電氣化鐵道27.5 kV電纜護(hù)層保護(hù)器選擇淺析

李進(jìn)軍

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

隨著我國鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提高,如京津城際、武廣客運專線、鄭西客運專線、滬杭客運專線、京滬高速鐵路等項目,牽引供電系統(tǒng)中均大量采用了27.5 kV專用單芯電纜。單芯電纜線芯中通過交變電流必然會產(chǎn)生交變的磁場,將使電纜的金屬護(hù)層中產(chǎn)生感應(yīng)電勢。當(dāng)電纜載流量較大(特別是短路接地故障)、線路較長時,其金屬護(hù)套的感應(yīng)電勢和沖擊過電壓會很大,若電纜接地方式處理不當(dāng),可能導(dǎo)致護(hù)套絕緣擊穿,形成多點接地,影響電纜正常載流并降低使用壽命。

1 電纜結(jié)構(gòu)

我國電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)采用單相工頻交流27.5 kV電壓,27.5 kV電纜均采用單芯,電纜的典型結(jié)構(gòu)一般由TR型軟銅線導(dǎo)體線芯、導(dǎo)體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽、金屬屏蔽、隔離層、鎧裝層以及外護(hù)套等組成[1](圖1)。用戶可根據(jù)電纜敷設(shè)條件和運行環(huán)境提出附加要求,如低煙低(無)鹵阻燃、防水、防腐、防紫外線等。27.5 kV電纜結(jié)構(gòu)通用技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 27.5 kV電纜典型結(jié)構(gòu)示意

表1 27.5 kV電纜主要技術(shù)參數(shù)

2 感應(yīng)電壓產(chǎn)生

單芯電纜線芯與金屬護(hù)層的關(guān)系可以看作是1個單匝變壓器[2]。當(dāng)電纜在交變電壓下運行時,導(dǎo)體中通過的交變電流必然會產(chǎn)生交變的磁場。磁場產(chǎn)生的磁鏈不僅和線芯相鏈,也和金屬屏蔽層及鎧裝層相鏈,必然會在金屬屏蔽和鎧裝層上產(chǎn)出感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電壓的大小與線路長度和流過導(dǎo)體的電流成正比。電纜線路很長時,護(hù)套上的感應(yīng)電壓疊加起來可達(dá)到危及人身安全的程度[3]。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,在未采取能有效防止人員任意接觸金屬防護(hù)層的安全措施時,交流單芯電力電纜線路金屬層的非直接接地任一點的感應(yīng)電壓不超過50 V[4]。在雷電沖擊電壓或工頻短路情況下,線芯中可能通過幾十倍于正常的電流,產(chǎn)生的感應(yīng)電壓不僅會危及人身安全,也可能擊穿金屬護(hù)套的外護(hù)層,形成電纜金屬護(hù)套多點接地,各點因電位差產(chǎn)生環(huán)流,由于大地電阻和護(hù)層、屏蔽的電阻都很低,環(huán)流可能達(dá)到導(dǎo)體額定載流量的1/3,引起電纜發(fā)熱,影響到電纜的正常載流量[5]。故必須對感應(yīng)電壓予以計算并采取限制措施。

為保證電纜金屬護(hù)套對地應(yīng)保持良好的絕緣,安裝時應(yīng)根據(jù)線路的情況,按照經(jīng)濟合理的原則在金屬護(hù)套的一定位置采用特殊的連接和接地方式,并同時裝設(shè)護(hù)層保護(hù)器防止電纜護(hù)層被擊穿。目前我國電氣化鐵路通常采用護(hù)套一端接地的運行方式。

2.1 首端不接地,末端接地(圖2)

注：U0—雷電波電壓幅值,kV；Z0—接觸網(wǎng)波阻抗,Ω；Z1—電纜導(dǎo)體對金屬護(hù)套波阻抗,Ω；Z2—電纜金屬護(hù)套對大地波阻抗,Ω。

其中，μ=μ0μr=4π×10-7H/m；

ε=ε0εr=8.86×10-12×2.3 F/m；

rs—電纜金屬護(hù)套等值半徑,mm；

r—電纜導(dǎo)體等值半徑,mm。

f——雷電流等值頻率，500 kHz；

ρ——土壤電阻率。

設(shè)ρ=100 Ω·m，則D=12 m

根據(jù)等值電路,則電纜金屬護(hù)套不接地端沖擊過電壓為

例如：截面為300 mm2的27.5 kV電纜,U0=350 kV,Z1=22.57 Ω,Z2=18.59 Ω,Z0=250 Ω

此時需裝設(shè)護(hù)層保護(hù)器,流經(jīng)護(hù)層保護(hù)器的沖擊電流為

當(dāng)電纜首端與架空線連接處有避雷器并動作時,U0=120 kV,則UA=15.33 kV。

2.2 末端不接地,首端接地(圖3)

圖3 首端接地末端不接地時等值電路

根據(jù)等值電路,則電纜金屬護(hù)套不接地端沖擊過電壓為

當(dāng)電纜末端不接負(fù)載時,UA為零值；當(dāng)電纜末端接有大電容或末端主絕緣對地?fù)舸r,

-52.36 kV

此時需裝設(shè)護(hù)層保護(hù)器,流經(jīng)護(hù)層保護(hù)器的沖擊電流為

當(dāng)電纜與架空線連接處設(shè)有避雷器并動作時,UA=-30.65 kV。

國內(nèi)鐵路使用的27.5 kV電纜外護(hù)層沖擊絕緣水平一般在40 kV左右,考慮到反復(fù)沖擊、吸潮、溫度和外傷等因素對電纜的影響,其實際運行中絕緣水平會有所下降,因此,無論金屬護(hù)套首端或末端接地,不接地端均應(yīng)裝設(shè)護(hù)層保護(hù)器。

3 電纜護(hù)層保護(hù)器選擇

3.1 電纜護(hù)層保護(hù)器的要求

電纜護(hù)層保護(hù)器安裝在電纜金屬護(hù)層與地之間,用以限制或釋放電纜線路金屬套中的工頻過電壓和沖擊過電壓。護(hù)層保護(hù)器通常由非線性限流元件、金屬電極和硅橡膠外絕緣構(gòu)成。正常工作電壓下,護(hù)層保護(hù)器呈高阻狀態(tài),通過保護(hù)器的電流為微安級,基本處于截止?fàn)顟B(tài),將工頻感應(yīng)電壓鉗制在設(shè)計電壓范圍內(nèi)；當(dāng)護(hù)套出現(xiàn)過電壓達(dá)到保護(hù)器的起始動作電壓時,保護(hù)器的電阻值迅速下降,使過電壓電流由保護(hù)器流入大地,護(hù)套上的電壓為保護(hù)器的殘壓。過電壓消失后,電阻閥片又恢復(fù)高阻特性,保護(hù)器和電纜恢復(fù)到正常工作狀態(tài)[7]。

3.2 電纜護(hù)層保護(hù)器參數(shù)選擇

影響電纜護(hù)層保護(hù)器性能的主要參數(shù)有額定電壓、動作電壓、殘壓、標(biāo)稱放電電流和2 000 μs方波電流幅值等[8]。

電纜護(hù)層保護(hù)器額定電壓的選取直接關(guān)系到其保護(hù)特性和可靠性,額定電壓越高,其工頻電壓耐受時間特性越好,動作次數(shù)少,使用壽命長。電纜護(hù)層保護(hù)器的起始動作電壓應(yīng)低于運行中電纜外護(hù)套的工頻耐受電壓。但護(hù)層保護(hù)器的額定電壓和起始動作電壓取值偏小時,保護(hù)器會因工頻耐受能力差、動作頻繁而大幅縮短其正常使用壽命。

保護(hù)器的殘壓越低,鉗制的電位越低,對保護(hù)電纜外護(hù)套不受電壓破壞越有利。但較低的殘壓容易導(dǎo)致護(hù)層保護(hù)器工頻耐受水平較低,從而發(fā)生擊穿[9]。

對于電纜護(hù)層保護(hù)器參數(shù)選擇,國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)一般規(guī)定以下幾點[10]：

(1)保護(hù)器通過最大雷電沖擊電流的殘壓乘1.4后,應(yīng)小于電纜出廠護(hù)層沖擊絕緣水平(40 kV)。

(2)保護(hù)器在最大工頻電壓作用下能承受5 s時間而不損壞。

(3)保護(hù)器在最大沖擊電流作用20次而不損壞。

根據(jù)上述要求和計算結(jié)果,電纜護(hù)層保護(hù)器參數(shù)選擇建議如表2所示。

表2 電纜護(hù)層保護(hù)器參數(shù)

4 結(jié)論

電纜的設(shè)計結(jié)構(gòu)和參數(shù)應(yīng)按現(xiàn)場運行條件選擇,其絕緣水平應(yīng)充分考慮使用壽命期內(nèi)的材料老化、絕緣擊穿等帶來的不利影響,護(hù)層保護(hù)器的參數(shù)選擇須與電纜外護(hù)套的絕緣水平相匹配,保證其額定電壓、動作電壓、殘壓等相協(xié)調(diào),可靠保護(hù)電纜的同時也提高護(hù)層保護(hù)器的使用壽命。

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