電氣化鐵道27.5kV電纜護層保護器技術(shù)參數(shù)研究

沈菊

(中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院有限公司,天津 300250)

電氣化鐵道27.5kV電纜護層保護器技術(shù)參數(shù)研究

沈菊

(中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院有限公司,天津 300250)

電氣化鐵道27.5kV電纜已在國內(nèi)高速鐵路和客運專線鐵路項目中普遍應(yīng)用，金屬護套一般采用一端直接接地另一端通過電纜護層保護器接地，電纜護層保護器被大量使用。本文結(jié)合電氣化鐵路系統(tǒng)特點，分析護層保護器使用環(huán)境、工作原理和工作特性，提供護層保護器關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)選擇依據(jù)和參考，以期為護層保護器合理選型、為27.5kV電纜可靠保護提供幫助。

電氣化鐵道 27.5kV電纜護層保護器 技術(shù)參數(shù)

隨著電氣化鐵道27.5kV電纜在國內(nèi)高速鐵路和客運專線鐵路項目中普遍應(yīng)用，電纜的接地安全越來越受到重視。GB 50217-2007《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，單芯電力電纜金屬層單點直接接地，在線路未接地的終端設(shè)置金屬護層電壓限制器（即電纜護層保護器），可增強護層絕緣保護。目前，國內(nèi)既有在建或是已開通項目，所采用的電纜護層保護器產(chǎn)品，主要是電力電纜護層保護器，因缺乏統(tǒng)一參數(shù)標準，不同廠家同類產(chǎn)品參數(shù)差異大，產(chǎn)品型式不一，工程應(yīng)用時選型困難，如若選用產(chǎn)品參數(shù)與系統(tǒng)不匹配，對27.5kV電纜安全運行還會造成威脅。 因此，有必要根據(jù)我國電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)特點，結(jié)合27.5kV電纜護層保護器工作條件和適用環(huán)境，對電氣化鐵道27.5kV電纜護層保護器的選型進行深入研究。

1 27.5kV電纜護層保護器使用環(huán)境特點

電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)為工頻交流單相系統(tǒng)，牽引負荷為沖擊性負荷且波動大。當車輛駛?cè)肽骋还╇姳蹆?nèi)時，負荷電流迅速增大；駛出時，負荷電流迅速下降。如果某一供電臂內(nèi)車輛密集，還會出現(xiàn)短時或周期性的過負荷。27.5kV單芯電纜主要用于牽引所內(nèi)的牽引變壓器或自耦變壓器與27.5kV GIS開關(guān)柜間連接，以及由牽引所向接觸網(wǎng)提供電源的27.5kV饋出線。當牽引負荷較大時，為滿足載流需要，每回路27.5kV電纜采用多根并聯(lián)運行。從系統(tǒng)的角度分析，單根電纜運行和多根電纜并聯(lián)運行，所使用的電纜護層保護器主要參數(shù)選擇一致。電纜護層保護器接在電纜金屬護層接地引出線和地之間，主要安裝地點為牽引變壓器或自耦變壓器27.5kV側(cè)、27.5kV GIS開關(guān)柜內(nèi)、牽引所電纜夾層內(nèi)、鐵路線路側(cè)電纜上網(wǎng)側(cè)等。27.5kV電纜線路正常工作時，電纜護層保護器呈現(xiàn)高阻態(tài)，截斷電纜金屬護套中的工頻感應(yīng)電流和大地形成的回路，限制環(huán)形感應(yīng)電流；一旦電纜線路出現(xiàn)短路故障、有雷電過電壓侵入或是出現(xiàn)內(nèi)部過電壓，導致電纜金屬護套中出現(xiàn)很高的工頻過電壓或沖擊過電壓時，電纜護層保護器呈現(xiàn)低阻態(tài)，迅速將故障電流泄入大地，將暫態(tài)過電壓鉗制在自身殘壓范圍內(nèi)，保護電纜外護套絕緣。

2 27.5kV電纜護層保護器關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)選擇

依據(jù)GB 50217-2007《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》、DL/T 401-2002《高壓電纜選用導則》，對電纜護層保護器的參數(shù)選擇規(guī)定，結(jié)合電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)特點，對27.5kV電纜護層保護的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

2.1 額定電壓（Ur）和起始動作電壓（U1mA）

27.5kV側(cè)牽引供電系統(tǒng)在電纜至接地側(cè)發(fā)生短路時，金屬護層不接地端會產(chǎn)生較高的工頻感應(yīng)過電壓。兼顧護層保護器的工頻過電壓耐受能力和起始動作電壓，同時還應(yīng)考慮工頻感應(yīng)過電壓與電纜外護套的絕緣耐受水平的保護關(guān)系。當電纜金屬護套上感應(yīng)工頻過電壓幅值可能超出電纜外護套的絕緣水平時，電纜護層保護器應(yīng)可靠動作，結(jié)合電纜外護套絕緣水平會隨時間推移而下降的實際情況，選取電纜護層保護器的起始動作電壓應(yīng)低于電纜外護套的工頻耐受電壓。

系統(tǒng)短路時，工頻短路電流對電纜金屬護層不接地端感應(yīng)產(chǎn)生的工頻感應(yīng)電壓可按式（1）計算：

式中：Ut--電纜金屬護層不接地端感應(yīng)產(chǎn)生的工頻感應(yīng)電壓，kV；

Id--系統(tǒng)短路流過電纜導體的短路電流，kA；Zw--電纜導體和金屬護層的互感抗，Ω/m；

L--電纜線路長度，m；K--系統(tǒng)短路時，接觸網(wǎng)回路線的工頻分流系數(shù)。

護層保護器的起始動作電壓和額定電壓可按下式選擇：

2.2 持續(xù)運行電壓（Uc）

27.5kV電纜護層保護器安裝在27.5kV電纜線路的一端和地之間，電纜的另一端直接接地。參考前文所述牽引供電系統(tǒng)的運行特點，持久施加在電纜護層保護器端子間的電壓除了接地網(wǎng)的地電位外，還要疊加金屬護套感應(yīng)電壓。

式中： Imax——計算用入地短路電流，kA；Rn——接地裝置工頻的接地電阻，Ω。

If——正常滿負荷情況下電纜導體流過的電流，kV；Zw--電纜導體和金屬護層的互感抗，Ω/m。

2.3 標稱放電電流（In）和殘壓（Ures）

標稱放電電流可選用與電氣化鐵道用避雷器一致的等級，一般情況下取In=5kA即可。

表1 27.5kV電纜護層保護的主要參數(shù)

電纜護層保護器通過最大沖擊電流時的殘壓乘以1.4后，應(yīng)低于電纜外護套絕緣的沖擊耐壓值。護層保護器的殘壓越低，鉗制的電位越低，對電纜外護套不受電壓破壞越有利。目前電氣化鐵路工程采用的27.5kV電纜外護套主要有PE和PVC材料，外護套沖擊絕緣水平為15kV，正常使用壽命周期內(nèi)其絕緣水平最大允許下降30%。所以，電纜護層護器標稱放電電流下的殘壓可按不大于7.5kV選擇。

2.4 工頻耐受電壓和通流容量

電纜護層保護其采用金屬氧化物壓敏電阻作為非線性限流元件，護層保護器的工頻耐受電壓，可按金屬氧化物避雷器的工頻電壓耐受時間特性進行校核，保證護層保護器能夠在最大工頻電壓作用下承受5s時間不損壞。根據(jù)交流系統(tǒng)金屬氧化物避雷器使用導則，電纜護層保護器大電流沖擊電流值取65kA，即可滿足電纜護層保護器在最大沖擊電流累積作用20次后不得損壞。2ms方波通流容量，選用與電氣化鐵道用避雷器一致參數(shù)，取400A。綜上所述，27.5kV電纜護層保護器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)決定了護層保護器的保護特性和運營穩(wěn)定性，它與使用系統(tǒng)參數(shù)密切相關(guān)且相互制約，也反應(yīng)了只有依據(jù)受保護系統(tǒng)實際情況選擇與之匹配的護層保護器，護層保護器才能運行穩(wěn)定，保護特性才能充分發(fā)揮，也才能更可靠的為27.5kV電纜安全運行提供保證。

3 工程應(yīng)用分析

27.5kV電纜護層保護器工程中的實際使用主要為高速鐵路或客運專線項目，普速鐵路項目應(yīng)用較少，但是設(shè)備參數(shù)應(yīng)具有適應(yīng)不同項目情況，結(jié)合現(xiàn)有產(chǎn)品確定27.5kV電纜護層保護的主要參數(shù)見表1。

綜上述分析，因高速鐵路和客運專線鐵路工程，牽引供電系統(tǒng)沿線設(shè)置綜合接 地系統(tǒng)，沿線各子系統(tǒng)包括牽引所均與綜合地線相連，且接觸網(wǎng)立柱采用鋼材質(zhì)，接地網(wǎng)地電位一般在2kV以下，考慮疊加金屬護套感應(yīng)電壓，持久施加在電纜護層保護器端子間的電壓一般不超過2.3kV，由此確定的護層不保護器參數(shù)更合理。電氣化鐵路常規(guī)接地網(wǎng)地電位按3kV設(shè)計，考慮疊加金屬護套感應(yīng)電壓，持久施加在電纜護層保護器端子間的電壓最大可達3.3kV，由此確定的護層不保護器參數(shù)二適用工程范圍更廣。

4 結(jié)語

電纜護層保護器的保護特性和運營穩(wěn)定性是相互制約的，應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)實際情況、電纜線路長度、電纜外護套實際絕緣水平、護層保護使用環(huán)境條件等合理選擇護層保護器的參數(shù)，合理配置護層保護器，以可靠保護電纜、提高護層保護器的壽命。

[1]GB 50217-2007,電力工程電纜設(shè)計規(guī)范.

[2]DL/T621-1997,交流電氣裝置的接地.

[3]IEEE Std80-2000,變電站接地安全導則.

[4]DL/T 401-2002,高壓電纜選用導則.

[5]DL/T 804-2002,交流店里系統(tǒng)金屬氧化物避雷器使用導則.

[6]羅俊華,周作春,李華春,羅旻.單芯電力電纜金屬護層過電壓保護器參數(shù)設(shè)計[J].高電壓技術(shù),2008(2)355-358.