電氣化鐵路鋪設(shè)電力電纜金屬護層與鋼鎧接地問題的討論

劉強　卓建洪　張擁周

摘 要：當(dāng)沿電氣化鐵路鋪設(shè)的電力電纜的護層和鋼鎧兩端都接地時，其護層和鋼鎧中有牽引電流通過，使鋼鎧和護層發(fā)熱，造成電力電纜損壞。該文分析了電力電纜的護層和鋼鎧中產(chǎn)生電流的原理，提出了沿電氣化鐵路鋪設(shè)電力電纜時，護層和鋼鎧須采取保護接地的防護措施，為電力電纜的安全運行提供幫助，為有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考意見。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路 電力電纜 護層和鋼鎧 發(fā)熱 接地

中圖分類號：U2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（a）-0093-04

我國的電氣化鐵路通車?yán)锍桃堰_(dá)到20000 km，正以每年約4000 km的速度快速發(fā)展，并以圖1所示的工頻單相50 Hz、27.5 kV的供電方式為主。在電氣化鐵路沿線鋪設(shè)的電力電纜，當(dāng)距電氣化鐵路較近和平行于電氣化鐵路較長時，電力電纜的中間端子盒和電纜頭處，經(jīng)常出現(xiàn)絕緣損壞的事故。針對這一問題，該文進行了分析，找出了事故原因并提出了應(yīng)該采取的技術(shù)措施，旨在為電力電纜的安全運行提供幫助，為有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考意見。

1 鐵路沿線鋪設(shè)電力電纜的現(xiàn)狀

沿電氣化鐵路鋪設(shè)電力電纜時，根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50168-92《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規(guī)范》的第5.1.21條規(guī)定：沿電氣化鐵路或有電氣化鐵路通過的橋梁上明敷電纜的金屬護層或金屬管道，應(yīng)沿其全長與金屬支架或橋梁的金屬構(gòu)件絕緣。第6.2.11條規(guī)定：三芯電力電纜終端處的金屬護層必須接地良好；塑料電纜每相銅屏蔽層和鋼鎧應(yīng)錫焊接地線。

我國高鐵（城際）鐵路大多使用的交聯(lián)聚乙烯鎧裝三芯電纜與單芯電纜。通常三芯電纜都采用兩端直接接地方式，這是因為這些電纜大多數(shù)是在正常運行中，流過三個線芯的電流總和為零，在鋁包或金屬屏蔽層外基本上沒有磁鏈，這樣，在鋁包或金屬屏蔽層兩端就基本上沒有感應(yīng)電壓，所以兩端接地后不會有感應(yīng)電流流過鋁包或金屬屏蔽層。而單芯電纜的線芯與金屬屏蔽的關(guān)系，可看作一個變壓器的初級繞組，當(dāng)單芯電力電纜的導(dǎo)體中通過交流電流時，其周圍產(chǎn)生的磁場會與金屬護套交鏈，在金屬護套上會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。其感應(yīng)電動勢的大小與導(dǎo)體中的電流大小、電纜的排列和電纜長度有關(guān)。當(dāng)電纜長度與工作電流較大的情況下，感應(yīng)電壓可能達(dá)到很大的數(shù)值。電纜以緊貼三角形布置時，感應(yīng)電壓最小。當(dāng)電纜相間距離增加，相對位置改變時，感應(yīng)電壓都會相應(yīng)地改變。另外，多回電纜同路徑敷設(shè)，也會對感應(yīng)電壓產(chǎn)生影響。

圖1中牽引變電所的牽引電流I1沿接觸網(wǎng)送給電力機車，然后經(jīng)鋼軌和大地流回牽引變電所，因此在大地中有很大的牽引電流。目前，沿電氣化鐵路鋪設(shè)電力電纜時，都按照國家標(biāo)準(zhǔn)將護層和鋼鎧對地絕緣，同時又在電力電纜的兩個終端處將護層和鋼鎧兩端都接地（圖1），使?fàn)恳鼗亓饕徊糠萁?jīng)電纜護層及鋼鎧和兩端接地點組成回路（圖1中的I3），引起護層與鋼鎧發(fā)熱；在護層和鋼鎧與接地引線聯(lián)接的過渡處，還容易造成接觸不良、發(fā)熱嚴(yán)重。同時電力電纜的接頭在電纜井內(nèi)，電纜頭又在空氣中，工作環(huán)境和散熱條件都比埋在地下的電纜差。這就是造成沿電氣化鐵路鋪設(shè)電力電纜的電纜接頭和電纜頭處絕緣損壞機率很高的主要原因。例如廣州鐵路局的長沙和廣州供電段，在電氣化鐵路牽引變電所的饋線供電線上，多次發(fā)生電纜中間頭及上網(wǎng)電纜頭炸裂的事故。現(xiàn)在這兩個供電段采取了將這些電纜僅保留牽引變電所側(cè)的電纜護層和鋼鎧的接地，把另一端的接地點開路的措施。

2 電纜護層與鋼鎧中的感應(yīng)電勢及電流

如圖1所示，由于電纜都埋在距離地面1m深左右或安裝在電纜托架上，電纜護層與鋼鎧中主要為電磁感應(yīng)電勢，接觸網(wǎng)27.5 kV對電纜護層與鋼鎧的靜電感應(yīng)電勢可以忽略不計。設(shè)Z13、Z23分別為接觸網(wǎng)和鋼軌與電纜鋼鎧的互感抗，L為電纜與電氣化鐵路平行的長度（單位為km），其電纜護層和鋼鎧的電磁感應(yīng)電勢為：

（1）△U=（Z13I1-Z23I2）L

因為牽引電流的頻率為50Hz，所以式中：

（2）Z13=0.05+j0.145lg（Dg/d13）Ω/km

（3）Z23=0.05+j0.145lg（Dg/d23） Ω/km

（4）I2=I1Z12/Z2

式中：Dg—等效地回線入地深度； d13、d23—分別為接觸網(wǎng)和鋼軌與電纜的距離；

Z12—接觸網(wǎng)與鋼軌的互感（Ω/km）；Z2—鋼軌的自阻抗（Ω/km）。

電纜護層和鋼鎧中的電流I3為：

（5）I3=△U/（Z3+R01+R02）

式中：Z3—電纜鋼鎧的自阻抗；R01、R02分別為護層及鋼鎧兩端的接地電阻。

目前，電氣化鐵路接觸網(wǎng)的供電方式中，以直接供電和架空回流線供電方式為主；在重載牽引區(qū)段，采用自耦變壓器的AT供電方式；城市郊區(qū)對通信干擾大的區(qū)段，采用吸流變壓器的BT供電方式。

2.1 牽引網(wǎng)直接供電方式時，電纜護層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢

圖2為電氣化鐵路牽引網(wǎng)直接供電方式示意圖，圖中所標(biāo)尺寸以米為單位，接觸網(wǎng)的承力索，接觸網(wǎng)的接觸導(dǎo)線，鋼軌，電力電纜。

當(dāng)電氣化鐵路為單線時，無C2、J2、g3、g4，d13、d23為：

（6）d13=（Ldc1Ldj1）1/2 d23=（Ldg1Ldg2）1/2

當(dāng)電氣化鐵路為復(fù)線時，d13、d23為：

（7）d13=（Ldc1Ldj1 Ldc2Ldj2）1/4

d23=（Ldg1Ldg2 Ldg3Ldg4）1/4

式中：Ldc1、Ldc2—電力電纜至接觸網(wǎng)承力索1、2的距離；Ldj1、Ldj2—電力電纜至接觸網(wǎng)接觸線1、2的距離；Ldg1～Ldg4—電力電纜至鋼軌1～4的距離。當(dāng)電力電纜距離鐵路較遠(yuǎn)時，d13和d23可以近似取電力電纜至兩鋼軌中心的距離。endprint

當(dāng)?shù)刃У鼗鼐€入地深度為930 m時，根據(jù)文獻[2]計算，單線電氣化鐵路的參數(shù)為：

（8）Z12=0.05+j0.319Ω/km

（9）Z2=0.198+j0.560Ω/km

（10）所以

I2=I1×0.543 6∠10.6°

（11）復(fù)線電氣化鐵路的參數(shù)為：

Z12=0.05+j0.3068 Ω/km

（12）Z2=0. 124+j0.445Ω/km

（13）所以

I2=I1×0.6729∠6.3°

2.2 牽引網(wǎng)具有架空回流線時，電纜護層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢

圖3是電氣化鐵路具有架空回流線區(qū)段的接觸網(wǎng)布置示意圖，圖中O和O`是架空回流線。架空回流線與鋼軌并聯(lián)，電流方向與鋼軌中電流相同。在架空回流線區(qū)段，電纜護層和鋼鎧的感應(yīng)電勢計算方法與（1）式中的直接供電方式相同，只是Z23、Z12、Z2略有不同。

Z23的計算公式與（3）式相同，當(dāng)電氣化鐵路為單線時，d23只考慮C1、J1、g1、g2和架空回流線O。

（14）d23=（Ldg1Ldg2LdO）1/3

復(fù)線電氣化鐵路的d23為：

（15）d23=（Ldg1Ldg2Ldg3Ldg4LdOLdO`）1/6

式中：LdO、LdO`—電力電纜至接觸網(wǎng)架空回流線O、O`的距離。

同樣，當(dāng)?shù)刃У鼗鼐€入地深度為930 m時，根據(jù)文獻[2]中數(shù)據(jù)計算，單線電氣化鐵路的參數(shù)為：

（16）Z12=0.05+j0.3256 Ω/km

（17）Z2=0.126+j0.4507 Ω/km

（18）所以I2=I1×0.7039∠6.9°

（19）復(fù)線電氣化鐵路的參數(shù)為：

Z12=0.05+j0.3116 Ω/km

（20）Z2=0.097+j0.344 Ω/km

（21）所以I2=I1×0.883∠3.9°

2.3 牽引網(wǎng)采用其它供電方式時，電纜護層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢

采用自耦變壓器的AT供電方式和吸流變壓器的BT供電方式時，當(dāng)電力機車運行在兩個AT（BT）之間時具有半段效應(yīng)，這時機車的牽引電流才對電纜護層和鋼鎧具有電磁感應(yīng)電勢。半段效應(yīng)的距離AT區(qū)段為3～5 km，BT區(qū)段1～2 km。由于半段效應(yīng)不管電力電纜有多長，都只有一臺機車運行在兩個AT（BT）之間時才有電磁感應(yīng)電勢，因此電力電纜護層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢和電流都很小。

分別將I2代入（1）式得沿電氣化鐵道鋪設(shè)的電力電纜護層與鋼鎧的電磁感應(yīng)電勢和電流如表1。

3 計算實例

以單線電氣化鐵路直接供方式為例，設(shè)電力電纜鋼鎧的直經(jīng)為60 mm，兩層鋼鎧的厚度為1.3 mm，參照鋼絞線電阻系數(shù)0.14，在不考慮鋼鎧的內(nèi)阻抗和護層直流電阻時，電纜鋼鎧的自阻抗為：

（22）Z3=0.5833+j0.145lg（930/0.03）

=0.05833+j0.6512Ω/km

電纜護層和鋼鎧中電流：

（23）I3=△U/（0.5833+R01+R02+j0.6512）

接觸網(wǎng)發(fā)生短路時，牽引變電所在短路后0.1～0.5 s才能跳閘切除故障電流，以接觸網(wǎng)平均短路電流1000 A計算電纜在與鐵路不同距離時，每km電纜鋼鎧的感應(yīng)電勢。計算結(jié)果如（表2）。

如果電纜護層和鋼鎧的兩端接地電阻均為5 Ω，牽引網(wǎng)短路電流為1000 A時，不同距離下護層和鋼鎧中的電磁感應(yīng)電勢和電流如表3所示。

4 防止?fàn)恳鼗亓髁鹘?jīng)電力電纜護層和鋼鎧的措施

當(dāng)電纜導(dǎo)體中有電流通過時，在與導(dǎo)體平行的金屬護套中必然產(chǎn)生縱向感應(yīng)電動勢。如果把兩端金屬護套直接接地，護套中的感應(yīng)電壓將產(chǎn)生以大地為回路的循環(huán)電流。護套中有電流通過，增加了電能損耗，同時減小了電纜的輸送容量。為了解決這個問題，可采取單點互聯(lián)，僅一端接地，另一端對地絕緣，護套中就沒有電流通過。但是，感應(yīng)電壓與電纜長度成正比，當(dāng)電纜線路較長時，過高的護套感應(yīng)電壓可能會危及人身安全，并可能導(dǎo)致設(shè)備事故，因此，電纜運行規(guī)程規(guī)定，單芯電纜金屬護套感應(yīng)電壓不得超過50 V。對于較長的電纜線路，應(yīng)用絕緣接頭將金屬護套分隔成多段，使每段的感應(yīng)電壓限制在小于50 V的安全范圍以內(nèi)。通常將三段長度相等或基本相等的電纜組成一個換位段，其中有兩套絕緣接頭，每套絕緣接頭的絕緣隔板兩側(cè)不同相的金屬護套用交叉跨越法相互連接。為了減少電纜線路的損耗，提高電纜的輸送容量，高壓單芯電纜的金屬護套，一般均采取交叉互聯(lián)或單點互聯(lián)方式。

由表2可以看出，當(dāng)電力電纜離鐵路很近（遂道內(nèi)和橋梁上），電力電纜與鐵路平行的距離較長時，電力電纜護層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢和地回流都很大。隨著牽引負(fù)荷的不斷增大，電氣化鐵路重負(fù)荷區(qū)段一個供電臂的最大牽引負(fù)荷電流可達(dá)800～ 1000A，供電臂首端的短路電流在3000～ 5000A之間。因此當(dāng)電力電纜鋪設(shè)在牽引供電臂的首端時，1 km電纜護層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢和電流是表2的3～5倍。電纜護層和鋼鎧中長期通過電流時會造成護層和鋼鎧發(fā)熱，導(dǎo)致電纜絕緣損壞。

為了防止?fàn)恳鼗亓鹘?jīng)過電纜護層和鋼鎧，因此在沿電氣化鐵路鋪設(shè)的電力電纜，電纜頭的護層和鋼鎧就不能在電纜的兩端同時接地。最好在電纜的電源側(cè)接地，另一側(cè)采用Y1.5W-0.5/2.6型低壓氧化鋅避雷器進行保護接地（圖4）。該避雷器的持續(xù)運行電壓為420 V，U1mA電壓為1 200 V。

當(dāng)電力電纜中，牽引重負(fù)荷電流造成的感應(yīng)電壓高于420 V，或接觸網(wǎng)的短路電流產(chǎn)生的感應(yīng)電壓高于1200 V時，可以采用兩只避雷器串聯(lián)進行電纜護層和鋼鎧的保護接地。在與電氣化鐵路平行很長，又離電氣化鐵路很近的電力電纜，當(dāng)感應(yīng)電壓影響到電力電纜絕緣的安全運行時，可以采用在電力電纜的中間接頭端處進行電纜護層和鋼鎧的直接接地，電纜兩端進行保護接地，如圖5所示。

5 結(jié)語

（1）沿電氣化鐵路鋪設(shè)的電力電纜，電纜的護層和鋼鎧只能一端接地，另一端應(yīng)采用低壓氧化鋅避雷器進行保護接地；當(dāng)電力電纜過長，護層和鋼鎧中的電磁感應(yīng)電勢過高，影響到電纜的安全運行時，可以在電力電纜的中間接頭端子處進行電纜護層和鋼鎧接地，電力電纜兩端的端子頭處應(yīng)進行保護接地。

（2）在電氣化鐵路為AT和BT供電區(qū)段，沿電氣化鐵路鋪設(shè)的電力電纜，電纜的護層和鋼鎧可以一端接地，另一端采用一只低壓220 V或380 V的氧化鋅避雷器進行保護接地。

（3）建議中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50168-92《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規(guī)范》的第5.1.21條中增加：電力電纜的護層和鋼鎧沿電氣化鐵路鋪設(shè)時的保護接地內(nèi)容。

參考文獻

[1] 曹建猷.電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，1987.

[2] 衛(wèi)明博.鐵路牽引供電對信號系統(tǒng)電磁干擾抑制的施工工藝研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2010（6）.

[3] 高建平，尚鐵宇.電力電纜故障離線定位方法的經(jīng)驗分析[J].內(nèi)蒙古石油化工，2010（1）.endprint

當(dāng)?shù)刃У鼗鼐€入地深度為930 m時，根據(jù)文獻[2]計算，單線電氣化鐵路的參數(shù)為：

（8）Z12=0.05+j0.319Ω/km

（9）Z2=0.198+j0.560Ω/km

（10）所以

I2=I1×0.543 6∠10.6°

（11）復(fù)線電氣化鐵路的參數(shù)為：

Z12=0.05+j0.3068 Ω/km

（12）Z2=0. 124+j0.445Ω/km

（13）所以

I2=I1×0.6729∠6.3°

2.2 牽引網(wǎng)具有架空回流線時，電纜護層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢

圖3是電氣化鐵路具有架空回流線區(qū)段的接觸網(wǎng)布置示意圖，圖中O和O`是架空回流線。架空回流線與鋼軌并聯(lián)，電流方向與鋼軌中電流相同。在架空回流線區(qū)段，電纜護層和鋼鎧的感應(yīng)電勢計算方法與（1）式中的直接供電方式相同，只是Z23、Z12、Z2略有不同。

Z23的計算公式與（3）式相同，當(dāng)電氣化鐵路為單線時，d23只考慮C1、J1、g1、g2和架空回流線O。

（14）d23=（Ldg1Ldg2LdO）1/3

復(fù)線電氣化鐵路的d23為：

（15）d23=（Ldg1Ldg2Ldg3Ldg4LdOLdO`）1/6

式中：LdO、LdO`—電力電纜至接觸網(wǎng)架空回流線O、O`的距離。

同樣，當(dāng)?shù)刃У鼗鼐€入地深度為930 m時，根據(jù)文獻[2]中數(shù)據(jù)計算，單線電氣化鐵路的參數(shù)為：

（16）Z12=0.05+j0.3256 Ω/km

（17）Z2=0.126+j0.4507 Ω/km

（18）所以I2=I1×0.7039∠6.9°

（19）復(fù)線電氣化鐵路的參數(shù)為：

Z12=0.05+j0.3116 Ω/km

（20）Z2=0.097+j0.344 Ω/km

（21）所以I2=I1×0.883∠3.9°

2.3 牽引網(wǎng)采用其它供電方式時，電纜護層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢

采用自耦變壓器的AT供電方式和吸流變壓器的BT供電方式時，當(dāng)電力機車運行在兩個AT（BT）之間時具有半段效應(yīng)，這時機車的牽引電流才對電纜護層和鋼鎧具有電磁感應(yīng)電勢。半段效應(yīng)的距離AT區(qū)段為3～5 km，BT區(qū)段1～2 km。由于半段效應(yīng)不管電力電纜有多長，都只有一臺機車運行在兩個AT（BT）之間時才有電磁感應(yīng)電勢，因此電力電纜護層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢和電流都很小。

分別將I2代入（1）式得沿電氣化鐵道鋪設(shè)的電力電纜護層與鋼鎧的電磁感應(yīng)電勢和電流如表1。

3 計算實例

以單線電氣化鐵路直接供方式為例，設(shè)電力電纜鋼鎧的直經(jīng)為60 mm，兩層鋼鎧的厚度為1.3 mm，參照鋼絞線電阻系數(shù)0.14，在不考慮鋼鎧的內(nèi)阻抗和護層直流電阻時，電纜鋼鎧的自阻抗為：

（22）Z3=0.5833+j0.145lg（930/0.03）

=0.05833+j0.6512Ω/km

電纜護層和鋼鎧中電流：

（23）I3=△U/（0.5833+R01+R02+j0.6512）

接觸網(wǎng)發(fā)生短路時，牽引變電所在短路后0.1～0.5 s才能跳閘切除故障電流，以接觸網(wǎng)平均短路電流1000 A計算電纜在與鐵路不同距離時，每km電纜鋼鎧的感應(yīng)電勢。計算結(jié)果如（表2）。

如果電纜護層和鋼鎧的兩端接地電阻均為5 Ω，牽引網(wǎng)短路電流為1000 A時，不同距離下護層和鋼鎧中的電磁感應(yīng)電勢和電流如表3所示。

4 防止?fàn)恳鼗亓髁鹘?jīng)電力電纜護層和鋼鎧的措施

當(dāng)電纜導(dǎo)體中有電流通過時，在與導(dǎo)體平行的金屬護套中必然產(chǎn)生縱向感應(yīng)電動勢。如果把兩端金屬護套直接接地，護套中的感應(yīng)電壓將產(chǎn)生以大地為回路的循環(huán)電流。護套中有電流通過，增加了電能損耗，同時減小了電纜的輸送容量。為了解決這個問題，可采取單點互聯(lián)，僅一端接地，另一端對地絕緣，護套中就沒有電流通過。但是，感應(yīng)電壓與電纜長度成正比，當(dāng)電纜線路較長時，過高的護套感應(yīng)電壓可能會危及人身安全，并可能導(dǎo)致設(shè)備事故，因此，電纜運行規(guī)程規(guī)定，單芯電纜金屬護套感應(yīng)電壓不得超過50 V。對于較長的電纜線路，應(yīng)用絕緣接頭將金屬護套分隔成多段，使每段的感應(yīng)電壓限制在小于50 V的安全范圍以內(nèi)。通常將三段長度相等或基本相等的電纜組成一個換位段，其中有兩套絕緣接頭，每套絕緣接頭的絕緣隔板兩側(cè)不同相的金屬護套用交叉跨越法相互連接。為了減少電纜線路的損耗，提高電纜的輸送容量，高壓單芯電纜的金屬護套，一般均采取交叉互聯(lián)或單點互聯(lián)方式。

由表2可以看出，當(dāng)電力電纜離鐵路很近（遂道內(nèi)和橋梁上），電力電纜與鐵路平行的距離較長時，電力電纜護層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢和地回流都很大。隨著牽引負(fù)荷的不斷增大，電氣化鐵路重負(fù)荷區(qū)段一個供電臂的最大牽引負(fù)荷電流可達(dá)800～ 1000A，供電臂首端的短路電流在3000～ 5000A之間。因此當(dāng)電力電纜鋪設(shè)在牽引供電臂的首端時，1 km電纜護層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢和電流是表2的3～5倍。電纜護層和鋼鎧中長期通過電流時會造成護層和鋼鎧發(fā)熱，導(dǎo)致電纜絕緣損壞。

為了防止?fàn)恳鼗亓鹘?jīng)過電纜護層和鋼鎧，因此在沿電氣化鐵路鋪設(shè)的電力電纜，電纜頭的護層和鋼鎧就不能在電纜的兩端同時接地。最好在電纜的電源側(cè)接地，另一側(cè)采用Y1.5W-0.5/2.6型低壓氧化鋅避雷器進行保護接地（圖4）。該避雷器的持續(xù)運行電壓為420 V，U1mA電壓為1 200 V。

當(dāng)電力電纜中，牽引重負(fù)荷電流造成的感應(yīng)電壓高于420 V，或接觸網(wǎng)的短路電流產(chǎn)生的感應(yīng)電壓高于1200 V時，可以采用兩只避雷器串聯(lián)進行電纜護層和鋼鎧的保護接地。在與電氣化鐵路平行很長，又離電氣化鐵路很近的電力電纜，當(dāng)感應(yīng)電壓影響到電力電纜絕緣的安全運行時，可以采用在電力電纜的中間接頭端處進行電纜護層和鋼鎧的直接接地，電纜兩端進行保護接地，如圖5所示。

5 結(jié)語

（1）沿電氣化鐵路鋪設(shè)的電力電纜，電纜的護層和鋼鎧只能一端接地，另一端應(yīng)采用低壓氧化鋅避雷器進行保護接地；當(dāng)電力電纜過長，護層和鋼鎧中的電磁感應(yīng)電勢過高，影響到電纜的安全運行時，可以在電力電纜的中間接頭端子處進行電纜護層和鋼鎧接地，電力電纜兩端的端子頭處應(yīng)進行保護接地。

（2）在電氣化鐵路為AT和BT供電區(qū)段，沿電氣化鐵路鋪設(shè)的電力電纜，電纜的護層和鋼鎧可以一端接地，另一端采用一只低壓220 V或380 V的氧化鋅避雷器進行保護接地。

（3）建議中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50168-92《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規(guī)范》的第5.1.21條中增加：電力電纜的護層和鋼鎧沿電氣化鐵路鋪設(shè)時的保護接地內(nèi)容。

參考文獻

[1] 曹建猷.電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，1987.

[2] 衛(wèi)明博.鐵路牽引供電對信號系統(tǒng)電磁干擾抑制的施工工藝研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2010（6）.

[3] 高建平，尚鐵宇.電力電纜故障離線定位方法的經(jīng)驗分析[J].內(nèi)蒙古石油化工，2010（1）.endprint

當(dāng)?shù)刃У鼗鼐€入地深度為930 m時，根據(jù)文獻[2]計算，單線電氣化鐵路的參數(shù)為：

（8）Z12=0.05+j0.319Ω/km

（9）Z2=0.198+j0.560Ω/km

（10）所以

I2=I1×0.543 6∠10.6°

（11）復(fù)線電氣化鐵路的參數(shù)為：

Z12=0.05+j0.3068 Ω/km

（12）Z2=0. 124+j0.445Ω/km

（13）所以

I2=I1×0.6729∠6.3°

2.2 牽引網(wǎng)具有架空回流線時，電纜護層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢

圖3是電氣化鐵路具有架空回流線區(qū)段的接觸網(wǎng)布置示意圖，圖中O和O`是架空回流線。架空回流線與鋼軌并聯(lián)，電流方向與鋼軌中電流相同。在架空回流線區(qū)段，電纜護層和鋼鎧的感應(yīng)電勢計算方法與（1）式中的直接供電方式相同，只是Z23、Z12、Z2略有不同。

Z23的計算公式與（3）式相同，當(dāng)電氣化鐵路為單線時，d23只考慮C1、J1、g1、g2和架空回流線O。

（14）d23=（Ldg1Ldg2LdO）1/3

復(fù)線電氣化鐵路的d23為：

（15）d23=（Ldg1Ldg2Ldg3Ldg4LdOLdO`）1/6

式中：LdO、LdO`—電力電纜至接觸網(wǎng)架空回流線O、O`的距離。

同樣，當(dāng)?shù)刃У鼗鼐€入地深度為930 m時，根據(jù)文獻[2]中數(shù)據(jù)計算，單線電氣化鐵路的參數(shù)為：

（16）Z12=0.05+j0.3256 Ω/km

（17）Z2=0.126+j0.4507 Ω/km

（18）所以I2=I1×0.7039∠6.9°

（19）復(fù)線電氣化鐵路的參數(shù)為：

Z12=0.05+j0.3116 Ω/km

（20）Z2=0.097+j0.344 Ω/km

（21）所以I2=I1×0.883∠3.9°

2.3 牽引網(wǎng)采用其它供電方式時，電纜護層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢

采用自耦變壓器的AT供電方式和吸流變壓器的BT供電方式時，當(dāng)電力機車運行在兩個AT（BT）之間時具有半段效應(yīng)，這時機車的牽引電流才對電纜護層和鋼鎧具有電磁感應(yīng)電勢。半段效應(yīng)的距離AT區(qū)段為3～5 km，BT區(qū)段1～2 km。由于半段效應(yīng)不管電力電纜有多長，都只有一臺機車運行在兩個AT（BT）之間時才有電磁感應(yīng)電勢，因此電力電纜護層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢和電流都很小。

分別將I2代入（1）式得沿電氣化鐵道鋪設(shè)的電力電纜護層與鋼鎧的電磁感應(yīng)電勢和電流如表1。

3 計算實例

以單線電氣化鐵路直接供方式為例，設(shè)電力電纜鋼鎧的直經(jīng)為60 mm，兩層鋼鎧的厚度為1.3 mm，參照鋼絞線電阻系數(shù)0.14，在不考慮鋼鎧的內(nèi)阻抗和護層直流電阻時，電纜鋼鎧的自阻抗為：

（22）Z3=0.5833+j0.145lg（930/0.03）

=0.05833+j0.6512Ω/km

電纜護層和鋼鎧中電流：

（23）I3=△U/（0.5833+R01+R02+j0.6512）

接觸網(wǎng)發(fā)生短路時，牽引變電所在短路后0.1～0.5 s才能跳閘切除故障電流，以接觸網(wǎng)平均短路電流1000 A計算電纜在與鐵路不同距離時，每km電纜鋼鎧的感應(yīng)電勢。計算結(jié)果如（表2）。

如果電纜護層和鋼鎧的兩端接地電阻均為5 Ω，牽引網(wǎng)短路電流為1000 A時，不同距離下護層和鋼鎧中的電磁感應(yīng)電勢和電流如表3所示。

4 防止?fàn)恳鼗亓髁鹘?jīng)電力電纜護層和鋼鎧的措施

當(dāng)電纜導(dǎo)體中有電流通過時，在與導(dǎo)體平行的金屬護套中必然產(chǎn)生縱向感應(yīng)電動勢。如果把兩端金屬護套直接接地，護套中的感應(yīng)電壓將產(chǎn)生以大地為回路的循環(huán)電流。護套中有電流通過，增加了電能損耗，同時減小了電纜的輸送容量。為了解決這個問題，可采取單點互聯(lián)，僅一端接地，另一端對地絕緣，護套中就沒有電流通過。但是，感應(yīng)電壓與電纜長度成正比，當(dāng)電纜線路較長時，過高的護套感應(yīng)電壓可能會危及人身安全，并可能導(dǎo)致設(shè)備事故，因此，電纜運行規(guī)程規(guī)定，單芯電纜金屬護套感應(yīng)電壓不得超過50 V。對于較長的電纜線路，應(yīng)用絕緣接頭將金屬護套分隔成多段，使每段的感應(yīng)電壓限制在小于50 V的安全范圍以內(nèi)。通常將三段長度相等或基本相等的電纜組成一個換位段，其中有兩套絕緣接頭，每套絕緣接頭的絕緣隔板兩側(cè)不同相的金屬護套用交叉跨越法相互連接。為了減少電纜線路的損耗，提高電纜的輸送容量，高壓單芯電纜的金屬護套，一般均采取交叉互聯(lián)或單點互聯(lián)方式。

由表2可以看出，當(dāng)電力電纜離鐵路很近（遂道內(nèi)和橋梁上），電力電纜與鐵路平行的距離較長時，電力電纜護層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢和地回流都很大。隨著牽引負(fù)荷的不斷增大，電氣化鐵路重負(fù)荷區(qū)段一個供電臂的最大牽引負(fù)荷電流可達(dá)800～ 1000A，供電臂首端的短路電流在3000～ 5000A之間。因此當(dāng)電力電纜鋪設(shè)在牽引供電臂的首端時，1 km電纜護層和鋼鎧中的感應(yīng)電勢和電流是表2的3～5倍。電纜護層和鋼鎧中長期通過電流時會造成護層和鋼鎧發(fā)熱，導(dǎo)致電纜絕緣損壞。

為了防止?fàn)恳鼗亓鹘?jīng)過電纜護層和鋼鎧，因此在沿電氣化鐵路鋪設(shè)的電力電纜，電纜頭的護層和鋼鎧就不能在電纜的兩端同時接地。最好在電纜的電源側(cè)接地，另一側(cè)采用Y1.5W-0.5/2.6型低壓氧化鋅避雷器進行保護接地（圖4）。該避雷器的持續(xù)運行電壓為420 V，U1mA電壓為1 200 V。

當(dāng)電力電纜中，牽引重負(fù)荷電流造成的感應(yīng)電壓高于420 V，或接觸網(wǎng)的短路電流產(chǎn)生的感應(yīng)電壓高于1200 V時，可以采用兩只避雷器串聯(lián)進行電纜護層和鋼鎧的保護接地。在與電氣化鐵路平行很長，又離電氣化鐵路很近的電力電纜，當(dāng)感應(yīng)電壓影響到電力電纜絕緣的安全運行時，可以采用在電力電纜的中間接頭端處進行電纜護層和鋼鎧的直接接地，電纜兩端進行保護接地，如圖5所示。

5 結(jié)語

（1）沿電氣化鐵路鋪設(shè)的電力電纜，電纜的護層和鋼鎧只能一端接地，另一端應(yīng)采用低壓氧化鋅避雷器進行保護接地；當(dāng)電力電纜過長，護層和鋼鎧中的電磁感應(yīng)電勢過高，影響到電纜的安全運行時，可以在電力電纜的中間接頭端子處進行電纜護層和鋼鎧接地，電力電纜兩端的端子頭處應(yīng)進行保護接地。

（2）在電氣化鐵路為AT和BT供電區(qū)段，沿電氣化鐵路鋪設(shè)的電力電纜，電纜的護層和鋼鎧可以一端接地，另一端采用一只低壓220 V或380 V的氧化鋅避雷器進行保護接地。

（3）建議中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50168-92《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規(guī)范》的第5.1.21條中增加：電力電纜的護層和鋼鎧沿電氣化鐵路鋪設(shè)時的保護接地內(nèi)容。

參考文獻

[1] 曹建猷.電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，1987.

[2] 衛(wèi)明博.鐵路牽引供電對信號系統(tǒng)電磁干擾抑制的施工工藝研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2010（6）.

[3] 高建平，尚鐵宇.電力電纜故障離線定位方法的經(jīng)驗分析[J].內(nèi)蒙古石油化工，2010（1）.endprint