电气化铁道27.5 kV电缆护层保护器选择浅析

2012-01-22李进军

铁道标准设计 2012年3期

李进军

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

随着我国铁路建设标准的提高,如京津城际、武广客运专线、郑西客运专线、沪杭客运专线、京沪高速铁路等项目,牵引供电系统中均大量采用了27.5 kV专用单芯电缆。单芯电缆线芯中通过交变电流必然会产生交变的磁场,将使电缆的金属护层中产生感应电势。当电缆载流量较大(特别是短路接地故障)、线路较长时,其金属护套的感应电势和冲击过电压会很大,若电缆接地方式处理不当,可能导致护套绝缘击穿,形成多点接地,影响电缆正常载流并降低使用寿命。

1 电缆结构

我国电气化铁路牵引供电系统采用单相工频交流27.5 kV电压,27.5 kV电缆均采用单芯,电缆的典型结构一般由TR型软铜线导体线芯、导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽、金属屏蔽、隔离层、铠装层以及外护套等组成[1](图1)。用户可根据电缆敷设条件和运行环境提出附加要求,如低烟低(无)卤阻燃、防水、防腐、防紫外线等。27.5 kV电缆结构通用技术参数见表1。

图1 27.5 kV电缆典型结构示意

表1 27.5 kV电缆主要技术参数

2 感应电压产生

单芯电缆线芯与金属护层的关系可以看作是1个单匝变压器[2]。当电缆在交变电压下运行时,导体中通过的交变电流必然会产生交变的磁场。磁场产生的磁链不仅和线芯相链,也和金属屏蔽层及铠装层相链,必然会在金属屏蔽和铠装层上产出感应电动势。感应电压的大小与线路长度和流过导体的电流成正比。电缆线路很长时,护套上的感应电压叠加起来可达到危及人身安全的程度[3]。标准规定,在未采取能有效防止人员任意接触金属防护层的安全措施时,交流单芯电力电缆线路金属层的非直接接地任一点的感应电压不超过50 V[4]。在雷电冲击电压或工频短路情况下,线芯中可能通过几十倍于正常的电流,产生的感应电压不仅会危及人身安全,也可能击穿金属护套的外护层,形成电缆金属护套多点接地,各点因电位差产生环流,由于大地电阻和护层、屏蔽的电阻都很低,环流可能达到导体额定载流量的1/3,引起电缆发热,影响到电缆的正常载流量[5]。故必须对感应电压予以计算并采取限制措施。

为保证电缆金属护套对地应保持良好的绝缘,安装时应根据线路的情况,按照经济合理的原则在金属护套的一定位置采用特殊的连接和接地方式,并同时装设护层保护器防止电缆护层被击穿。目前我国电气化铁路通常采用护套一端接地的运行方式。

2.1 首端不接地,末端接地(图2)

注：U0—雷电波电压幅值,kV；Z0—接触网波阻抗,Ω；Z1—电缆导体对金属护套波阻抗,Ω；Z2—电缆金属护套对大地波阻抗,Ω。

其中，μ=μ0μr=4π×10-7H/m；

ε=ε0εr=8.86×10-12×2.3 F/m；

rs—电缆金属护套等值半径,mm；

r—电缆导体等值半径,mm。

f——雷电流等值频率，500 kHz；

ρ——土壤电阻率。

设ρ=100 Ω·m，则D=12 m

根据等值电路,则电缆金属护套不接地端冲击过电压为

例如：截面为300 mm2的27.5 kV电缆,U0=350 kV,Z1=22.57 Ω,Z2=18.59 Ω,Z0=250 Ω

此时需装设护层保护器,流经护层保护器的冲击电流为

当电缆首端与架空线连接处有避雷器并动作时,U0=120 kV,则UA=15.33 kV。

2.2 末端不接地,首端接地(图3)

图3 首端接地末端不接地时等值电路

根据等值电路,则电缆金属护套不接地端冲击过电压为

当电缆末端不接负载时,UA为零值；当电缆末端接有大电容或末端主绝缘对地击穿时,

-52.36 kV

此时需装设护层保护器,流经护层保护器的冲击电流为

当电缆与架空线连接处设有避雷器并动作时,UA=-30.65 kV。

国内铁路使用的27.5 kV电缆外护层冲击绝缘水平一般在40 kV左右,考虑到反复冲击、吸潮、温度和外伤等因素对电缆的影响,其实际运行中绝缘水平会有所下降,因此,无论金属护套首端或末端接地,不接地端均应装设护层保护器。

3 电缆护层保护器选择

3.1 电缆护层保护器的要求

电缆护层保护器安装在电缆金属护层与地之间,用以限制或释放电缆线路金属套中的工频过电压和冲击过电压。护层保护器通常由非线性限流元件、金属电极和硅橡胶外绝缘构成。正常工作电压下,护层保护器呈高阻状态,通过保护器的电流为微安级,基本处于截止状态,将工频感应电压钳制在设计电压范围内；当护套出现过电压达到保护器的起始动作电压时,保护器的电阻值迅速下降,使过电压电流由保护器流入大地,护套上的电压为保护器的残压。过电压消失后,电阻阀片又恢复高阻特性,保护器和电缆恢复到正常工作状态[7]。