客運(yùn)專線27.5 kV單芯電纜屏蔽層接地方式的探討

傅豪情 上海鐵路局杭州供電段俞益飛 上海鐵路局供電處

2011年x月x日滬寧城際常州牽引所211、212斷路器阻抗一段跳閘重合失敗，經(jīng)重點(diǎn)設(shè)備隔離確定牽引網(wǎng)故障區(qū)段為薛家AT所上行上網(wǎng)電纜，后將該上網(wǎng)電纜退出運(yùn)行，牽引網(wǎng)恢復(fù)供電。在故障查找過程中發(fā)現(xiàn)故障由于機(jī)械外力造成電纜擊穿接地，但在接觸網(wǎng)上網(wǎng)端處發(fā)現(xiàn)單芯電纜頭雨裙襯下面抱箍對(duì)支架放電，電纜屏蔽接地銅線部分燒熔。結(jié)合滬杭客專開通以來牽引網(wǎng)也多次發(fā)生上網(wǎng)單芯電纜故障的情況，通過對(duì)單芯電纜金屬屏蔽層和鎧裝層接地方式的探討，以便掌握其對(duì)單芯電纜運(yùn)行的影響。

1 單芯電纜金屬護(hù)套過電壓產(chǎn)生的原因分析

1.1 單芯電纜金屬屏蔽層感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原理分析和計(jì)算

電力安全規(guī)程規(guī)定，電氣設(shè)備非帶電的金屬外殼都要接地，因此電纜的金屬屏蔽層都要接地。通常在35 kV及以下的電纜大多采用三芯，在正常運(yùn)行過程中，流過三個(gè)線芯的電流總和為零，在電纜金屬屏蔽層基本上沒有磁鏈，在屏蔽層兩端基本沒有感應(yīng)電壓。但單芯電力電纜的導(dǎo)體中通過交流電流時(shí)，其周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)與金屬屏蔽層交鏈，在金屬屏蔽層上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。交聯(lián)聚乙烯鎧裝銅芯電纜結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 交聯(lián)聚乙烯鎧裝銅芯電纜結(jié)構(gòu)圖

單芯電纜金屬屏蔽層上磁鏈和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小計(jì)算如下：?jiǎn)涡倦娎|的金屬屏蔽層可以看作同心地套在線芯周圍，線芯回路產(chǎn)生的一部分磁通不僅與線芯回路相鏈，同時(shí)也與屏蔽層相鏈，這部分磁通使屏蔽層具有電感，在它上面產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。其相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Us計(jì)算公式如下：

以交聯(lián)聚乙烯鎧裝銅芯300 mm2電纜為計(jì)算對(duì)象，最大實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷電纜Is取1 000 A,電纜外徑D取55 mm，T、F線間距S取200 mm，計(jì)算結(jié)果每100 m長(zhǎng)單芯電纜在屏蔽層上最大感應(yīng)電壓為12.5 V.

電纜排列圖見圖2。

圖2 電纜排列圖

結(jié)論：?jiǎn)涡倦娎|金屬屏蔽層上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與導(dǎo)體中的電流大小、電纜排列和電纜長(zhǎng)度有關(guān)。在電纜長(zhǎng)度超過400 m時(shí)，感應(yīng)電壓可能超過安全值50 V，需要采取措施將其進(jìn)行限制以確保人身安全。

2 單芯電纜金屬屏蔽層不接地端過電壓產(chǎn)生

2.1 過電壓產(chǎn)生的原理

當(dāng)外部有沖擊電壓波沿電纜進(jìn)入，若電纜屏蔽層首端直接接地，沖擊電壓U必然全部作用在線芯與金屬屏蔽層之間。沖擊電壓波沿電纜線芯流動(dòng)時(shí)，使電纜線芯和金屬屏蔽層隨之流過電流i，電流方向相反而大小相等，在金屬屏蔽層外面就沒有磁力線作用，因此不會(huì)出現(xiàn)電纜護(hù)層過電壓。但當(dāng)電纜末端線芯出現(xiàn)接地故障時(shí)，沖擊電壓波到達(dá)末端后會(huì)在金屬屏蔽層會(huì)出現(xiàn)很高的感應(yīng)電壓。上述過電壓可能擊穿電纜外護(hù)層絕緣，造成電纜金屬護(hù)層多點(diǎn)接地故障，嚴(yán)重影響電力電纜正常運(yùn)行甚至大幅減少電纜使用壽命。

沖擊波通過電纜示意圖如圖3所示。

圖3 沖擊波通過電纜示意圖

2.2 限制過電壓的辦法

顯然，為了限制這一過電壓，要讓金屬屏蔽層在沖擊電壓波下接地，給沖擊電流以通路，可在電纜金屬屏蔽層和大地間接一過電壓保護(hù)器。該保護(hù)器在正常工作條件下呈現(xiàn)很大的電阻，以保證電纜護(hù)層在單點(diǎn)接地狀態(tài)下工作。當(dāng)雷電波和過電壓波進(jìn)入電纜線芯，不接地端的的護(hù)層出現(xiàn)較高電壓時(shí)，保護(hù)器卻呈現(xiàn)較小的電阻，使電流較容易經(jīng)保護(hù)器泄入大地，此時(shí)保護(hù)器不應(yīng)損壞。當(dāng)然還要求保護(hù)器的殘壓應(yīng)小于電纜護(hù)層沖擊絕緣水平，從而起到保護(hù)作用。金屬屏蔽層上電壓等于保護(hù)器的殘壓。

2.3 保護(hù)器選用安裝的注意事項(xiàng)

（1）在選用和安裝電纜護(hù)層保護(hù)器時(shí)，其上端引線至電纜金屬護(hù)層處要作全絕緣處理，不可掛靠或搭接鐵件，防止引線對(duì)地放電。

（2）對(duì)于單側(cè)接地的單芯電纜線路，外護(hù)套不能破損，否則破損處會(huì)對(duì)地放電，造成電纜損壞。

（3）電纜護(hù)層保護(hù)器是用來保護(hù)電纜外護(hù)套的，所以其技術(shù)參數(shù)要與電纜外護(hù)套的技術(shù)參數(shù)匹配，在絕緣配合上進(jìn)行考慮。根據(jù)電纜設(shè)計(jì)要求，典型的中壓電纜聚氯乙烯護(hù)套一般應(yīng)能通過工頻電纜10 kV，1 min，及沖擊試驗(yàn)電壓50 kV、正負(fù)10次不擊穿。

（4）對(duì)于鎧裝電纜，鋼鎧和銅屏蔽要同時(shí)直接接地，或同時(shí)接護(hù)層保護(hù)器；對(duì)于多根單芯電纜要分別接不同護(hù)層保護(hù)器。

（5）對(duì)于單芯電纜，金屬護(hù)層至少有一側(cè)要可靠接地，不能在兩端的金屬護(hù)層上同時(shí)接護(hù)層保護(hù)器。

3 單芯電纜金屬屏蔽層環(huán)流的分析

3.1 單芯電纜金屬屏蔽層環(huán)流產(chǎn)生的原因

單芯電纜金屬屏蔽層在單端接地時(shí)，如果電纜外護(hù)套絕緣沒有損壞、接地情況時(shí)，金屬屏蔽層不構(gòu)成回路，屏蔽層環(huán)流為零。當(dāng)電纜金屬屏蔽層兩端直接接地或不直接接地系統(tǒng)意外接地后，造成電纜金屬屏蔽層環(huán)流大，其值計(jì)算如下（暫不考慮相鄰電纜的互感影響）：

以電纜長(zhǎng)度按100 m，屏蔽層兩端接地電阻Rd1、Rd2（Rd1實(shí)際接地電阻非常小，暫按0.5 Ω計(jì)算；意外接地端接地電阻變化大，暫按4 Ω計(jì)算），感應(yīng)電壓Us，由于屏蔽層導(dǎo)體電阻R與兩接地電阻Rd1、Rd2相比非常小，可忽略不計(jì)，則有，

環(huán)流分析示意圖見圖5。

圖5 環(huán)流分析示意圖

結(jié)論：?jiǎn)涡倦娎|金屬屏蔽層單端接地方式，在金屬屏蔽層意外接地后形成環(huán)流的大小與電纜長(zhǎng)度成正比，與接地電阻的大小成反比，所以應(yīng)避免直接接地。

3.2 單芯電纜金屬屏蔽層環(huán)流的危害

單芯電纜金屬護(hù)層環(huán)流出現(xiàn)異常時(shí)，它會(huì)造成電纜損耗發(fā)熱，影響電纜線路的載流量，導(dǎo)致電纜絕緣局部高溫，加速絕緣老化，降低電纜使用壽命，對(duì)電纜線路安全運(yùn)行造成很大威脅。目前國(guó)內(nèi)尚未制定單芯電纜金屬屏蔽層環(huán)流是否正常的定量判斷標(biāo)準(zhǔn)，查閱地方供電公司一般規(guī)定金屬屏蔽層環(huán)流不超過負(fù)荷電流的5%或10 A，超過規(guī)定時(shí)必須采取措施加以保護(hù)。薛家AT所單芯電纜頭雨裙襯下面抱箍把接地編織線壓在支架上，造成金屬屏蔽層意外接地，長(zhǎng)時(shí)間環(huán)流將支架角鋼局部燒熔。

3.3 單芯電纜金屬屏蔽層環(huán)流采取的對(duì)策

（1）電纜線路施工過程中，加強(qiáng)監(jiān)管，嚴(yán)格按照施工工藝要求操作，保證施工質(zhì)量。

（2）加強(qiáng)電纜線路巡視，嚴(yán)格鋪設(shè)固定要求，對(duì)于可能存在割傷電纜的隱患，及時(shí)處置。特別對(duì)于電纜金屬護(hù)層經(jīng)保護(hù)器接地的回路進(jìn)行重點(diǎn)巡查，防止由于連接片或接地編織線安裝疏忽造成意外接地，致使系統(tǒng)的接地方式由單端接地變成了兩端直接接地。

（3）對(duì)于部分電纜外護(hù)層老化、絕緣水平降低的情況，應(yīng)盡快納入計(jì)劃進(jìn)行整治。

（4）線路投運(yùn)后，要分別記錄電纜線路在空載運(yùn)行和帶負(fù)荷運(yùn)行兩種情況下的環(huán)流值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)組織查找原因并處置。定期進(jìn)行線路外護(hù)層試驗(yàn)，有條件時(shí)可加裝高壓電纜在線監(jiān)測(cè)裝置，動(dòng)態(tài)監(jiān)控高壓電纜的參數(shù)，以便對(duì)存有隱患的電纜及早進(jìn)行處置。

4 牽引網(wǎng)單芯電纜金屬屏蔽層接地保護(hù)方式的選擇

常見牽引網(wǎng)單芯電纜局勢(shì)屏蔽層接地保護(hù)方式有以下四種：

（1）屏蔽層一端直接接地，另一端懸空，僅適用于極短電纜（一般小于50 m）和小負(fù)載電纜線路，且不常用。

（2）屏蔽層一端接地，另一端通過保護(hù)器保護(hù)接地，適用于中等長(zhǎng)度的電纜。

（3）電纜中間點(diǎn)屏蔽層接地，兩端通過保護(hù)器保護(hù)接地，適用于較長(zhǎng)的電纜。

（4）屏蔽層交叉互聯(lián)后接地—適用于長(zhǎng)電纜。

5 結(jié)束語

客運(yùn)專線27.5 kV單芯電纜一般用在所亭上網(wǎng)處，特點(diǎn)是長(zhǎng)度較短（幾十米至二三百米間），但短時(shí)負(fù)荷電流較大?？紤]鐵路牽引供電負(fù)荷特點(diǎn)，對(duì)小于50 m的單芯電纜宜采用屏蔽層一端直接接地，另一端懸空的方式；超過50 m的中等長(zhǎng)度電纜宜采用一端直接接地，另一端經(jīng)保護(hù)器接地。對(duì)特殊情況下較長(zhǎng)電纜需根據(jù)實(shí)際情況采用針對(duì)性的接地方式。當(dāng)然，隨著牽引網(wǎng)單芯電纜使用的不斷增多，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)尚需不斷積累，在建設(shè)過程中及早參與電纜敷設(shè)安裝、電纜頭工藝標(biāo)準(zhǔn)、屏蔽層接地方式選用以及對(duì)運(yùn)行電纜的定期檢查、在線檢測(cè)、定期試驗(yàn)等等，及早發(fā)現(xiàn)電纜存在的安全隱患，以確保電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。