滿水的空隙集合。水樹和環(huán)境濕度也有關，交聯(lián)聚乙烯電纜在65％以上的濕度環(huán)境中通電就可以產(chǎn)生水樹。上海電纜研究所的研究證明：有Cl離子、S04離子或NO3，離子的水，比自來水在同等條件下，水樹生長速度要快3～4倍。水樹的存在直接影響到電纜的壽命。為了降低水樹的生長速度，在地下水較高及多雨地區(qū)，不宜采取埋地敷設，在南方地區(qū)黃梅季節(jié)電纜溝內(nèi)容易結(jié)露，因此要有通內(nèi)措施；電纜的人口處應有堵水措施，避免雨水流人電纜溝內(nèi)；電纜溝應有防滲漏措施和排水措施，防止電纜溝內(nèi)積水。
由于交聯(lián)聚乙烯電纜有水樹老化現(xiàn)象，因此這種電纜不應長期在潮濕環(huán)境中使用，在施工時要嚴格防止潮氣侵入電纜芯內(nèi)部，鋸斷的電纜端頭要及時密封。
配電干線可以采用電纜，但只適用于小容量，電纜數(shù)量不多，例如普通的六層以下的住宅樓，若使用在其它場所必須注意上述各問題，才能使電纜配電得到安全運行的保證。
2 母線槽配電
母線槽由于容量大、過載能力強、不會由于故障而引發(fā)火災等優(yōu)點而受到用戶的歡迎，但根據(jù)調(diào)查結(jié)果發(fā)生短路爆炸的案例也不少。作為一個電氣人員，母線槽的選用必須慎之又慎，不僅要選擇結(jié)構(gòu)好的產(chǎn)品，還要對制造廠有所了解。為此我對各種結(jié)構(gòu)的線槽進行了一番研究分析，尤其是對發(fā)生短路爆炸的母線槽從多方面進行了解其短路的原因。
母線槽運行中發(fā)生短路爆炸是用戶最耽心的事，根據(jù)上海有關專家的調(diào)查結(jié)果，上海已發(fā)生多起母線槽短路爆炸事故，有國內(nèi)產(chǎn)品，也有國外產(chǎn)品。
母線槽通電前絕緣測試通常都是合格的，為什么運行時會發(fā)生短路爆炸?通常是由于產(chǎn)品設計不合理、加工工藝不符合要求、安裝不符合規(guī)范三方面原因造成的。
2．1 產(chǎn)品設計不合理
(1)鋁外殼與銅母線之間作剛性固定是造成短路的原因之一
母線槽的外殼和母線，都存在線膨脹現(xiàn)象。金屬材料的線膨脹和組成材料的物質(zhì)有關，母線槽常用的金屬材料有鋼、銅和鋁，這三種材料中，鋁的線膨脹系數(shù)最大，銅其次，鋼最小。
采用鋁外殼、銅母線，并且兩者之間作剛性連接的母線槽，由于線膨脹系數(shù)不同，根據(jù)計算，連接孔的最大錯位可達到2．1mm(7.2—5．1=2.1)。
此外還應考慮母線槽連接孔的同心度，以五線制母線槽為例，5根母線，加上2塊外殼，共有7個孔，孔的同心度偏差，加上線膨脹的差異，就有可能產(chǎn)生母線與穿芯連接螺栓之間的短路。
為了避免這種短路情況的出現(xiàn)，設計師在選用這類產(chǎn)品時，對產(chǎn)品的要求：外殼和母線應采用同種金屬材料；若用不同材料，則母線和外殼之間不能作剛性固定，只能作滑動固定。
(2)母線與鋼外殼直接接觸是造成短路的原因之
例如采用波狀外殼的母線槽，由于外殼呈波狀，因此加強了外殼的剛度，被稱為高強母線槽，這種母線槽的母線包裹絕緣層后，直接放人波槽中，母線相互間離開一定的距離，由于這種結(jié)構(gòu)，母線和外殼之間僅靠軟性的絕緣層隔離，如果母線表面或外殼表面存在毛刺，母線投入運行后產(chǎn)生的電動力，就會使毛刺頂破絕緣層而造成短路爆炸。
2．2 加工工藝不符合要求
大多數(shù)短路爆炸是由于加工工藝不符合要求而產(chǎn)生的。這里略舉3例說明之，但并不表示只有這3種情況。
(1)鐵屑進入殼體內(nèi)造成短路
某外資廠，母線槽的機加工和總裝處在同一大車間內(nèi)，這是錯誤的布局，兩者必須分布在兩個相互隔離的車間內(nèi)，才能避免機加工產(chǎn)生的金屬屑，由于人員的走動而進入母線槽殼體內(nèi)。
上海某重點工程，母線槽安裝前，質(zhì)量監(jiān)督人員，打開母線槽外殼，發(fā)現(xiàn)殼體內(nèi)有大量鐵屑，而責令工廠返工。事后分析鐵屑來源，是由于外殼固定孔，用手槍鉆在母線槽裝配時直接鉆孔而未清除鐵屑所致。
(2)母線毛刺造成短路
最典型的母線槽毛刺引發(fā)的短路，發(fā)生在上海市中心的一座商務樓內(nèi)，事后檢查母線槽的表面有三條小凸痕，原來該廠采用的銅排，軋制時軋棍上的三條凹槽，從而產(chǎn)生三條凸痕，母線槽的連接面由于凸痕的存在，使母線的接觸面銳減，母線槽的連接頭發(fā)熱，穿芯螺栓的絕緣層熔化，最后導致母線槽的相間短路。
(3)焊縫突出造成短路
密集型母線槽和高強母線槽，前者母線緊靠在一起，后者母線與外殼緊靠在一起，因此母線的焊縫如果突出，就會發(fā)生頂破絕緣層而產(chǎn)生短路。
每節(jié)(通常為3m)母線槽采用的母線，不應該采用短料接長的方法，但這種現(xiàn)象在某些工廠是存在的。
母線槽的彎頭、三通或四通免不了要焊接，GBJ149—90《電氣裝置安裝工程母線裝置施工及驗收規(guī)范》第2.4.6條規(guī)定：“母線對接焊縫的上部應有2～4mm的加強高度，角焊縫的加強高度應為4mm。”但這一條規(guī)定，在密集型母線槽和高強母線槽中無法實現(xiàn)。
2.3 安裝不符合規(guī)范
母線槽安裝不符合規(guī)范處很多，本文只討論與短路有關的內(nèi)容。
(1)潮氣進入殼體內(nèi)后不能輕易送電
除了樹脂澆注全封閉母線槽外，其它母線槽都不能阻止潮氣進入，因此母線槽進入現(xiàn)場后必須放在干燥場所，安裝時由一個場所搬到另一個場所時，兩處的溫差不能過大，否則會產(chǎn)生結(jié)露。
母線槽安裝結(jié)束到通電往往有一段時間，其間潮氣也會進入，因此冒然送電是危險的，送電前必須測量絕緣電阻。
(2)接頭部進入安裝垃圾
母線槽安裝環(huán)境往往不是潔凈場所，因此安裝時必須防止建筑垃圾進入接頭內(nèi)，在接頭進行安裝封板前，應該用吸塵器進行清掃。
3 防止母線槽過載的措施
綜上所述，母線槽運行中發(fā)生短路的原因是多方面的，設計、制造、安裝的不正確，都有可能使母線槽產(chǎn)生短路。
防治是必要的，但最有效的措施是從產(chǎn)品設計上解決。例如杰帝母線(上海)有限公司生產(chǎn)的JDR全封閉樹脂澆注母線槽，這種母線槽母線間不是用空氣隔離，而是用絕緣性能極佳的樹脂隔離，包括連接頭在內(nèi)全部用樹脂澆注成一體。
杰帝母線公司采用的樹脂線膨脹系數(shù)和銅十分接近，加上這種母線槽無金屬外殼，因此不存在因線膨脹不同而產(chǎn)生相間短路或相地之間短路的可能。
采用樹脂隔離的母線，即使母線上有毛刺，也不可能頂破樹脂絕緣層，因此也不存在因毛刺而發(fā)生短路的可能。
采用樹脂母線槽，焊縫完全可以符合GBJ 149—90的要求；由于全封閉，潮氣不可能進入母線槽內(nèi)。
采用母線槽還有如下好處：例如用鋼殼母線槽取代電纜，可消除電纜著火后會引燃周圍可燃物的消防大忌，但在采用母線槽作為配電干線時要注意以下問題：
采用空氣型或混合型母線槽，如果母線槽因過載或短路，母線的絕緣層著火，也不會引燃母線槽周圍的可燃物，但空氣型或混合型母線槽存在煙囪效應，高層建筑一旦發(fā)生火災，空氣型或混合型母線槽會助長煙氣火勢的蔓延。
采用密集絕緣母線槽可把煙囪效應降得很低，但普通型母線槽不耐火，一旦發(fā)生火災，殃及母線槽會造成停電。韓國地鐵火災造成的重大傷亡事故，主要是停電引起的。
普通母線槽不能防水，安裝完畢的母線槽，只要其中有一節(jié)母線槽進水，母線槽就無法送電，而要在數(shù)十節(jié)母線槽中找出進水母線槽，拆裝的工作量是極大的。
鋼殼、云母絕緣的耐火型母線槽能耐火，但同樣怕水，即使施工中未進水，一旦發(fā)火災，消防水也會造成耐火母線槽短路而停電，耐火母線槽至少要具有防噴水的功能才有實用價值。
4 母線槽的選用
采用什么類型的母線槽，必須慎之又慎，不僅要選擇結(jié)構(gòu)好的產(chǎn)品，還要對制造廠有所了解。
選用母線槽時從質(zhì)量和性能角度要考慮如下幾點：(1)杜絕母線短路的可能性，確保電源不發(fā)生因母線故障而中斷；(2)過載能力強；(3)阻燃，更希望具有一定的耐火性能。
我對杰帝母線(上海)有限公司生產(chǎn)的JDR樹注澆注無外殼全封閉母線槽考察后感到，它具有密集型和雙重絕緣母線槽的優(yōu)點，母線間用絕緣性能十分優(yōu)良的樹脂作為絕緣體，因此它的耐壓可達5000V以上；由于母線間隔一定的距離，母線間包括連接頭全部
用樹脂澆注，因此即使母線存在毛刺，也不可能頂破樹脂絕緣層，不會發(fā)生短路；這種母線槽由于無外殼，因此不可能發(fā)生相地之間的短路。
由于全封閉，符合外殼防護等級IP68要求，潮氣不可能進入母線槽內(nèi)，這種母線槽允許長期浸在水中，甚至在腐蝕環(huán)境中長期使用。
這種母線槽采用的樹脂還能保證在零下50℃以下時不開裂，這種母線槽采用的樹脂還能經(jīng)受5焦耳以上抗沖擊能力，因此無須金屬外殼。
杰帝母線通過了IEC60331規(guī)定的90min燃燒試驗，因此JDR樹脂澆注母線槽可作為耐火母線槽使用。
JDR樹脂澆注全封閉母線槽具有耐火、防水、過載能力強、相間不會短路等優(yōu)點，因此它作為配電干線是較理想的選擇。