電氣化鐵路27.5kV電纜金屬護層雷擊感應電壓特性探索

劉鵬

摘 要：我國目前的鐵路線路分布十分廣闊，鐵路的線路比較長，線路的地理環境也十分的復雜，這就接觸網就會極其容易受到雷電的攻擊。因為鐵路沿線的氣溫、季節與地質等條件不各不相同，這樣就會讓雷電攻擊入侵到電纜線芯時，金屬護層感應到的電壓特征有著很大的差別。當雷擊電流入侵到電纜線芯時，由電纜線芯上的磁力線交鏈于金屬護層，金屬護層上就會感應到過電壓，這種過電壓可能會破壞電纜的主絕緣和外護套。本文主要探索了電氣化鐵路27.5kV電纜的結構與金屬護層雷擊感應電壓的特性與分析。

關鍵詞：電氣化鐵路；金屬護層；雷擊感應

我國鐵路部門曾在鐵路網的規劃中發過相關的報道，我國將在2020年的時候對電氣化鐵路的路線里程將建設到12萬公里之上，而且復線率和電氣化率將會達到50%到60%之間甚至更高。電氣化鐵路在進行大方面的提速和高鐵建設都會對27.5kV電纜的使用量增加。電氣化鐵路的27.5kV電纜是主要用途就是起到牽引變電所與鐵路沿線的接觸網的作用，而伴隨著我國電氣化鐵路的飛速發展，27.5kV電纜在牽引供電系統中將會被廣泛的使用，例如：在建設電氣化鐵路所需要的變電所中，應當避開處于在高架橋下面或因為牽引變電所與接觸網之間存在的房屋建筑以及農業產品，不能使用懸空導線的方式來對電能進行傳輸，一般情況下用27.5kV高壓電纜來代替懸空中的裸體導線。根據我國鐵路總局的統計的資料發現，有很大一部分的電纜故障都是因為金屬護層或外部保護套受到損壞，所以，對電氣化鐵路27.5kV電纜的金屬保護層進行相應的雷電測試是非常有必要的，根據測試的實際結果對其進行相應的改革，對電氣化鐵路的建設起到了良好的保障。

一、電氣化鐵路27.5kV電纜的構造

依據我國電氣化鐵道部門在新標準當中規定，27.5千伏電纜共有兩種型號，一種為TYJV型號，一種為TYJY型號，電纜線芯的導體截面積為150㎡、185㎡、240㎡、300㎡、400㎡。27.5千伏電纜的主要結構有以下幾點：

（1）線芯導體：纖芯導體一般作用于電流傳輸當中，為電力列車提供日常之中所需的電力能源。線芯材質的導電頻率和線芯的截面積同時影響著線芯導體的能源消耗量，在建設鐵路電纜的工程上一般會選用導電頻率較大的材料來作為線芯的導體，這樣不僅可以減少線芯導體所產生的電壓降與能源的消耗，還節省了部分經費，所以電纜的線芯一般情況下都是采用銅元素或者鋁元素的材料。電氣化鐵路的27.5千伏電纜的線芯采用的就是絞合緊壓的圓形導體結構，并且線芯的表層需要保持整潔、光滑，不可以有任何的剮蹭痕跡以及損傷，不可以使XLPE主絕緣體和導體屏蔽層出現毛刺以及凸起等等問題，并且需要保證單線線路不會發生斷裂損壞等等意外情況的發生。

（2）導體屏蔽層：導體屏蔽層是由一層半導體的材質結合而成，主要用作于對電場進行均勻的劃分。線芯是由多跟導線絞合緊壓組合而成，其與主絕緣體之間很容易出現縫隙，并且線芯的表面一但出現毛刺或凸起就會導致電場的分布不均勻，而半導體材質的屏蔽層與線芯導體的電位值相同，也可以與主絕緣體之間進行很好的接觸。大幅度的提升局部放電的電壓，就可以有效的避免線芯導體與主絕緣層之間發生的局部放電的問題，并且從而有效的對電纜的主絕緣體進行保護。半導體這樣的材質導體屏蔽層的厚度基本為0.8mm，導體屏蔽層所選用的材料應是交聯型材料，其可以均有的覆蓋在線芯導體的表面，并且其表面較為光滑，沒有明顯的凹凸痕跡。

（3）金屬保護層面：金屬保護層面自身就具有三大保護性能，第一種是具有良好的阻水性，能夠防止有水分能夠進入主絕緣體中，從而影響主絕緣體的質量與使用年限；第二種是可以對主絕緣體與線芯導體進行保護，防止其受到化學元素的腐蝕與破壞；第三種是可以對電流短路和熱穩定功能承受能力較好。金屬保護層面所采用的材料有綠元素、鉛元素以及銅元素等等，標準厚度為2mm。金屬保護層面的生產技術工藝可以大致分為三種：無縫隙的金屬保護層面、縱向焊接縫隙的金屬保護層面和綜合金屬保護層面。現在我國使用較多的就是無縫隙金屬保護層面、焊接縫隙波紋保護層面和波紋銅保護層面等，這些金屬保護層面都具有非常好的防水功能，但是其內部的質量與制造的工藝都大不相同。

（4）外部保護套：外部保護套的主要作用就是把金屬屏蔽層和外部空間之間進行有效的隔離，為了防止空氣對金屬屏蔽層的腐蝕。對電纜進行制作的時候，應根據絕緣體的實際耐溫情況去選擇相應的PVC或者PE塑料，并在其的表面涂上相應的石墨導電材料。

二、金屬護層的雷擊感應電壓

當發生陰雨天氣時經常會出現雷電擊落等現象，如產生雷電順著所接觸線路并且沿著線路傳送到供電系統當中的電纜內部中心位置時，金屬保護層面當中就會因此產生一定強度的電壓其電壓是由于雷擊感應而引發的，XLPE絕緣層面和電纜的外層保護套就擁有著預防因雷電擊打所引發的穿透或線路損壞等危險。如果將L設定為入侵到電纜線內部核心的雷電壓數值，那么金屬的保護層面前段或者末端位置經小電阻接地后加載線的內部中心位置與金屬保護層面當中所產生的電壓就是L。當L在電纜當中內部中心線上傳播流動時線芯與金屬保護層面當中同時流動的電流則稱之為M，其數值的大小則由線芯當中所設立的導體與金屬保護層當中的傳輸波動阻抗來決定的。如果電流再通過線部中心導體是和金屬外部保護層面當中的電流數值則成為了相反的方向，所以電纜自身所在的周圍便無法產生磁力線，也無法產生由雷擊所引發出的電壓。但如果發生沖擊電壓經過傳播而輸送到了線部中心位置直到尾部末端時，那么情況就會產生另一種變化，總體來講就是由線中心線路的尾端開路與尾端發生短路這兩種非常極端的對等情況。根據相應的理論知識來講在尾端進行開路時電纜中心位置的線路傳播電壓便會傳播至尾端而產生反射這一現象，從而導致通過中心線路和金屬保護層面當中的電流基本為零，另外金屬保護層面上面并不會出現較高的沖擊電壓。所以，在末端尾部出發生了接地故障時金屬的保護層面流動的電壓便會瞬間提高很多。

三、不同工況的金屬護層雷擊感應電壓分析

（一）分析避雷器與接觸網之間的接點電阻

避雷器與接觸網之間的接地電阻對入侵到電纜線芯的雷電擊產生非常大的影響，如果接地電阻已經達到10時雷電攻擊到電纜線芯時的電流會瞬間升到7kA。當電纜中的金屬保護層面感應到過電壓的最大值時，就會隨著避雷器與接觸網之間的接地電阻的放大而放大。當兩物之間的接地電阻已經大過于7的時候，當金屬保護層面處于感應過電壓的最大值，過電壓會瞬間穿過外部保護套直接對耐受電壓進行沖擊。

（二）分析大地土壤中的電阻率

由于大地地面的土壤組成當中含有許多微小呈顆粒狀的成分，而這些呈顆粒狀的成分當中有著鹽分的存在，所以這種成分的中心是不會進行導電的，含水分多的土壤中的自由電荷可以降低電場中的傳到電流。在避雷器已經受到損壞的情況下發生雷電的攻擊絕緣子時，地面土壤當中的電阻率的突然增加會導致影響了整個土壤散電流的能力，最后當雷電攻擊到電纜線芯的時候電流會進行逐漸的加大。如果地面土壤當中的電阻率已經小于了800的時候，那么金屬保護層面的雷電擊感應的最大值會瞬間沖過外部保護套對難受電壓進行沖擊，嚴重的化還會導致外部保護套被瞬間擊破。

（三）分析電纜長度的規格

相關工作人員在進行距離地面較近的線路情況發生時，所選擇使用的電纜大多部分都是將地面進行連接，而線的另一端則需要選擇經過相應的保護器后再鏈接地面，總長度為500米左右的電纜金屬保護層面是落雷擊打瞬間通電電壓的最小值。如為600～800米左右長度的電纜進行比較的話，在其手段至400～500米所包含的范圍內相同位置的金屬保護層面過電電壓的最大數值則比600米電纜平均小百分之二十六左右，比700米電纜平均小百分之二十左右，比800米電纜平均小百分之二十九至百分之三十左右，在此情況的保護模式下，長度約為800米的電纜當中所使用的金屬保護層面感應過電電壓的最大數值一定要高過外層保護套的雷電沖擊。

（四）分析雷電流波形陡度

雷電的流波型陡度對金屬護層的電壓有著十分重要的影響，隨著雷電攻擊到電纜時，線芯當中雷電流的陡度值會突然增加，而金屬保護層面感應到的過電壓最大值進行增加時它的增長率開始整體下降。

四、結語

綜合以上所述，電擊是較為常見的自然災害之一，電擊所帶來的傷害性與破壞性極強，而且被雷電擊中之后電氣設備以及電纜會出點難以修復的后果。我國的鐵路線路屬于電擊高發地，即使針對鐵路線路建設相應的防電避雷措施，但是還是無濟于補，所以針對鐵路電擊事故的發生，就需要運用到電氣化鐵路27.5kV電纜，因為27.5kV電纜可以扛起牽引在變電所跟接觸網之間的重任，并且能夠有效的降低電擊事故的發生頻率，由此就可以27.5kV電纜在供電設施中的位置。合理的對電氣化鐵路運用27.5kV電纜就能夠有效的對電擊事故的傷害率進行降低，并且對我國未來電氣化鐵路的發展有著重要意義。

參考文獻：

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