轨道交通用直流牵引电缆设计和应用存在的问题

        随着我国城市轨道交通事业的高速发展，轨道交通用直流牵引电缆的需求量也不断增加。地铁牵引供电系统通过接触网上安装的分段绝缘器分成若干个独立的供电区段。为了提高牵引供电的可靠性，减少杂散电流对环境产生的电腐蚀，每个供电区段采用双边供电。即两座牵引变电站各有一个供电支路，通过直流电力电缆向同一个接触网区域供电。
轨道交通用直流牵引电缆是指地铁、轻轨供电系统中直接对牵引机车进行供电的3000V及低于3000V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，还有绝缘介损及金属护层的磁感应损耗，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，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。
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。

    最近和一些轨道公司、设计院、施工单位、电缆生产厂家的电气技术人员以及相关资深电缆专家就轨道交通用直流牵引电缆进行了一些广泛深入的研讨和交流，结果发现，看似普通的直流电缆在很多方面存在问题，这些问题有技术方面的、也有非技术方面的；有材料的方面、也有工艺方面的；有生产方面的、也有安装方面；有应用方面的，也有设计方面的。而解决这些问题更需要轨道交通运营管理公司、相关设计院、施工单位、电缆生产厂家共同联合来进行。

    1、 关于使用寿命

    上海地铁一号线用的是德国制造的电缆，到目前为止运行已达20年，电缆表面没有开裂现象，也没有更换过电缆。而三号线的电缆使用的是国产品牌，电缆使用年限不长，目前已全部更换，主要原因是电缆表面开裂，开裂的原因是受大气中的紫外光照射的原因。
广州地铁一号线用的直流电缆是英国制造的，使用8年换了7根，其更换原因一是电缆敷设过程有损伤；二是电缆长

期受光线照射；三是部分电缆长期浸泡在水中（有时浸泡在水中的时间长达三个月）。

    直流电缆的使用环境有时候比交流电缆的使用环境更恶劣。
地铁、轻轨作为城市交通的重要运输工具，一旦出现故障，会带来很多的问题，甚至导致局部时间城市的交通瘫痪。由于更换故障电缆需要地铁、轻轨停运，所以，更换工作一般安排在夜晚中进行。

    2、 电缆的敷设

    轨道交通用直流牵引电缆敷设环境比较恶劣：一是敷设电缆时野蛮施工，敷设电缆的人员大部分是临时录用人员，这些人员也没有进行电缆敷设前的专业培训，他们只管进度，不管质量，所以，在国内没有一个轨道交通项目的电缆安装敷设是文明施工的；二是敷设电缆的场地不平整，工业垃圾极易划伤外护套；三是穿管的电缆，当电缆管的管口处理不当时，会造成电缆护套拉伤。此种电缆直埋敷设运行后，受潮发生间隙性短路直至烧断。此类故障往往造成多根电缆同时烧坏；四是电缆敷设空间狭小，电缆不易弯曲或引起过度弯曲。
很多制造厂在供应电缆时，很少对客户进行电缆敷设前的培训、指导、服务工作，也没有提供相应的安装敷设的指导性文件和注意事项等要求，更没有注意到提供必要的、特殊的工具会对电缆的安装敷设起到保护作用，从而造成不必要的、隐含的电缆故障。

     3、 关于电缆的防水

     目前很多的设计单位要求直流电缆具有防水性能，但对防水性能的定性含糊不清，从而导致直流电缆的防水结构、性能、要求五花八门。
其实，电缆的防水性能要求不外乎两种，一是纵向防水；二是径向防水。纵向防水一般采用膨胀材料，径向防水一般采用膨胀带绕包、金属包覆成管或高聚物材料。而现在在很多地铁、轻轨中使用的电缆，所谓防水性能要求仅仅是电缆具有纵向防水功能，而此功能根本起不到防水的作用。
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。

     在地铁工程设计时，一般设计要求电缆沟具有排水功能，但实际情况是，到了汛期和雨季，电缆沟排水系统根本不起任何作用，仅仅是摆设。所以，直流电缆架空敷设和入沟敷设的结构和性能要求要有区分。此外，对于敷设在电缆沟中的直流电缆，如采用径向防水要求，还要考虑电缆的弯曲性能能否达到6D的要求。

     4、 电缆的阻燃性能

     目前，直流电缆的阻燃性能要求较高，均采用A类阻燃，并要求无卤、低烟等性能。直流牵引电缆绝缘和护套均采用塑料或橡胶，电缆为单根，其导体采用5类或6类，电缆的最大特点是柔软、易弯曲。

     在地铁的牵引变电所电缆出口处敷设的直流电缆数量局部可达20根。根据国内电缆资料计算可得，其出口处的电缆可燃物含量可达11．9L／m，因此地铁直流电缆选用阻燃电缆的阻燃类别属于A类，同时还要采取其它的 外部防火措施。

     由于轨道交通用直流电缆均为单根结构，单根电缆要达到A类阻燃要求，其电缆的结构设计和材料选用相对要复杂，通常的综合氧指法在电缆的工艺结构设计中难以适用。很多生产厂家在设计该电缆时，增加高阻燃隔氧层或设计金属屏蔽层（高阻燃隔氧层又分为挤包型和绕包型两种，挤包型会影响电缆的弯曲性能，绕包型对弯曲性能没有影响），这样的结果是电缆的阻燃性能提高了，而电缆的其它性能下降了。此外、由于电缆还要求无卤、低烟等性能，使得电缆的护层防水性能下降，机械强度下降。
其实，是否需要A类阻燃这一高指标还有待于商榷，特别是对于暴露在大气下的直流电缆是否需要无卤、低烟就更值得商榷了。B类阻燃不行吗？低卤、低烟不行吗？

    5、 关于电缆抗紫外线性能
由于直流牵引电缆，有时会暴露在大气下面受到日光的长期照射，此种情况下的直流电缆的外护套极易开裂，其原因主要是护套采用了阻燃性无卤低烟材料，该材料机械强度和伸长率较低，电性能和防水性能下降。
为了解决这一问题，很多轨道公司采取对暴露在大气下面的电缆上面增设遮阳棚，其效果也很不理想。电缆的高阻燃性能要求带来了电缆抗紫外线性能的下降，而传统的HYA型电缆，长期暴露在大气下面电缆表面是不会开裂的。
电缆的抗紫外线特性，一般通过在电缆的护套材料中添加紫外光吸收剂、光屏蔽剂等助剂来实现。
此外，引起电缆护套开裂的另一

个原因是用于固定电缆的卡箍，当电缆被分段固定时，电缆纵向方向的长期热胀冷缩会导致护套层纵向开裂，这对电缆护套材料和敷设方式又提出了更高的要求。

    6、 电缆的防老鼠与防白蚁性能

      直流电缆在所铺设的场所有时会受到啮齿动物（老鼠）
      和白蚁、以及其他各种地下昆虫的破坏。
      老鼠由于其门齿需要不断啃咬东西以缩短它们的门齿长度，所以它们实际上会啃咬任何能使它们的牙齿缩短的东西。而且它们会也受到塑化剂气味或颜色的吸引。
      比老鼠小的是白蚁。这些群居的昆虫相信"合则存、分则亡"。一只单独的白蚁可能不会引起难以估量的破坏，但联合起来的它们有力量在一个晚上推翻你的房屋。
      解决电缆防老鼠和防白蚁的最好方法是采用金属铠装，通常使用较多的是0.10mm的铜带、0.10mm普通钢带、0.10mm不锈钢钢带，但这种结构的电缆其柔软性下降，成本上升。此外，带有金属带的电缆会对电缆的阻燃性能产生一定的影响，在燃烧过程中极易形成"烟囱效应"，它会使燃烧更加加剧。

此外，带有金属层结构的直流电缆对寻找和排除电缆的故障或隐性故障有较大的好处。有时候技术创新往往需要解决很多矛盾的问题。

直流电缆的防老鼠与防白蚁性能要求集中体现在电缆的外护套上，它通常提高电缆护套表面的硬度来达到防老鼠和防白蚁的要求。而直流电缆的护套还要具有阻燃、无卤低烟和抗紫外线、防水、耐油等性能。当所有的要求集中在一个单元结构上，这本身就是一个很矛盾的问题。

过去电缆前辈们对于电缆防老鼠性能做过大量的研究，认为当电缆外径超过28mm时，电缆受老鼠的破坏性会大大降低。

7、 关于电压等级

     目前，国内很多工程使用的直流牵引电缆的电压等级均为3000V或1500V，有一部分使用电压为750V。实际上，有的使用场合电缆的实际使用电压不到500V。所以，有必要开发薄绝缘结构型式的直流电缆。