客運專線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，經重點設備隔離確定牽引網故障區段為薛家AT所上行上網電纜，后將該上網電纜退出運行，牽引網恢復供電。在故障查找過程中發現故障由于機械外力造成電纜擊穿接地，但在接觸網上網端處發現單芯電纜頭雨裙襯下面抱箍對支架放電，電纜屏蔽接地銅線部分燒熔。結合滬杭客專開通以來牽引網也多次發生上網單芯電纜故障的情況，通過對單芯電纜金屬屏蔽層和鎧裝層接地方式的探討，以便掌握其對單芯電纜運行的影響。

1 單芯電纜金屬護套過電壓產生的原因分析

1.1 單芯電纜金屬屏蔽層感應電動勢的原理分析和計算

電力安全規程規定，電氣設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，在正常運行過程中，流過三個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電壓。但單芯電力電纜的導體中通過交流電流時，其周圍產生的磁場會與金屬屏蔽層交鏈，在金屬屏蔽層上會產生感應電動勢。交聯聚乙烯鎧裝銅芯電纜結構見圖1。

圖1 交聯聚乙烯鎧裝銅芯電纜結構圖

單芯電纜金屬屏蔽層上磁鏈和感應電動勢大小計算如下：單芯電纜的金屬屏蔽層可以看作同心地套在線芯周圍，線芯回路產生的一部分磁通不僅與線芯回路相鏈，同時也與屏蔽層相鏈，這部分磁通使屏蔽層具有電感，在它上面產生感應電動勢。其相感應電動勢Us計算公式如下：

以交聯聚乙烯鎧裝銅芯300 mm2電纜為計算對象，最大實際運行負荷電纜Is取1 000 A,電纜外徑D取55 mm，T、F線間距S取200 mm，計算結果每100 m長單芯電纜在屏蔽層上最大感應電壓為12.5 V.

電纜排列圖見圖2。

圖2 電纜排列圖

結論：單芯電纜金屬屏蔽層上感應電動勢的大小與導體中的電流大小、電纜排列和電纜長度有關。在電纜長度超過400 m時，感應電壓可能超過安全值50 V，需要采取措施將其進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生

2.1 過電壓產生的原理

當外部有沖擊電壓波沿電纜進入，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時，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，因此不會出現電纜護層過電壓。但當電纜末端線芯出現接地故障時，沖擊電壓波到達末端后會在金屬屏蔽層會出現很高的感應電壓。上述過電壓可能擊穿電纜外護層絕緣，造成電纜金屬護層多點接地故障，嚴重影響電力電纜正常運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器。該保護器在正常工作條件下呈現很大的電阻，以保證電纜護層在單點接地狀態下工作。當雷電波和過電壓波進入電纜線芯，不接地端的的護層出現較高電壓時，保護器卻呈現較小的電阻，使電流較容易經保護器泄入大地，此時保護器不應損壞。當然還要求保護器的殘壓應小于電纜護層沖擊絕緣水平，從而起到保護作用。金屬屏蔽層上電壓等于保護器的殘壓。

2.3 保護器選用安裝的注意事項

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

（2）對于單側接地的單芯電纜線路，外護套不能破損，否則破損處會對地放電，造成電纜損壞。

（3）電纜護層保護器是用來保護電纜外護套的，所以其技術參數要與電纜外護套的技術參數匹配，在絕緣配合上進行考慮。根據電纜設計要求，典型的中壓電纜聚氯乙烯護套一般應能通過工頻電纜10 kV，1 min，及沖擊試驗電壓50 kV、正負10次不擊穿。

（4）對于鎧裝電纜，鋼鎧和銅屏蔽要同時直接接地，或同時接護層保護器；對于多根單芯電纜要分別接不同護層保護器。

（5）對于單芯電纜，金屬護層至少有一側要可靠接地，不能在兩端的金屬護層上同時接護層保護器。

3 單芯電纜金屬屏蔽層環流的分析

3.1 單芯電纜金屬屏蔽層環流產生的原因

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

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

環流分析示意圖見圖5。

圖5 環流分析示意圖

結論：單芯電纜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流的大小與電纜長度成正比，與接地電阻的大小成反比，所以應避免直接接地。

3.2 單芯電纜金屬屏蔽層環流的危害

單芯電纜金屬護層環流出現異常時，它會造成電纜損耗發熱，影響電纜線路的載流量，導致電纜絕緣局部高溫，加速絕緣老化，降低電纜使用壽命，對電纜線路安全運行造成很大威脅。目前國內尚未制定單芯電纜金屬屏蔽層環流是否正常的定量判斷標準，查閱地方供電公司一般規定金屬屏蔽層環流不超過負荷電流的5%或10 A，超過規定時必須采取措施加以保護。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，長時間環流將支架角鋼局部燒熔。

3.3 單芯電纜金屬屏蔽層環流采取的對策

（1）電纜線路施工過程中，加強監管，嚴格按照施工工藝要求操作，保證施工質量。

（2）加強電纜線路巡視，嚴格鋪設固定要求，對于可能存在割傷電纜的隱患，及時處置。特別對于電纜金屬護層經保護器接地的回路進行重點巡查，防止由于連接片或接地編織線安裝疏忽造成意外接地，致使系統的接地方式由單端接地變成了兩端直接接地。

（3）對于部分電纜外護層老化、絕緣水平降低的情況，應盡快納入計劃進行整治。

（4）線路投運后，要分別記錄電纜線路在空載運行和帶負荷運行兩種情況下的環流值進行比較，發現異常及時組織查找原因并處置。定期進行線路外護層試驗，有條件時可加裝高壓電纜在線監測裝置，動態監控高壓電纜的參數，以便對存有隱患的電纜及早進行處置。

4 牽引網單芯電纜金屬屏蔽層接地保護方式的選擇

常見牽引網單芯電纜局勢屏蔽層接地保護方式有以下四種：

（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）和小負載電纜線路，且不常用。

（2）屏蔽層一端接地，另一端通過保護器保護接地，適用于中等長度的電纜。

（3）電纜中間點屏蔽層接地，兩端通過保護器保護接地，適用于較長的電纜。

（4）屏蔽層交叉互聯后接地—適用于長電纜。

5 結束語

客運專線27.5 kV單芯電纜一般用在所亭上網處，特點是長度較短（幾十米至二三百米間），但短時負荷電流較大。考慮鐵路牽引供電負荷特點，對小于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的中等長度電纜宜采用一端直接接地，另一端經保護器接地。對特殊情況下較長電纜需根據實際情況采用針對性的接地方式。當然，隨著牽引網單芯電纜使用的不斷增多，運行經驗尚需不斷積累，在建設過程中及早參與電纜敷設安裝、電纜頭工藝標準、屏蔽層接地方式選用以及對運行電纜的定期檢查、在線檢測、定期試驗等等，及早發現電纜存在的安全隱患，以確保電氣化鐵路牽引供電系統安全穩定運行。