牽引電纜金屬護層的雷擊感應電壓

馮 康，王慶峰，李相強，張健穹，陳曉豪

（1.西南交通大學 物理科學與技術學院，成都 610031；2.福建省交通科研院有限公司，福州 350101）

引言

自從2004 年《中長期鐵路網(wǎng)（2003～2020）》實施，我國在鐵路方面取得了長足的進步。國家鐵路局表示，到2020 年末，全國鐵路營業(yè)里程達到14.6萬公里，其中，復線里程達到8.8 萬公里，復線率60%；電氣化里程10.7萬公里，電氣化率73%。持續(xù)增長的鐵路里程和鐵路電氣化率也導致了鐵路用27.5kV 牽引饋電電纜的使用量大大增加。因此，保障牽引饋電電纜的正常運行對于鐵路系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有重要意義[1]。

原鐵道部相關技術部門統(tǒng)計，大部分牽引電纜故障是由于電纜外護套破損引起的。因此，雷擊感應過電壓作為造成電纜絕緣外護套破損的主要原因之一，國內(nèi)外已有很多科研院校對其進行研究。文獻[2]針對電纜金屬護層接地系統(tǒng)提出了計算模型；文獻[3]研究了電纜敷設于兩層不同土壤介質(zhì)時金屬護層上的雷擊感應電流。

1 電纜護層感應電壓的產(chǎn)生原理

1.1 牽引饋電電纜基本結構

如圖1 所示，27.5 kV 單芯電纜是電氣化鐵路的專用電纜，其主要結構包括線芯、導體屏蔽、絕緣層、絕緣屏蔽、金屬護套以及外護套[4,5]。線芯為絞合緊壓的圓形銅導體以減少電能損耗；導體屏蔽為擠包的半導電層；絕緣層為交聯(lián)聚乙烯以保護線芯；絕緣屏蔽與導體屏蔽具有一樣的結構與功能；金屬護層為軟銅線和銅帶以減少電磁干擾及保護作用；外護套為聚乙烯以保護電纜內(nèi)部。

圖1 單芯電纜基本結構

1.2 電纜護層感應電壓的理論計算

由上述的電纜具體結構可知，鐵路用27.5 kV電纜為單芯電纜。單芯電力電纜可以類比于一個單相變壓器，變壓器的一次側為電纜線芯，二次側為金屬護套。當電纜線芯有電流通過時，電纜的金屬護套上就會產(chǎn)生感應電壓。

我國的鐵路供電系統(tǒng)中最主要的供電方式是AT 供電，這也是本研究主要分析對象的工作環(huán)境。因此以AT 供電方式中的牽引電纜布局為參考對象進行金屬護層感應電壓的理論分析。在AT 供電方式中，牽引電纜采用正、負饋線并行布置的敷設方式，所以對牽引電纜進行簡化等效后，可以得出圖2所示的模型。

圖2 AT供電方式下的單芯電纜模型

在圖2 中，P 代表牽引電纜的金屬護層，可以把它近似地看成一根和牽引電纜T 和F 平行的導體。導體P 與牽引電纜T、F 之間的中心間距分別為D、αD；電纜T和F之間的中心間距為S。

若導體P為電纜T線的金屬護層，則有αD=S，D=RP＞RT。這里RT為單芯電纜的線芯導體幾何半徑。高速鐵路正常運行時，電纜T、F 的線芯電流幅值基本相等，并且相位相差180°，即IT=-IF=I。因此，電纜單位長度金屬護層的感應電壓為：

式中，μ為真空磁導率，f為線芯電流頻率。由公式1可知，電纜金屬護層上的感應電壓與線芯電流的頻率和線芯電流的幅值都成正比例關系。

雷電流波具有幅值大和頻率高的特點。結合上述理論分析，當雷電流入侵牽引饋電電纜線芯時，無論是較大的幅值還是較高的頻率，都會使金屬護層上產(chǎn)生的感應電壓增大。

2 雷擊感應電壓的仿真模型

仿真模型分為三個部分，分別為牽引供電系統(tǒng)、牽引電纜以及雷電流模型，如圖3所示。

圖3 牽引供電系統(tǒng)模型

牽引電纜模型由電纜外部模型、電纜內(nèi)部模型構成。電纜外部模型使用軟件自帶的線纜模型，并按照AT 供電方式將正、負饋線并行布置；電纜內(nèi)部模型需要設置線纜各個部分的尺寸和電氣參數(shù)。

雷電流模型選用雙指數(shù)形式模型，幅值選用最常見的20 kA，波前時間和半峰值時間按照國家標準分別設置為2.6 μs和50 μs。

3 仿真結果

雷電流模型選用為雙指數(shù)形式模型時，其函數(shù)形式為：

式中，Im為電流峰值，設置為20 kA；η為峰值電流的修正因子，設置為0.926；ɑ為波前衰減系數(shù)，設置為12 000；β為波尾衰減系數(shù)，設置為1 860 000。

仿真得出的雷電流最大幅值為20 kA，波前和波 后 時 間 近 似 于2.6 μs 和50 μs，符 合 國 家 相 關標準。

3.1 避雷器接地電阻對雷擊感應電壓的影響

實際上，牽引電纜一般是埋地敷設的，所以很難被雷電直接擊中。雷電流只有通過接觸網(wǎng)的傳導才能侵入牽引電纜的線芯。當雷電直擊牽引接觸網(wǎng)時，安裝在接觸網(wǎng)上的避雷器開始動作，一部分雷電流沿著避雷器和避雷器接地電阻流入大地；另一部分沿著接觸網(wǎng)侵入牽引電纜線芯。因此，避雷器的接地電阻對于電纜金屬護層的雷擊感應電壓是有影響的。

由仿真結果可知，電纜金屬護層的雷擊感應電壓與避雷器接地電阻正相關。當避雷器接地電阻值為6 Ω 時，對應的金屬護層雷擊感應電壓為41.9 kV，這已經(jīng)超過了牽引電纜外護套的沖擊耐受電壓，有可能導致外護層擊穿。

3.2 牽引電纜接地方式對雷擊感應電壓的影響

牽引電纜最主要的接地方式為一端直接接地，另一端通過護層保護器的方式接地。護層保護器安裝在哪一側，也會影響到電纜金屬護層的雷擊感應電壓。

4 結論

（1）避雷器接地電阻對電纜金屬護層的雷擊感應電壓影響比較明顯。當接地電阻為6 Ω，雷擊感應電壓就超過了電纜的護層套防護水平。因此，避雷器接地電阻設置為5 Ω以下最佳。

（2）牽引電纜的護層保護器安裝在牽引接觸網(wǎng)那一側比安裝在牽引供電所那一側更好，有利于延長牽引電纜的使用壽命。