高铁电力贯通线的感应电压与金属护层接地方式

电缆贯通线的感应电压与金属护层接地方式高速铁路电力技术电缆贯通线的感应电压与金属护层接地方式•单芯电缆从结构组成上，可分为导体、绝缘层、屏蔽层和护层4部分。绝缘层是包覆在导体外围四周起着电气绝缘作用的构件，既能确保电流只沿着导线传输而不流向外面，又能确保外界物体和人身的安全。屏蔽层由导体屏蔽层、绝缘屏蔽层、铜带屏蔽层等组成，它的作用是将电缆导体中的电磁场与外界进行隔离的构件。护层由包带、内护层、外护层及金属护层等组成，它的作用是对电缆特别是对绝缘层进行保护，它必须能承受各种机械力、耐大气环境及化学药品腐蚀、能防止火灾危害等。绝缘层、护层一般采用热塑性材料，如聚氯乙稀、聚乙烯等。单芯电缆的导线与金属护层的关系，可以看作一个变压器的初级绕组与次级绕组，当单芯电缆在三相交流电网中运行时，流经电缆线芯的电流产生的一部分磁通与金属护层交链，在金属护层中产生纵向感应电动势。此外，接触网的运行在单芯电缆金属护层中也产生感应电动势，单芯电缆金属护层中还存在操作过电压等情况。•单芯电缆金属护层中感应电压及操作过电压的存在，不但可能危及人身安全，对周围环境造成电磁干扰，而且可能造成电能损耗、降低电缆的载流量、加速电缆绝缘老化，因此，采用合理的方式对单芯电缆金属护层进行接地，将金属护层中的感应电压及操作过电压降低到最低程度是非常必要的。单芯电缆金属护层采用单端接地或两端接地。单端接地护层有感应电压无电流，双端接地有感应电流无电压。如果单芯电缆护层采用经去磁处理的金属护层，使得电缆导体中有电流通过时不会在金属护层中产生感应电压及电磁场，这样的电缆称为单芯非磁铠装电缆。•根据高速铁路电力设计规范电缆线路设计要求，全电缆电力贯通线宜采用单芯电缆，单芯电缆应采用非磁性金属铠装层，不得选用未经非磁性有效处理的钢制电缆。导体线芯绝缘屏蔽交联聚乙烯绝缘导体屏蔽铜带屏蔽聚氯乙烯外护套防水型聚乙烯内护套铝塑复合带非磁性不锈钢带铠装交联聚乙烯非磁铠装单芯铜芯电缆特点•(1)XLPE是交联聚乙烯英文名称的缩写，聚乙烯是一种线性的分子结构，在高温下极易变形。交联聚乙烯过程使其变成一种网状结构。这种结构即使在高温下也一样具有很强的抗变形能力。(3)XLPE电缆有极佳的电气性能。介质损耗比纸绝缘和PVC绝缘都要小，XLPE电缆的电容也小。(2)XLPE电缆料是一种含有机过氧化物的聚乙烯。这种过氧化物在高温高压及惰性气体环境下与聚乙烯发生化学反应，使热塑性聚乙烯变成热固性（弹性体）的聚乙烯，即XLPE。(6)交联聚乙烯绝缘比重为0.92g/cm3。而聚氯乙烯绝缘比重为1.35g/cm3，交联聚乙烯绝缘电缆比聚氯乙烯绝缘电缆重量轻，直径要小，安装敷设方便，附件接头简单。(5)极佳的抗老化特性及超强的耐热变形决定了交联聚乙烯电缆在正常运行温度（90℃）、短时故障（130℃）及短路（250℃）条件下可允许大电流通过。(4)极易敷设是XLPE电缆的又一个优点。XLPE电缆有一个较小的弯曲半径，它比其它同类电缆轻而且有较为简单的终端处理。由于XLPE电缆不含油，所以在敷设XLPE电缆时不用考虑路线，也不存在由于淌油而无法敷设的情况。•(7)铜芯电缆具有电阻率低、延展性好、载流量大、电压损失低、抗氧化、抗疲劳等优点。正由于交联聚乙烯绝缘非磁铠装单芯铜芯电缆具有其它绝缘电缆无法比拟的优点。它的结构简单、重量轻、耐热好、负载能力强、不熔化、耐化学腐蚀，机械强度高等优异特性，在高速铁路长距离的电力贯通线路中得到广泛的使用。5.1金属护层工频感应电压的计算电缆的金属护层可以看成一薄壁圆柱体，同芯地套在线芯周围，线芯回路产生的一部分磁通不仅与线芯回路相链，同时也与金属护层相链，这部分磁通使金属护层具有电感，在它上面产生感应电动势，其大小由线芯电流来决定。1.平衡负载条件下、电缆金属护层中感应电压的计算1-导体2-内屏蔽3-绝缘4-外屏蔽5-金属屏蔽6-填充7-绕包层8-内衬层9-铠装层10-外护套•三相电缆敷设在等边三角形顶点上,护层电感1S2S3SABCABCABC1S1S2S2S3S3S(a)(b)(c)4321102ln2SSDSxxxx（Ω/km）单位长度金属护层中的感应电压sfSCSBSAxIUUU(V/km)1S2S3SABCABCABC1S1S2S2S3S3S(a)(b)(c)三相电缆敷设在一直线上，边相感应电压为22mmSSSBSAxxxxIUU(V/km)中相感应电压为sSBIxU(V/km)421102ln2SSDSxxx4102ln2mx（Ω/km）（Ω/km）1S2S3SABCABCABC1S1S2S2S3S3S(a)(b)(c)三相电缆敷设在一直角等边三角形顶点上22221mmSSSCSAxxxxIUU(V/km)sSBIxU(V/km)•电缆YJV62-3*(1*50)单位长度金属护层中的感应电压随电流变化曲线电缆YJV62-3*(1*70)单位长度金属护层中的感应电压随电流变化曲线表2.5-1I=20A，单位长度金属护层中的感应电压（V/km）排列相别YJV62-3*(1*50)YJV62-3*(1*70)YJV62-3*(1*95)等边三角形排列A,B,C1.05701.04781.0376直线排列A,C1.67231.66411.6550B1.05701.04781.0376直角三角形排列A，C1.32941.32051.3108B1.05701.04781.0376•表2.5-2I=50A，单位长度金属护层中的感应电压（V/km）排列相别YJV62-3*(1*50)YJV62-3*(1*70)YJV62-3*(1*95)等边三角形排列A,B,C2.64252.61942.5941直线排列A,C4.18074.16024.1376B2.64252.61942.5941直角三角形排列A，C3.32343.30143.2771B2.64252.61942.5941•表2.5-5I=300A，单位长度金属护层中的感应电压（V/km）排列相别YJV62-3*(1*50)YJV62-3*(1*70)YJV62-3*(1*95)等边三角形排列A,B,C15.854815.716715.5645直线排列A,C25.084524.961324.8257B15.854815.716715.5645直角三角形排列A，C19.940619.808219.6624B15.854815.716715.5645•当电缆长度和工作电流较大的情况下，感应电压可能达到很大的数值，因此，必须采取措施限制到安全值50V的范围内。对于长电缆线路，可将金属护层分段，同时为了减少接地点，宜采用换位述接法。这种述接法，如电缆是对称敷设，且每段长度相等，在平衡负载条件下，金属护层中两接地间的感应电动势等于零，因此不会产生环流。2.工频短路时电缆金属护层中感应电压的计算•电缆金属护层一端接地，分析单相接地时护层的感应电压，三种情况：(1)接地电流全部以大地为回路；(2)接地电流全部以回流线或电缆金属护层为回路；(3)接地电流一部分以大地为回路，另—部分以回流线或金属护层为回路。(一)接地电流全部以大地为回路•当电缆外架空输电线路发生一相接地时，该相的护层电压为AEBECEABCSDRdIdIdIldIdIdIdSgSAIlrDjRRUln1024dSgSAIlrDjRRUln1024•距离接地故障的A相为S的B相护层上的感应电压和距A相为2S的C相护层上的感应电压dgSBIlSDjRRUln1024dgSCIlSDjRRU2ln1024•土壤电阻率取50Ω.m，R=0Ω，三相感应电压随短路电流变化曲线•土壤电阻率变化时，A相纵向感应电动势随短路电流变化曲线(二)接地电流以回流线或金属护层为回路•金属护层—点互联接地的电缆线路，为了降低电缆金属护层的感应电动势，通常可在电缆线路近旁平行敷设一根回流线(该线采用钢芯铝线或铜绞线均可，但两端要接地)。当电缆出线端发生单相接地时，由于接地点正处于回流线连接地网中，此时接地故障电流绝大部分通过回流线，入地部分故障电流可以忽略不计AEBECEABCdIdIdIdIdIdIs2sADBDCD1R2R•当接地电流全部通过回流线时，电缆金属护层对回流线的感应电动势为dSAPAPSAlIrDjrDjRUln102ln10244B、C相的金属护层对回流线的电动势为dPBAPSBlISrDDjRUln1024dPCAPSClISrDDjRU2ln1024接地电流以回流线为回路，三相感应电压随短路电流变化曲线三、接地电流一部分以大地为回路，另一部分以回流线或金属护层为回路AEBECEABCdIdIdIdIdIs2s)(0DIIADBDCD1R2R)(0DdIII)(0DdIII)(0DdIIIdI（a）回流线有导通电流AEBECEABCdIdIdIdIdIs2sADBDCD1R2R2R(b)回流线无导通电流部分接地故障电流以大地为回路，护层感应电动势小结•如果将电缆的金属护层一端直接接地，另一端（非接地端）将产生感应电动势422ln10fSSUID式中，S为电缆中心间的距离;Ds为电缆金属护层的平均直径，If为负荷电流若取S=1.25Ds,则0.058fUI(V/km)若两端接地，护层电流为负荷电流的50~70%。5.2单芯电缆金属护层接地方式分析根据GB50217-2007的要求，在未采取能有效防止人员任意解除金属护层的安全措施时，交流单芯电力电缆线路金属护层的非直接接地端的任意一点的感应电压不应超过50V，如果超过此范围时，应利用绝缘接头将电缆划分成适当的单元，降低感应电压。•根据《城市电力电缆线路设计技术规定》(DL/T5221-2005)10条规定:通常单芯电缆金属护层接地方式四种方式：(a)(b)(c)(d)①单芯电缆金属护层两端接地方式分析②单芯电缆金属护层一端接地、一端接保护器方式分析③电缆金属护层中点接地，两端保护接地④电缆金属护层交叉互联①单芯电缆金属护层两端接地方式•护层中的感应电压将产生以大地为回路的循环电流，此电流大小与电缆间距等因素有关。•护层中有电流通过，不但增加了电能损耗，而且使电缆的载流量减小了30%~40%。•线芯和金属护层发热加速了电缆的绝缘老化，降低了电缆的绝缘等级，造成电缆寿命减少。•该方法多用在电缆长度很短，传输功率小的场合。②单芯电缆金属护层一端接地、一端接保护器方式分析可以有效减小及消除环流，提高电缆的传输容量及运行安全性。但是，感应电压与电缆线路的长度成正比，当电缆线路长度达到一定数值，金属护层感应电压就有可能超过安全特低电压—50V，就会危及人身安全，并可能导致设备事故。因此，单点接地只能适用于电缆线路相对较短的情况。•单芯电缆金属护层有一端不接地，带来下述问题：电缆线路较短时(500m以内)，可采取这种接地方式，可以减少及消除环流，有利于提高电缆的传输容量和电缆的安全运行。根据相关要求，非直接接地的一端金属护层上的感应电压不得超过50V，如果与架空线路连接时，直接接地一般装设在架空线路端，保护器装设在另一端。•③电缆金属护层中点接地，两端保护接地电缆线路较长时，在电缆线路的中点将电缆金属护层直接接地，电缆两终端的金属护层通过保护器接地。此接地方式电缆不安装中间接头，避免产生绝缘薄弱环节，有利于提高电缆使用寿命及载流量，减少运行维护工作量。④电缆金属护层交叉互联当电缆线路很长，金属护层可采用交叉互联方式安装。此方式将电缆线路分成3个等小段，每小段间安装绝缘结构，金属护层在绝缘接头处用同轴电缆引出