35 kV城市軌道交通用電力電纜的感應電壓及其接地的處理

王振林， 江亞朔， 董宇鵬， 趙明明（上海南大集團有限公司，上海201100）

35 kV城市軌道交通用電力電纜的感應電壓及其接地的處理

王振林， 江亞朔， 董宇鵬， 趙明明
（上海南大集團有限公司，上海201100）

介紹了城市軌道交通用電力電纜的發展概況、產品的結構以及各地實際工程應用對電纜金屬層感應電動勢帶來的影響，就此問題展開研究并提出合理的處理建議。

電力電纜；感應電壓；接地

0　引 言

軌道交通用電纜（以下簡稱地鐵電纜）因其特殊的敷設環境，要求具備防老鼠、防白蟻、防水等性能，露天敷設部分（輕軌）還需要具備防紫外線老化性能，這些性能通過電纜結構和材料的改進得到了一定程度的解決。

本文將針對線路很長的地鐵電纜研究其感應電壓和接地方式。

1　35 kV地鐵電纜的基本結構及性能要求

圖1所示為額定電壓35 kV的1×300型交聯聚乙烯絕緣鋼帶鎧裝防水耐候型軌道交通B級阻燃電力電纜。電纜導體應符合GB/T 3956的要求，絕緣及屏蔽符合GB/T 12706.3的要求。防水采用鋁塑復合帶綜合防水結構，鎧裝采用非磁性不銹鋼鋼帶，護套采用耐候型低煙無鹵阻燃聚烯烴護套。該電纜具有工作溫度高、抗老化性能強、耐熱性能良好等特點，因此在城市軌道交通中得到廣泛應用。

為了滿足電纜的不同性能要求，如防白蟻、防老鼠、阻燃級別等，結構也會有相應的變化，要求如下：

圖1　FS/FZ-WDZB-YJE63 26/35kV 1×300

（1）鎧裝可以采用銅帶或鋼帶鎧裝；

（2）低煙無鹵材料要求在GB/T 17650規定的試驗條件下，燃燒時產生的煙濃度其透光率不小于64%；

（3）電纜護套燃燒時的無鹵性能滿足在GB/T 17650.1規定的試驗條件下，燃燒時產生的鹵酸氣體逸出量不大于5 mg/g；

（4）電纜燃燒時逸出氣體的PH值和電導率測試按GB/T 17650.2的規定，PH值不小于4.5，電導率不大于5μS/mm；

（5）防水、防潮性能。要求電纜樣品在水中浸泡72 h后，去除絕緣層外面的復合層后，用肉眼觀察，絕緣層外表面是干燥的；

（6）阻燃性能。電纜燃燒時應滿足GB/T18380規定的A類成束電纜垂直燃燒試驗要求；

（7）對于敷設于戶外的電纜，需按照GB/T 2951.41中“耐環境應力開裂試驗”的要求按步驟B進行試驗，其它性能會略作調整；

（8）對于電纜具有防白蟻和防鼠咬性能要求的，試驗時采取的措施應是成熟、可靠的，并滿足使用時環保、對人體無害及不影響電纜其它性能的要求。

2　電纜金屬屏蔽層、金屬防水層及金屬鎧裝層感應電動勢

35 kV地鐵電纜由于其特殊的敷設環境要求，除了具有金屬屏蔽層外，通常還有金屬防水層及金屬鎧裝層。當有交流電通過單芯電纜時，交流電周圍會產生交變磁場，該磁場既會與電纜的金屬屏蔽層、金屬防水層及金屬鎧裝層相交鏈，又會與電纜線芯回路相鏈通，這樣就會在金屬護套上產生感應電動勢。

2.1 三相電纜的兩種敷設方式

圖2、圖3分別為等邊三角形敷設和平行敷設的三相電纜示意圖。這兩種情況下其感應電動勢有效值是不同的，下面將對兩種敷設方式下正常運行和短路兩種狀態下的感應電動勢進行計算。

圖2　等邊三角形敷設的三相電纜

圖3　平行敷設的三相電纜

2.2 兩種敷設方式正常運行狀態下的感應電動勢計算

（1）等邊三角形敷設時三相電纜感應電動勢的計算

等邊三角形敷設時的感應電動勢為：

式中：ω=2πf，為角頻率；S為相鄰電纜中心間距離（mm）；r為電纜金屬層的平均半徑（mm）；I為每相負載電流（A）。

計算均以廣州地鐵的數據為例：I=650 A；S= 250 mm；r=28.5 mm；f=50 Hz。則有：

即電纜正常運行狀態下感應電壓為89 V/km。

（2）平行敷設時三相電纜感應電動勢的計算平行敷設時感應電動勢為：

式中：XS為中間電纜單位長度電抗（Ω/m）；Xm為兩邊電纜單位長度電抗（Ω/m）；S為電纜中心間距離（S1=S2=S，S3=2S）。

設I=650 A；S=250 mm；r=28.5 mm；f=50 Hz。則有：

故1 km電纜長度上的最大感應電壓，邊相和中相分別為108 V和89 V。

2.3 兩種敷設方式短路狀態下的感應電動勢計算

（1）等邊三角形敷設時三相電纜感應電壓的計算

等邊三角形敷設時感應電動勢為：

式中：I1S為短路時間1 s時負載的短路電流（A）。

設I1S=42.9 kA；S=250 mm；r=28.5 mm；f= 50 Hz。則有：

即電纜短路狀態下的感應電壓為5850 V/km。

（2）平行敷設時三相電纜感應電壓的計算

平行敷設時感應電動勢為：

設I1S=42.9 kA；S=250 mm；r=28.5 mm；f= 50 Hz。則有：

故1 km電纜長度上的最大感應電壓，邊相和中相分別為7 121.4 V和5 850 V。

3　電纜接地處理方式

正確的接地方式不僅可以將感應電動勢控制在允許的安全范圍內以降低損耗，還可以使電纜載流量得到提高，降低工程造價，同時減少設備后期的運行維護工作量，因此我們要在電纜線路的設計施工中特別注意金屬護套的接地處理方式。

而在實際工程項目中電纜以平行敷設為主，僅有部分項目有金屬護套（屏蔽）接地處理方式，如廣州軌道交通某線路采用中性點經電阻（電阻值31.75Ω）接地的方式；上海軌道交通某線路采用小電阻接地，接地短路電流Id≤1 000 A。

3.1 接地要求

根據GB 50217—2007《電力工程電纜設計規范》中的第4.1.9條，電力電纜金屬層必須直接接地。交流系統中三芯電纜的金屬層，應在交流單相電力電纜的金屬護層兩終端和接頭等部位實施接地。

根據GB 50217—2007中的第4.1.10條，交流單芯電力電纜的金屬層上任一點非直接接地處的正常感應電勢計算，宜符合規范附錄F的規定。

3.2 接地方式

根據GB 50217—2007中的第4.1.11條，交流系統單芯電力電纜金屬層接地方式有一點直接接地、兩端直接接地、交叉互聯接地三種。

3.2.1 一點直接接地

在線路不長的情況下，且能滿足GB 50217—2007第4.1.10條要求時宜采取在線路一端或中央部位單點直接接地。

（1）一端直接接地、另一端經過電壓保護器接地

圖4為一端直接接地、另一端經過電壓保護器接地的示意圖。

圖4　一端直接接地、另一端經過電壓保護器接地

此方法僅適用于電纜線路長度小于500 m的情況。

（2）中間直接接地、兩端經過電壓保護器接地

圖5為中間直接接地、兩端經過電壓保護器接地的示意圖。

此方法是一端直接接地、另一端經過電壓保護器接地的接地方式的延伸，原理相同，可以把一端直接接地方式電纜最大長度增加一倍，適用于長度約為1 km的電纜線路。

圖5　中間直接接地、兩端經過電壓保護器接地

3.2.2 兩端直接接地

在線路不長的情況下，而且單點直接接地方式無法滿足GB 50217—2007第4.1.10條要求時，例如水下電纜、35 kV及以上電纜或輸送容量較小的35 kV及以上電纜，可采取在線路兩端直接接地，圖6為兩端直接接地的示意圖。

圖6　兩端直接接地

從經濟安全的角度來考慮，只有當電纜線路很短、負載和傳輸功率都很小時，才可以考慮采用護套兩端直接接地的方式，此時護套環路感應電壓很小，環流很小，損耗不顯著，對電纜載流量影響也不大，不需要加裝過電壓保護器，其安裝和后期維護都很方便。

3.2.3 交叉互聯接地

當電纜線路非常長、負載率很高時，即使采用護套中間直接接地、兩端經過電壓保護器接地也會產生很高的感應電壓，對于這種情況，我們就可以采用金屬護套交叉互聯的方式，圖7為交叉互聯接地的示意圖。

圖7　交叉互聯接地

這種方法適用于各種長度的電纜，但因投資較大，所以常用于1 km及以上且輸送容量很大的單芯電纜。

3.3 接地方式對比

一點直接接地的方法中，若有一端不直接接地，

護套上不會產生環流，損耗也很小，但含有過電壓保護器，會增加線路的維護工作量，故此方法適用于線路很短的情況；兩端直接接地的方法簡單、運行維護方便，但在輸送過程中金屬護套與大地構成回路會帶來損耗，雖與其他方式相比經濟方便，但也只適用于線路較短，負載很小的情況；交叉互聯接地能有效地減小感應電壓以及護套環流，提高電纜傳輸容量，但因接線方式復雜，增加了后期的維護工作量，所以適用于長距離大負載的線路。

4　結束語

地鐵電纜是城市軌道交通系統的重要組成部分，本文通過對地鐵電纜金屬護套（屏蔽）感應電動勢的計算，說明了金屬護套接地和選擇接地方式的重要性。借此希望地鐵設計及施工單位能夠嚴格按照標準進行設計和施工，避免發生因感應電壓引起的問題。

The Induced Voltage and Grounding M ethod of 35 kV Power Cab le Used for City Rail Traffic

WANG Zhen-1in，JIANG Ya-shuo，DONG Yu-Peng，ZHAO Ming-ming
（Shanghai Nanda GrouPCo.，Ltd.，Shanghai201100，China）

This PaPer introduces the basic deve1oPmentsurvey of Power cab1e in urban rai1transit，the structure of the Product and the inf1uence of the e1ectric Potentia1in different situations.It discusseson this issue and Put forward reasonab1e suggestions.

Power cab1e；induced vo1tage；grounding

TM247.1

A

1672-6901（2016）03-0024-04

2015-08-19

王振林（1971-），男，高級工程師.

作者地址：上海市閔行區中春路500號［201100］.